Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние систем теплообеспечения в зданиях в условиях Якутии 8
1.1. Роль параметров климата на эксплуатацию систем теплообеспечения зданий 8
1.2. Анализ проектных решений систем отопления, теплоснабжения и вентиляции зданий 22
1.3. Особенности эксплуатации систем теплообеспечения зданий в условиях Севера 25
Глава 2. Научно-методологические основы оценки обеспеченности теплового режима зданий 29
2.1. Инженерная методика расчета систем создания, поддержания и регулирований 29
2.2. Теория надежности систем отопления, теплоснабжения и вентиляции в условиях Севера 53
2.3. Методы оценки показателей надежности систем теплообеспечения зданий 56
Глава 3. Натурные исследования технического состояния систем теплообеспечения зданий медицинских учреждений г. Якутска 66
3.1. Технические характеристики систем
отопления, теплоснабжения и вентиляции 66
3.2. Систематизация причин аварий систем теплообеспечения 71
3.3. Натурные испытания систем теплообеспечения зданий 73
Глава 4. Разработка решений по повышению надежности эксплуатации систем теплообеспечения зданий 86
4.1. Решения по капитальному ремонту и реконструкции систем отопления зданий 86
4.2. Комплексные меры по профилактике и предупреждению аварийных ситуаций 90
4.3. Улучшение эффективности работы служб по эксплуатации систем отопления и вентиляции 93
4.4. Экономические показатели внедрения, разработанных методик 99
Основные выводы 104
Список использованных источников
- Анализ проектных решений систем отопления, теплоснабжения и вентиляции зданий
- Теория надежности систем отопления, теплоснабжения и вентиляции в условиях Севера
- Систематизация причин аварий систем теплообеспечения
- Комплексные меры по профилактике и предупреждению аварийных ситуаций
Анализ проектных решений систем отопления, теплоснабжения и вентиляции зданий
Температура холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по всей территории Якутии находится в диапазоне tH = 42...-60С. Максимальные из средних скоростей по румбам за январь vc =1,2...7,7 м/с. Суровость зимы характеризуется градусо-сутками отопительного периода. Характерными населенными пунктами в Якутии являются г. Верхоянск и г. Тикси, где отмечены наибольшие значения соответственно 12294 и 12191 градусо-суток, а наименьшие в г. Ленске и г. Алдане соответственно 8926 и 8804 градусо-суток.
Одна из характерных особенностей климата Якутии -большие годовые амплитуды температур (табл. 1.2), которые подтверждают континенталь-ность климата. Таблица 1.2. Годовые амплитуды температуры воздуха
Таким образом, для Якутии характерны: расчетные температуры холодной пятидневки наружного воздуха с (-42 С) по (-60 С); средние скорости ветра за январь, достигающие 7.7 м/с; зимний туман, возникающий при температурах близких (-42 С) и ниже; вечно мерзлые грунты, занимающие большую часть территории Якутии; продолжительный отопительный период, например, г. Тикси -365 суток.
По [30, 132] для г. Якутска, как и для всей Якутии, зима продолжительная, очень холодная, а лето короткое, сравнительно жаркое и засушливое.
Термический режим города характеризуется длительным периодом низких температур в зимние месяцы. Устойчивые морозы в городе наступают в конце сентября - начале октября, а оканчиваются в конце апреля. В Якутске по [113] наблюдается 185 дней с низкими температурами, из них с температурой ( ЮС) и ниже - 53 дня.
Благодаря резко выраженному антициклональному режиму погоды в холодный период зима в Якутске сухая и малоснежная. Годовая норма осадков в Якутске за период 1891-1980 гг. 230 мм, минимальное их количество - 104 мм, максимальное - 340 мм. Особенности климата г. Якутска четко проявляются при сравнении его с климатом пунктов других районов страны, лежащих на той же широте, а также на юге Восточной Сибири (табл. 1.3).
Город Якутск, находящийся на 62 северной широты и 130 восточной долготы, характеризуется в сравнении с другими населенными пунктами низкими зимними температурами, относительно жарким и коротким летом, малыми осадками, относительной суровостью зимнего периода.
Отличительной чертой ветрового режима г. Якутска является большая повторяемость штилей. Наиболее часто безветренная погода наблюдается в декабре-феврале (табл. 1.4).
Статистическому изучению параметров климата и выявлению их расчетных значений посвящены, например, работы Л. Е. Анапольской, В. Н. Богословского, М. К. Гавриловой и другие [7, 1, 30]. На их основе определяются расчетные параметры наружного воздуха для систем отопления и вентиляции, в том числе и для зданий на Севере.
Для оценки влияния климата на тепловоздушный режим здания необходимо выполнить анализ зависимостей основных факторов от параметров наружного воздуха.
Теоретические основы и инженерные методы обеспечения теплового режима зданий изложены в работах В.Н. Богословского, Ю.А. Табунщико-ва, Ю.Н. Кононовича, А.Н. Сканави, В.Е. Константиновой, А.А. Гусева, Ю.Я. Кувшинова, И.Ф. Ливчак и др. [7-11, 25, 35, 55, 57, 60- 62, 75, 121-124].
На (рис. 1.1) приведена принципиальная схема теплообмена здания в условиях резко континентального климата, построенного на сваях. Из принципиальной схемы видно изменение теплообмена в зданиях. Особенностью для зданий, построенных в Восточной Сибири, является отсутст виє подвала. Таким образом, в зависимости от местности наибольшее изменение происходит у инфильтрационных потерь теплоты.
Вопросам влияния потребителей на энергопотребление здания и расчету бытовых тепловыделений в жилых зданиях посвящены работы [35, 44,111-112]. Например, согласно [35] для жилых зданий с учетом фактической заселенности Q6=(150+198 Рж/Ґж 1.16, (1.2) где F,K -жилая площадь квартиры, принятая из расчета 9 м на одного человека; ґж-фактическая жилая площадь, приходящаяся на одного человека. Тепловой поток, поступающий в комнаты и кухни жилых домов по [115] следует принимать в количестве 10 Вт на 1 м2 площади пола.
Для проектирования системы отопления наибольшие потери теплоты через отдельные ограждения по [115] определяют по формуле где А- расчетная площадь ограждающей конструкции; R- сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции; tp-расчетная температура воздуха; text-расчетная температура наружного воздуха для холодного периода года при расчете потерь теплоты через наружные ограждения или температура воздуха более холодного помещения -при расчете потерь теплоты через внутренние ограждения; J3 -добавочные потери теплоты в долях от основных потерь; п- коэффициент учета положения наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху.
Теория надежности систем отопления, теплоснабжения и вентиляции в условиях Севера
Для анализа возможных изменений показателя теплоустойчивости (3 были определены тепловые характеристики помещений зданий, применяемых на Севере. В таблице 2.8 приведены значения (3 для различных зданий. Например, республиканская больница, имеющая наружные стены из кирпича, жилой дом серии 112 из трехслойных панелей, деревянное двухэтажное здание и жилое здание с легкими ограждающими конструкциями.
Из таблицы (2.8) видно, что в Якутии применяются здания из различных конструкций. С внедрением новых норм, применением конструкций с эффективным утеплителем идет снижение показателя теплоустойчивости.
В работе [60] приведена методика расчета изменения во времени температуры воздуха в помещении при его охлаждении в условиях последовательного понижения и повышения температуры наружного воздуха. Уравнение теплового баланса помещения записано в дифференциальной форме для отрезка времени 0 z z
Влияние способа обогрева помещения и тепловой инерции нагревательного прибора на изменение температуры воздуха в помещении после отключения отопления иллюстрируют данные таблицы (2.9) и (рис.2.4), рассчитанные аналогично [60], но в разных температурных условиях. Таблица 2.9 Температура воздуха в помещении после отключения отопления
Здесь G= L-p или G= ju- V -р - количество инфильтрационного воз-духа, кг/ч. Где К-внутренний объем помещения, м ; р- плотность воздуха, кг/м3; // - кратность инфильтрационного воздуха, 1/ч. Уравнение (2.46) показывает функциональную связь между изменением температуры tB(z) и количеством инфильтрационного воздуха G при отключении отопительного прибора.
Например, в таблице 2.10 приведена зависимость изменения температуры внутреннего воздуха помещения от кратности инфильтрационного воздуха //=0,5...2,0 1/ч в условиях г. Якутска. Размеры помещения приняты 3 6 3=54 м3.
Анализ показывает, что изменение воздухообмена в помещении имеет большее влияние на здания с меньшей теплоустойчивостью. Например, изменение кратности инфильтрационного воздуха ц=0.5...2.0, соответственно изменяет показатель теплоустойчивости (3 от а,=1: ирпичное здание до 17 %; деревянное здание до 24 %. Зависимость изменения температуры при отключении системы отопления при разных значениях кратности инфильтрационного воздуха приведена на рис. 2.5.
Например, по [60] tBK=10...12C является показателем критического теплового состояния здания, так как при этом температурные условия становятся крайне неблагоприятными для человека и создаются аварийные условия работы инженерного оборудования. Для указанных условий z при tBK=10C и t„=-30C лежит в интервале 6... 18 ч. Если tH понижается до -55С, то z снижается до 3 ... 10 ч. (рис.2.4).
Например, отключение света в п. Борогонцы вызвало остановку котельных. Из-за неправильного расчета времени остывания температуры внутреннего воздуха здания 65 % систем отопления заморозили: поздно начали сливать воду из системы отопления. Другой пример, в п. Оленек произошло тоже отключение света, поторопились, спустили воду из системы, подключили электричество, произошли большие затраты с наполнением системы привозной водой, запуском системы, заморозили 2 дома.
Показателем ремонтопригодности является вероятность восстановления работоспособности элемента системы в пределах допустимого времени гд. Для устранения отказа в пределах этого времени вероятностью 0,9 необходимо, чтобы zBOc= 0,433 д. В связи с этим в [60], для гарантированного обеспечения теплового режима в условиях Москвы, доказывается, чтобы ремонтные работы выполнялись всего за 1...2 ч. В этом случае допустимое время должен составить (2,3)...(4,6) ч. Среднее время восстановления в условиях Якутии можно принять на 1, 2 часа больше, чем в Москве, что показывают опытные данные.
В связи с этим для гарантированного обеспечения ремонтно-восстановительных работ, для систем отопления, подключаемых к тепловым сетям, предлагается ввести минимальное значение показателя теплоустойчивости Р для данной местности. Показатель Р, характеризующий соотношение значений удельной теплоемкости и теплопотерь помещения, связан с тепловой массивностью наружных стен. Поэтому массивность наружных стен для зданий массовой застройки должна, в зависимости от местности, задаваться минимальным значением, ниже которого нельзя подсоединять к централизованным сетям по показателю ремонтопригодности. Таким образом, показатель теплоустойчивости 3 может быть использован как один из показателей для выбора оптимального сочетания централизованного и децентрализованного теплоснабжения с учетом обеспечения ре-монтно-восстановительных работ.
Актуальность этого вопроса возрастает в связи с введением нового СНИПа [114] по строительной теплотехнике, где заданы повышенные нормы по сопротивлению теплопередаче. В условиях Якутии для выполнения этих норм необходимо применять только совмещенные строительные конструкции.
Например, для г. Якутска по рис.2.4 видно, что для централизованного теплоснабжения необходимо, чтобы (3 45.
Надежность является одним из важных свойств систем отопления и теплоснабжения, обуславливающих выполнение возложенных на них функций (обеспечение теплового режима зданий, бесперебойность подачи потребителям горячей воды с необходимыми температурой и давлением) [60].
При этом наибольшее значение имеют свойства безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости и долговечности элементов систем отопления, вентиляции и теплоснабжения. Отказ - это полное или частичное нарушение работоспособности. При этом система прекращает работу или продолжает функционировать с пониженным качеством. Согласно [66], отказы в отопительно-вентиляционных установках можно квалифицировать по таким признакам:
В процессе проектирования и конструирования здания закладывается его теоретическая надежность. В процессе изготовления обеспечивается физическая надежность каждого конкретного элемента, что зависит от качества применяемых при изготовлении отдельных деталей, качества сборки и монтажа конструкций. После монтажа надежность должна обеспечиваться правильной организацией эксплуатации и ремонта [26, 27, 31, 52-53, 63,85,105, 106].
Систематизация причин аварий систем теплообеспечения
Важнейшим фактором поддержания надежности системы является планово-предупредительный ремонт - комплекс мероприятий по надзору, обслуживанию и проведению текущих и капитальных ремонтов с установленной периодичностью [60].
Основой правильной технической эксплуатации зданий является предупреждение его преждевременного износа. Это достигается осуществлением системы технического обслуживания и ремонта строительных конструкций и всего инженерного оборудования зданий [77, 78]. Общие указания о функционировании такой системы и принципах ее организации установлены нормативными документами [29]. Системы технического обслуживания, ремонта и реконструкции зданий и объектов представляют собой комплекс взаимосвязанных организационных и технических мероприятий, направленных на обеспечение сохранности зданий и объектов.
Износ системы отопления при длительной эксплуатации происходит под воздействием внутренней, а иногда и внешней коррозии [10]. Вследствие отложения взвешенных частиц и образования накипи повышается гидравлическое сопротивление теплопроводов, отопительных приборов, ухудшаются их теплотехнические свойства.
Изменение потерь давления в системах отопления в зависимости от качества теплоносителя по [10] оценивают по формуле Ар J Ар p - 0.6+ az где Ар., Арр - потери давления в системе отопления соответственно через z лет эксплуатации и расчетные; а - коэффициент, зависящий от качества теплоносителя (а=0.17 для деаэрированной воды при содержании кислорода в ней до 0.1 мг/л и а=0.65 для недеаэрированной и смешанной воды при содержании кислорода 10 мг/л).
Например, для сетевой воды от ТЭЦ г. Якутска можно рассчитать потери давления по формуле (4.1), анализ состава сетевой воды ТЭЦ приведен в приложении. Изменение потерь давления системы отопления по годам приведено в таблице 4.1.
По [105, 134] техническое состояние здания или его элемента характеризуется физическим износом, т.е. степенью утраты первоначальных эксплуатационных качеств. Физический износ определяют визуальным обследованием и инструментальными методами контроля. Например, жилые здания определяют в соответствии с требованиями "Правил оценки физического износа жилых зданий" и ВСН 53-86(р).
Реконструкцию систем теплообеспечения по [29, 60, 77, 78] осуществляют кроме физического износа еще и по другим причинам. Например, по таким причинам: перепланировка здания, изменение назначения здания; изменение условий теплоснабжения; повышение требований к тепловому комфорту; изменение условий эксплуатации. Система технического обслуживания, ремонта и реконструкции должна обеспечивать нормальное функционирование зданий и объектов в течение всего периода их использования по назначению. Сроки проведения ремонта зданий, объектов или их элементов должны определяться на основе оценки их технического состояния.
Надежность работы отдельных элементов систем отопления, как показано раньше, зависит от срока службы каждого элемента. Одно из направлений по профилактике и предупреждению отказов, повышению эффективности эксплуатационных работ систем теплообеспечения - это определение срока службы каждого элемента системы отопления.
Нормативные сроки службы (минимальная продолжительность эффективной эксплуатации элементов) инженерного оборудования приводятся в справочной литературе, например [29, 53, 105, 134]. В [29] приведены рекомендуемые периодичности проведения ремонтно-строительных работ.
Нормативный срок службы каждого элемента системы отопления определен для условий эксплуатации средней полосы России. Он не учитывает географическое место использования оборудования, климатические условия эксплуатации. Система отопления на Севере проектируется такая же, как и в средней полосе, но работает в более тяжелых условиях за счет удлиненного отопительного сезона и низкой средней температуры отопительного периода.
В анализе для определения срока службы элемента системы отопления учтено только изменение отопительного периода и средней температуры отопительного периода. В расчетах принимаются следующие допущения: системы отопления запроектированы одинаковые, интенсивность отказов у однотипных элементов равны и распределяются по экспоненциальному закону.
Например, в таблице 4.2 приведены сроки службы некоторых элементов системы отопления в условиях г. Якутска, рассчитанные по этим данным.
Продолжительность эффективной эксплуатации элементов систем отопления, рассчитанная с учетом климатических особенностей местности, согласуется с обследованием и натурными исследованиями, приведенными в главе 3. В условиях г. Якутска срок службы элементов систем отопления почти на 18 % короче, чем принято в справочных данных. Знание расчетных сроков службы в зависимости от местности позволит планировать сроки капитального ремонта и эффективно использовать межремонтный период.
Комплексные меры по профилактике и предупреждению аварийных ситуаций
Монтаж систем отопления выполнила специализированная монтажная организация АФ "Якутспецстрой", монтаж систем вентиляции - АО "Якутсантехмонтаж".
Во время проведения капитального ремонта и реконструкции здания заменены все окна, в операционных блоках установлены стеклопакеты. Таким образом, в результате теплотехнического расчета получены новые нагрузки для системы отопления блоков А и Б (табл. 4.5), что подтверждают показания теплосчетчика, установленного на вводе в здание. Уточненный расчет подтвердил снижение нагрузки на отопление здания, что дает экономию в оплате за потребляемое тепло.
Анализ работы существующей системы отопления и температурный режим здания показал, что в верхних этажах здания наблюдается перегрев, а внизу недогрев. Поэтому при подборе отопительных приборов добавили количество секций радиаторов в первом этаже, уменьшили на верхних этажах здания. В системе приточной вентиляции проведено разделение систем, обслуживающих стационар, в результате вентиляторы N10 заменены вентиляторами N8, менее громоздкими и менее дефицитными. Получено снижение электрической нагрузки на вентиляцию. Рассматривается вопрос о переходе на автономную систему теплообеспечения. где -расчетная часовая нагрузка на отопление, Вт; /„ -внутренняя температура помещения, С; tH - расчетная наружная температура воздуха, С; toc -средняя температура отопительного сезона, С; z- продолжительность отопительного сезона, сутки; с -стоимость тепловой энергии, определяемая по существующим тарифам. руб/Гдж.
Для здания ЯРКБ экономия на оплату за тепловую энергию за год после капитального ремонта составила ZiC=75690 руб/год в ценах 1998 года или 1.2 рубля на 1 м объема здания в год в ценах 1999 года.
Эффективность системы теплообеспечения связана с поддержанием заданной температуры помещений в течение требуемого периода времени при нормальных условиях эксплуатации и определяется тремя основными свойствами: надежностью, управляемостью (или устойчивостью) при функционировании и обеспеченностью[10, 66]. где К„ад -вероятностный показатель надежности; Купр - вероятностный показатель управляемости; K0Q- вероятностный показатель обеспеченности. Показатель эффективности Кэф в зависимости от функционального назначения здания определяет социальный и производственный ущерб за счет невыдерживания требуемых внутренних условий в помещениях. Чем меньше КЭф, тем ниже качество отопления и больше социальный ущерб.
Показатель надежности Кнад, как показан в главе 2, зависит от большого числа разнообразных факторов, связанных между собой сложными зависимостями. В то же время, если вопросы надежности на стадии проектирования учтены неполно, это может привести к тому, что система окажется неработоспособной [66]. Анализ систем теплообеспечения, опыт проектирования показывает зависимость работы системы отопления от внешних связей.
Анализируя аварии, происшедшие в Якутии, можно выделить такие аварии, когда мероприятия при отказе системы теплообеспечения выполнены, ущерб самой системе минимальный. Но на объекте создается критическая ситуация, создающая угрозу безопасности жизнедеятельности. Модель функционирования систем теплообеспечения приведена в главе 3. Например, при отключении электроснабжения останавливаются циркуляционные насосы, останавливается сама система отопления. Через некоторое время, при наступлении критической ситуации, при снижении температуры в помещениях до 8-10С, производится слив воды из систем отопления. Такие ситуации могут наступить в любой момент времени, например, при низких температурах наружного воздуха. Таким образом, в системе отопления ущерб будет в виде затраты на спуск и запуск воды в систему и восстановление нормального режима работы системы теплообеспечения объектов. А населению, например, материальный и моральный ущерб в виде затрат на эвакуации, восстановления замороженных помещений, квартир.
Техническая эффективность восстановления системы отопления предлагается определять по уравнению где Рот- надежность системы отопления, определенный в главе 2; KV — коэффициент обеспеченности восстановления системы.
Рот определяет техническое состояние системы, a KV определяет степень соответствия нормируемых затрат на восстановление реальным. Ко кк эффициент обеспеченности восстановления системы отопления в общем случае определяется где кі = Уі( р/Уі - коэффициент обеспеченности затрат на остановку и запуск системы; к? = Уі(ф/У2 - коэффициент обеспеченности затраты на спуск и наполнение системы водой; кз = Уз(ф/Уз - коэффициент обеспеченности затраты на восстановление системы; к4 Ущ/У4 - коэффициент обеспеченности затраты на материальный ущерб населению. к/ - показывает затраты обслуживающей или аварийной бригады, практически К}=1. к2 - определяется инженерным обеспечением здания (централизованный водопровод, уличная колонка, привозная вода и т.д.). Этот коэффициент показывает увеличение затрат в сельской местности, что характерно для Якутии, где централизованное водопроводные сети имеются в крупных городах и поселках. Он связан со временем остывания здания, наступлением критического состояния для системы отопления, к3 -определяется надежностью, обеспеченностью теплового режима системы отопления. Максимальные затраты будут стремиться к полной замене системы при крупных авариях, при замораживании всей системы. к4 - характеризуется нанесенным ущербом населению при отказе системы отопления здания.
Предлагается ущерб от отказа определять минимальными затратами при восстановлении отказавшей системы и технической эффективностью восстановления системы отопления У=УРЭв, (4.17) Здесь Ур - расчетные затраты отопительной системы, определяются стоимостью самой системы. Техническая эффективность восстановления системы Эв учитывает региональные особенности местности, конструктивные характеристики здания, надежность и ремонтопригодность системы.
