Анализ эффективности и оптимизация систем утилизации теплоты вытяжного воздуха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Никитина Вероника Александровна

• Никитина Вероника Александровна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Никитина Вероника Александровна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современные подходы к организации энергоэффективных инженерных систем

1. 1 Низкопотенциальные источники теплоты и способы их применения в инженерных системах

1.2 Методы оптимизации режимов работы СКВ

1.3 Утилизация теплоты вытяжного воздуха

1.4 Энергетическое моделирование зданий

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Экспериментально-расчётное исследование системы утилизации

теплоты на примере учебной аудитории

2.1 Применение методов энергетического моделирования

2.2 Схемные решения системы утилизации теплоты

2.3 Исследование работы теплового насоса и верификация его расчёта

2.4 Прогнозирование и оценка срока окупаемости системы

2.5 Методика расчёта режимов работы теплового насоса

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Многокритериальная оптимизация систем утилизации теплоты

вытяжного воздуха

3.1 Обоснование критериев оптимизационного расчета

3.2 Методы обоснования весовых коэффициентов

3.3 Оценка альтернатив

3.4 Методология оптимизации по Парето

3.5 Выбор оптимального рабочего тела термодинамического цикла

3.6 Результаты оптимизации системы утилизации теплоты вытяжного воздуха

3.7 Результаты оптимизации с учетом климатического фактора в общем виде

3.8 Результаты оптимизации с применением расчетных методов определения весовых коэффициентов

3.9 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А - Вариации комбинированных схем рекуперации теплоты

вытяжного воздуха и нагрева приточного воздуха

Приложение Б - Сравниваемые циклы теплового насоса в модели

Приложение В - Расчёт работы теплового насосав программе EES

Приложение Г - Примеры части массива данных из программы Excel

Приложение Д - Этапы работы в программе Meteonorm

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Модернизация существующих зданий при помощи энергоэффективных технологий является важным элементом экологической стратегии. Работа с такими технологиями является комплексной задачей, наделённой множеством взаимосвязанных критериев. Вопреки этому, решения по-прежнему часто принимаются на основе одного критерия, например, энергоэффективности или стоимости. Для решения этой проблемы используются методы принятия решений по нескольким критериям к выбору энергоэффективных технологий для модернизации существующих зданий. Такие методы могут помочь сформулировать проблему и облегчить оценку и ранжирование мер по модернизации при совместном рассмотрении множества критериев.

Здания выделяют до 30 % годовых выбросов парниковых газов в мировом масштабе и потребляют до 40 % всей первичной энергии. Строительный сектор является крупнейшим потребителем первичной энергии по сравнению с другими крупными секторами, такими как промышленность и транспорт. Многие страны располагают возможностью сокращения выбросов парниковых газов и снижения потребления энергии на 30 %. По этой причине стоит рассматривать сектор строительства в локальном и глобальном виде для достижения экологических целей. Для сокращения выбросов углекислого газа стоит обратиться к возможным путям развития энергетической эффективности в зданиях, особенно учитывая фактор низких энергетических показателей строительных сооружений. Большинство существующих зданий сложно заменить новыми в силу различных внешних факторов, поэтому именно модернизация старого фонда имеет большой потенциал для повышения энергоэффективности и сокращения С02. Для этих целей существуют меры по сокращению потребления энергии и низкоуглеродные технологии. Меры по сокращению потребления энергии могут включать создание

защиты от инфильтрации через щели перекрытий, улучшение изоляции стен и замену остекления для минимизации притока тепла. Такие меры как улучшение естественной вентиляции и дневного света, могут дополнительно снизить потребление энергии. Озеленение кровли здания обеспечивает изоляцию и охлаждение за счет эвапотранспирации (Процесс возвращения влаги в атмосферу в виде водяного пара. Он происходит за счёт испарения воды с поверхности почвы и растительности, а также через транспирацию, то есть испарение воды растениями. Ветрогенераторы, солнечные панели, использование биомассы и комбинированные системы являются технологиями, которые имеют низкие показатели углеродосодержания.

Для модернизации зданий, корректного выбора, повышения производительности, определения сроков окупаемости и учёта использования систем необходимо подобрать методы, основанные на комплексном решении, в котором взаимосвязаны такие факторы как политическая обстановка, жизнедеятельность людей и климатические факторы. С популяризацией повестки дня по устойчивому развитию в строительном секторе важно учитывать критерии устойчивости, которые касаются технических, экологических, экономических и социальных показателей. Эти критерии являются взаимозависимыми и противоречивыми. Качественная и количественная природа различных критериев также увеличивает сложность анализа. Текущий процесс принятия решений, связанных с модернизацией зданий, обычно основан на одном экономическом критерии, таком как соотношение затрат и выгод. В связи с этим были предложены методы многокритериального принятия решений (Multi Criteria Decision Making -MCDM). Такие методы разбивают принятие решения на комплексную задачу с несколькими этапами, которые учитывают значимость критериев и подводят к оптимальному решению. Таким образом получается разобрать взаимосвязь параметров и уменьшить воздействие субъективности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ эффективности и оптимизация систем утилизации теплоты вытяжного воздуха»

Цель работы

Целью работы является исследование и повышение эффективности систем утилизации теплоты вытяжного воздуха для климатических условий регионов РФ.

Задачи работы

Для достижения цели, необходимо выполнить следующие задачи:

1) Проанализировать возможности современных программных продуктов для энергетического моделирования инженерных систем;

2) Обосновать техническое решение и разработать математическую модель работы теплового насоса;

3) Выполнить анализ энергетической эффективности теплового насоса для климатических условий регионов РФ;

4) Разработать методику многокритериальной оптимизации утилизаторов теплоты вытяжного воздуха на базе теплового насоса;

5) Выполнить оптимизацию теплоутилизатора по энергетическому и климатическому факторам;

6) Обосновать выбор хладагентов, оптимальных по энергетическому, экономическому и экологическому факторам для климатических условий регионов РФ.

Научная новизна работы

Научная новизна исследовательской работы заключается в разработанной методике многокритериальной оптимизации системы утилизации теплоты вытяжного воздуха на базе теплового насоса.

Теоретическая и практическая значимость работы

1) Разработаны математическая модель и методика расчёта теплового насоса в качестве системы утилизации теплоты;

2) Определены энергетические, экологические и экономические показатели системы утилизации теплоты вытяжного воздуха на базе теплового насоса за отопительный период для климатических условий регионов РФ;

3) Предложенная методика рекомендуется к внедрению в практику проектирования для оптимального выбора хладагента теплового насоса с учётом выбранных предпочтений и климатического фактора.

Положения, выносимые на защиту

1) Методика расчёта энергетических потоков и тепловых нагрузок в зданиях на базе современных программных обеспечений;

2) Математическая модель и методика расчета системы утилизации теплоты вытяжного воздуха на базе теплового насоса;

3) Методика многокритериальной оптимизации утилизаторов теплоты вытяжного воздуха на базе методологии Парето;

4) Расчетные зависимости энергетических показателей системы утилизации теплоты вытяжного воздуха на базе теплового насоса от климатических условий регионов РФ;

5) Рейтинг хладагентов для применения в тепловых насосах по результатам оптимизационного анализа;

6) Рейтинг альтернативных решений утилизаторов теплоты вытяжного воздуха в функции от климатического фактора.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) LIV научная и учебно-методическая конференция ППС НИУ ИТМО 27.01.2025 - 31.01.2025;

2) XIII Конгресс молодых ученых ИТМО 08.04.2024 - 11.04.2024;

3) LIII научная и учебно-методическая конференция ППС НИУ ИТМО 29.01.2024 - 02.02.2024;

4) XII конгресс молодых ученых ИТМО 03.04.2023 - 06.04.2023;

5) LII научная и учебно-методическая конференция ППС НИУ ИТМО 31.01.2023 - 03.02.2023;

6) LI научная и учебно-методическая конференция ППС НИУ ИТМО 02.02.2022 - 05.02.2022;

7) X Международная Научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 27.10.2021 - 29.10.2021.

Достоверность научных достижений

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов подтверждается тем, что в диссертации использованы научные подходы к математическому моделированию, которые верифицированы и качественно апробированы. При выполнении диссертационной работы использовано такое программное обеспечение как EES, OpenStudio, TimeStep, Meteonorm, Microsoft Excel.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертации используются в учебном процессе в Университете ИТМО в Санкт-Петербурге.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных работ. Из них 3 статьи ВАК и 9 статей Scopus, Web of Science.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка использованных источников и шести приложений. Работа изложена на 244 страницах, включая 102 рисунков и 39 таблиц. Список использованных источников состоит из 167 наименований, в том числе работы отечественных и зарубежных авторов, нормативные документы и электронные ресурсы.

Содержание работы

Введение

Для модернизации зданий некорректно руководствоваться одним или двумя критериями при решении поставленной задачи. Таким критерием как правило принимают энергоэффективность или стоимость. Поэтому следует применять методы принятия решений по нескольким критериям к выбору энергоэффективных технологий для модернизации существующих зданий, которые помогают формулировать проблему и упрощать оценку и ранжирование рассматриваемых альтернатив. Разработка мер по модернизации занимает важную позицию в экологической стратегии поскольку потребление зданий достигает 40 % от всей первичной энергии в сравнении с другими крупными секторами, такими как промышленность и транспорт. Для модернизации зданий, корректного выбора, повышения производительности, определения сроков окупаемости и учёта использования систем необходимо подобрать методы, основанные на комплексном решении, в котором взаимосвязаны такие факторы как политическая обстановка, жизнедеятельность людей и климатические факторы. В связи с этим были предложены методы многокритериального принятия решений (Multi Criteria Decision Making - MCDM). Такие методы разбивают принятие решения на

комплексную задачу с несколькими этапами, которые учитывают значимость критериев и подводят к оптимальному решению.

Глава 1

Применение невозобновляемых ресурсов негативно влияет на экологию, политику и социальную сферу. С тех пор как невозобновляемые источники заняли главенствующую позицию, наблюдается повышение температуры общей поверхности планеты. Одной из альтернатив выступают низкопотенциальные источники, которые являются ресурсом энергии без следов горения. Самым распространённым способом является извлечение теплоты из грунта и воды, которая протекает как на поверхности земли, так и в подземных источниках. В городских жилых и общественных зданиях эффективней использовать потенциал вытяжного воздуха. В системах вентиляции существуют пассивный и активный тип утилизации. В среднем за год пассивные технологии могут покрывать 58 % от общего спроса на отопление и охлаждение. Потенциал отработанного тепла в вентиляционном отработанном воздухе многоквартирных домов достигает в среднем 39,6 %. Исследования пластинчатых теплоутилизаторов при использовании фазового перехода в процессе теплообмена привели к повышению расчётной эффективности до 65 %. Экспериментальные исследования показали экономию энергии за год в 20 % для охлаждения и 40 % для нагрева воздуха при эксплуатации четырёх десятиэтажных зданий.

Эффективными примерами утилизации теплоты выступают устройства с промежуточным теплоносителем за счёт конструктивной универсальности, повышения теплового коэффициента и более гибкого управления энергией. Такой подход также избавляет от проблемы смешения приточного и вытяжного воздуха. При использовании термодинамического цикла в системах вентиляции можно эффективно утилизировать теплоту вытяжного воздуха с последующим направлением её на нагрев и осушение приточного воздуха. Однако следует учитывать, что такая активная утилизация тепла требует значительное количество

электроэнергии для работы компрессора в тепловом насосе. Такие системы можно внедрять в вентиляцию как основной способ утилизации, так и комбинированный пассивно-активный. Проведение исследований работы систем с встроенными тепловыми насосами, направленными на утилизацию теплоты из вытяжного воздуха, позволит обеспечить стабильность работы систем, выявить потенциальные возможности и варианты модернизаций, а значит повысить будущую эффективность применения таких аппаратов для обслуживаемых объектов.

При проектировании зданий и сооружений необходимо учитывать географическое местоположение со свойственными ему параметрами климата, функционал и особенности сооружения, его назначение. Это возможно при использовании метода энергомоделирования, который состоит из комплексного решения задачи, в которой создаётся трёхмерная модель с геометрическими параметрами и материалами конструкций исследуемого здания, производится деление на тепловые зоны, устанавливается внутренний микроклимат, добавляются требуемые инженерные системы и другие внутренние нагрузки. В итоге производится расчёт годового цикла здания в зависимости от климатических условий региона. В научной работе для решения поставленных задач в области энергомоделирования были задействованы программные продукты eQUEST, Епег§уР1ш, OpenStudio. Для точности исследования следует проводить многоэтапный процесс калибровки энергетической модели здания на основе данных измерений. Калибровка начинается с составления обзора на энергетическую модель: характеристики здания и систем ОВиКВ, базовая конфигурация версии энергомодели, анализ качества данных. Далее следует этап с подробным описанием результатов, полученных в процессе калибровки и оценки с иллюстрацией преимущества откалиброванной модели в сравнении с базовой. В конце приводятся выводы и возможности достижения высокопроизводительной энергомодели здания, которая соответствует критериям международного стандарта. Откалиброванная модель наиболее идентична реальному образцу, её суммарное потребление электроэнергии достигает 99,26 %, в то время как потребление базовой модели

достигает 62,56 %. Установлено, что базовая модель уступает откалиброванной модели на 36,7 % в корректности данных расчёта.

Глава 2

Обработка воздуха внутри зданий требует особого внимания при проектировании или модернизации, поскольку на системы ОВКВ отводится колоссальное количество ресурсов. Для проведения исследования были применены методы энергетического моделирования с целью диагностики экспериментальной системы, анализа энергетических и тепловых нагрузок на здание. Был проведён анализ тепловой и электрической нагрузки на жилое здание площадью 110,5 м2, которое расположено в городе Санкт-Петербург и оборудовано системой ОВКВ для регулирования температуры воздушной среды. По результатам энергомоделирования выявлено, что наибольшие теплопотери в январе через наружные стены и окна составили 7 562 кБТУ и 3 421 кБТУ соответственно. Наибольшие теплопритоки в июле через наружные стены и окна составили 6 803 кБТУ и 5 712 кБТУ соответственно. Суммарное потребление электроэнергии за год составило 6 345 кВтч. При отоплении здания было затрачено 30 337 кВт теплоты за год. Для изучения отработанного вытяжного воздуха в качестве вторичного энергетического ресурса была построена модель части университета ИТМО. Теплота в вытяжном воздухе образуется от внутренних нагрузок помещения. В результате исследования обоснован потенциал использования теплоты вытяжного воздуха для частичного сокращения энергетических затрат на систему отопления. В модели учтены теплофизические свойства ограждающих конструкций, погодные условия окружающей среды, привязанные к географическому местоположению, солнечная радиация, параметры воздуха внутри помещения, а также инфильтрация через оконные проёмы.

На рисунке 1 представлен график потребления электроэнергии в течении года. Потребление за год составило 6 345 кВтч. Динамика тепловых процессов в здании связана с его реакцией на различные стрессовые факторы нагрузки в виде

окружающей среды и вспомогательных систем. Из этого следует, что корректный подбор систем утилизации теплоты вытяжного воздуха является сложной многофакторной задачей, которая состоит из технико-экономической оценки комбинации аппаратов.

Суммарное потребление электроэнергии (Втч)

кивни» 10Й1Й0 «яиюо змш ЧООМО зовпоп 1М№ [М1№

/ у ^ у * ✓ у //"у /

Рисунок 1 - График потребления электроэнергии за год

Методом энергетического моделирования выполнена оценка энергосберегающих мероприятий и энергетических затрат за годовой цикл, которая выявила, что количество рекуперированного тепла за весь год достигает 80 546 кВтч.

Рассмотрены две схемы работы теплового насоса: с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха и без рекуперации. Низкопотенциальным источником теплоты для первой системы выступает вытяжной воздух (Рисунок 2), для второй системы наружный воздух (Рисунок 3). Целью рекуперации теплоты вытяжного воздуха является нагрев приточного воздуха. Тепловой насос работает на хладагенте R410A и обеспечивает нагрев приточного воздуха в обоих случаях.

Рисунок 2 - Упрощённая схема системы вентиляции с встроенным тепловым насосом с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха

Рисунок 3 - Упрощённая схема системы вентиляции с встроенным тепловым

насосом без рекуперации теплоты Входные данные для расчёта получены на лабораторном стенде (Рисунок 4). В системе задействован спиральный компрессор Copeland ZPD61. Пример измерения давления до и после компрессора при регулировании производительности приведен на рисунке 5.

Рисунок 4 - Общий вид экспериментальной установки

Время (сек)

Рисунок 5 - Измеренные давления до и после компрессора Результаты расчёта верифицированы для проведения дальнейших исследований. В математическом расчёте работы теплового насоса задействованы измеренные давления кипения и конденсации измеренные температуры до и после, значения падения давлений на сопротивление, температура перегрева/переохлаждения, коэффициенты эффективности теплообменников, температура наружного воздуха, температура воздуха на входе в теплообменные аппараты, температурные напоры в теплообменных аппаратах. Поскольку

рассчитывался реальный цикл теплового насоса, в нём были учтены параметры, зависящие от перепада давлений и температуры перегрева и переохлаждения. Методикой предусмотрены расчеты следующих параметров для каждого момента времени.

Расчёт полных нагрузок: в испарителе:

Q^n = а* (Jamb — TlDl), С1)

в конденсаторе:

Сконд = Р* (Т3- Тн). (2)

Расчет энергопотребления компрессора:

W = Сконд - ^исп. (3)

Расчет массового расхода хладагента:

W

m =

(4)

h2 - ht

По результатам моделирования за период 6 часов получены следующие усреднённые значения:

- коэффициент преобразования COP 2,68;

- производительность испарителя 13,38 кВт;

- производительность конденсатора 21,41 кВт;

- мощность компрессора 8,03 кВт.

Верификация модели при одинаковых условиях средней температуры воздуха в конденсаторе и средней температуре воздуха в испарителе показала значение отклонения между моделью и экспериментом не превышающее 5 % (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Верификация значений СОР

Следующим этапом анализа утилизации теплоты вытяжного воздуха было создание математической модели теплового насоса для расчёта показателей за отопительный период для города Санкт-Петербург. Температура вытяжного воздуха была усреднена до 22 °С. Температура наружного воздуха на улице была взята из погодного файла. В результате моделирования установлено, что система с рекуперацией эффективней на 27,57 %, чем система без рекуперации (Рисунок 7). Усреднённые значения СОР составили:

- с рекуперацией 2,324;

- без рекуперации 1,684.

Рисунок 7 - Сравнение значений СОР за моделируемый период При применении системы рекуперации производительность испарителя возрастает на 28,40 %, нагрузка на компрессор снижается на 26,27 %. Энергопотребление компрессора уменьшается на 16269,96 кВт*ч (Рисунок 8).

Рисунок 8 - Потребление электроэнергии компрессором

Экономические показатели были получены из выражения (5):

Cost(Energy) = Се * ES, (5)

где Се - стоимость электроэнергии (0,136 $/кВт*ч);

ES - сэкономленная электроэнергия в размере 16269,96 кВт*ч.

Рекуперация теплоты вытяжного воздуха позволяет сэкономить 2212,72 $ за отопительный период.

Для полной оценки внедренной энергетической системы экономический анализ является важным шагом после доказательства ее технической эффективности. Чтобы сделать анализ системы более широким, разрабатывается подробная экономическая формулировка и используется подход NPV. Оценка срока окупаемости системы проведена через показатель Net Present Value (NPV) по выражению (6):

NPV = —С0 +

Yn hot

Ly=i (1 + 1)У'

(6)

где С0 - стоимость компонентов системы; Ьог - прибыль от применения системы; у - количество лет использования; I - процентная ставка.

Капитальные затраты на систему составили 2138,1 $.

Расчетный минимальный срок окупаемости системы при процентной ставке 5 % составит 2 года, при ставке 15 % - 2,2 года (Рисунок 9). Процентная ставка определяется банком.

Рисунок 9 - График КРУ в зависимости от стоимости, прибыли и количества лет эксплуатации системы при определённой процентной ставке

В методике расчёта режимов работы теплового насоса применены падения давлений на сопротивление, температура перегрева/переохлаждения, коэффициенты эффективности теплообменников, температура наружного воздуха, температура воздуха на входе в теплообменные аппараты, температурные напоры в теплообменных аппаратах, КПД компрессора и температура недорекуперации. В расчёт встроено двойное вычисление параметров цикла для самопроверки корректности работы кода. Помимо определения узловых точек цикла, проводился расчёт температуры испарения фреона через формулы (7) и (8):

Т = Т -Г- + (7)

1 напор 'возд.в исп. Ч ' I 3 )'

/ /Д7ЛеР\ \

С?исп ^ * (^возд.в исп. ^ + ( 3 ) + ^^недорекуп )' (8)

где Гнапор - температурный напор в испарителе, °С; Гвоздв исп. - температура воздуха, проходящего через испаритель, °С; - температура испарения фреона, °С; ЛГпер - перепад температур, °С; @исп - производительность испарителя, кВт; а -коэффициент производительности испарителя; Д71нед0рекуп - температура недорекуперации, °С.

Температура конденсации фреона вычисляется через выражение (9) при постоянной производительности конденсатора равной 20 кВт:

Сконд = Р * (^ - (^р) - ГатЬ) ' (9)

где @конд - производительность конденсатора, кВт; Р - коэффициент производительности конденсатора; £с - температура конденсации фреона, °С; ГатЬ - температура воздуха окружающей среды, °С.

Глава 3

Для решения комплексных задач в области повышения энергоэффективности необходимо использовать методы оптимизации, чтобы избежать субъективного принятия решения. Для модернизации зданий, корректного выбора, повышения производительности, определения сроков окупаемости и учёта использования систем необходимо подобрать методы, основанные на комплексном решении, в котором взаимосвязаны такие факторы как политическая обстановка, жизнедеятельность людей и климатические факторы. Продуманный выбор показателей производительности является ключевым при выборе альтернатив, информировании адаптивных планов мониторинга и управления и, в конечном счете, характеристике успешности проекта. Выбор критериев и показателей должен снижать неопределенность, расширять знания о функциональности системы и оценивать полезность альтернативы для набора целей.

Для качественного решения задачи повышения эффективности системы утилизации теплоты был применён метод предпочтения порядка по сходству с идеальным решением TOPSIS, который основан на методологии Парето. Это широко применимый метод с простой математической моделью. Для работы с многокритериальным методом анализа вариантов создаётся матрица решений (Рисунок 10), состоящая из исходных данных, по которым необходимо сделать выбор (Рисунок 11). X - это характеристики. А - это варианты решения.

Рисунок 10 - Матрица решений

Рисунок 11 - Таблица исходных данных Чтобы значения можно было сравнивать, их необходимо привести к одному виду, то есть нормировать, а также ввести весовые оценки для каждого параметра. Их задают эксперты на основании своего научного опыта и знаний. Нормализация матрицы с учётом весовых оценок производится при помощи формулы:

х

аи = Wj * Гц = Wj *

ч

Jym у.2 bi=i*ij

(10)

где Wj - это весовая оценка; Гц - нормированное значение; Хц - исходное значение параметра;

После задача приводится к идеальному и отрицательно-идеальному решению. Где положительно идеальное решение обозначается как:

max ац for j = 1,..., к

А негативно идеальное решение:

Л* = (а*а*2 ... а*п)

а* = \ 1

} Imin ац for j = к + 1,..., п

(11)

Л2 = (а2

2а2 ... o^Q

min аи for j = 1,..., к

i J

а2 = ,

1 imax ац for j = к + 1,..., n

i

(12)

Следующим шагом выступает расчет расстояния каждой альтернативы для идеального и отрицательно-идеального решения:

d* = (dld*2 ... d*m)

* лт

d* = d(At, Л*) =

N

п

Ys*, -

(13)

J=1

d2 = (d\d2... О

т

d* = d(Ai, Л2) =

2

п

^(ац-а2у

(14)

j=I

И расчет показателей подобия частных альтернатив идеальному решению:

d* = (d;d2 . d*п)

* лт

D* =

d2

d(At, Л2)

d*i + d2 d(Ai, Л*) + d(At, Л2)

(15)

После чего создаётся окончательный порядок ранжирования альтернатив показателя значения сходства:

Если rnax(D1, D2,..., } = ^¿1 ^ то это наилучшее решение;

Если mrn{D1, ..., D^} = Df2 ^ ^¿2 то это наихудшее решение.

На основании многокритериального метода была произведена оптимизация хладагентов R410A, R407C, R290, R134a, R1234yf и утилизаторов теплоты с их применением. Хладагенты подобраны с учётом их совместимости с тепловым насосом.

Для ранжирования хладагентов в качестве критериев были приняты: плотность, скрытая теплота испарения, теплоёмкость жидкости, критическая температура, теплопроводность, вязкость, потенциал глобального потепления, токсичность, воспламеняемость и цена.

Полученные данные (Рисунок 12) отображают какие хладагенты целесообразно использовать при учёте особенностей энергетической эффективности, экологии и экономичности. R290 обладает наилучшими характеристиками при учёте всех областей кроме экологии. По экологии он уступает хладагенту R1234yf на 17 %. В остальном он в среднем лучше на 11 % по сравнении с ближайшим наилучшим вариантом.

Рисунок 12 - Ранжирование рабочих веществ для теплового насоса

Утилизаторы теплоты сравнивались по расчётным характеристикам для соответствующего цикла рекуперации теплоты и по справочным данным:

COP - Коэффициент преобразования;

Пэкс - Эксергетический КПД теплового насоса;

CO2 - Сокращение выбросов углекислого газа, т;

GWP - Потенциал глобального потепления;

Горючесть - Класс горючести;

ПЭ - Удельные затраты первичной энергии на производство теплоты;

NPV - Срок окупаемости.

Компоновка результатов расчёта и дополнительные операции производились в программе Excel. Производилась проверка массива данных на наличие ошибок, а также их корректировка. Распределение оценок значимости (весовых коэффициентов) по методу прямой экспертной оценки было принято на основании того, что сумма должна быть равна 1. Учитывались такие приоритеты как: энергетическая эффективность, экология, экономичность. Также рассмотрен вариант оптимизации при равной оценке значимости.

В результате оптимизации получен рейтинг систем утилизации теплоты по приоритетам (Рисунок 13). Многокритериальный метод оптимизации выделил хладагент R1234yf как самый подходящий для использования с точки зрения экологичности. R134a целесообразно использовать по энергетической эффективности и экономичности.

Рисунок 13 - Ранжирование систем утилизации теплоты для Санкт-Петербурга

При рассмотрении городов Петрозаводск, Сочи, Омск, Краснодар, Анадырь, оптимизация на основании энергетической эффективности выявила существенные преимущества у хладагентов R410A и R134a с разницей в 2 % - 11 %. Их оценка достигает 0,91 и 0,94 соответственно. Третье место занимает R1234yf, с разницей в 15 % - 26 %. Самый низкий рейтинг получил хладагент R407C для всех городов выборки кроме Сочи. В данном случае хладагенты R407C и R290 получили примерно одинаковый рейтинг при разнице в 2 %. Самым неэкономичным в использовании является хладагент R407C с рейтингом 0,27 для города Омск.

Поскольку тепловой насос можно использовать как в зимний период года, так и в летний, был проведён оптимизационный расчёт летнего режима работы для города Сочи. Расчёт цикла соответствует схеме, приведённой на рисунке 14.

Испаритель

Рисунок 14 - Схема теплового насоса при летнем режиме работы Как видно из графика на рисунке 15 при равной оценке значимости, экологической и экономической оценке наилучшим вариантом является хладагент R1234yf. При сравнении хладагентов по энергетической эффективности, R134a получает наивысший рейтинг. Второе место занимает R410A.

Рисунок 15 - Ранжирование систем утилизации теплоты (Летний режим работы) В качестве параметра, характеризующего суровость климата для любого населенного пункта использованы градусо-сутки отопительного периода (ГСОП). ГСОП - это показатель, равный произведению разности температуры внутреннего воздуха и средней температуры наружного воздуха за отопительный период на продолжительность отопительного периода. Все рассмотренные выше города находятся в диапазоне значений от 1432,2 до 9830,7.

При анализе результатов оптимизационного расчета в функции от ГСОП с позиций энергетической эффективности наивысший рейтинг получает утилизатор теплоты на хладагент е R134a (Рисунок 16). Можно видеть, что с повышением значения ГСОП показатели установок на R290, R1234yf и R410A возрастают на 27 %, 14 % и 10 % соответственно. Таким образом можно сделать вывод, что они наиболее эффективны при пониженных температурах наружного воздуха.

Энергетическая эффективность

1.00

0.90 0,80 0,70

о. 0.50

S g

eu 0.40

0,30

0,20

0,10

0.00

0,92 0.92 0,94 0,94 0,93 0,93

0,84 0,84 0,85 ............................ m .....У1.т*

0,79

0,68 0,72 •...................... 0,72 ........................... 0,73...... ...........• m ............ ..............................• 0.67

V.......

0,57 .... ......... Щ

0,50 0,53 ............................... 0.55

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Никитина Вероника Александровна, 2025 год

Литература

1. Brackney L. et al. Building energy modeling with OpenStudio. New York: Springer International Publishing, 2018.

2. International Energy Agency: official site. France. 2022. URL: https://www.iea.org/reports/heating (accessed date 20.04.2023).

3. Wmo G. et al. Proceedings of the World Climate Conference: a conference of experts on climate and mankind Geneva, 1223 Feb. 1979.

4. De MoelM. et al. Technological advances and applications of geothermal energy pile foundations and their feasibility in Australia // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010. vol. 14. no. 9. p. 2683-2696.

5. Rashad M. et al. The utilisation of useful ambient energy in residential dwellings to improve thermal comfort and reduce energy consumption // International Journal of Thermo-fluids. 2021. vol. 9. p. 100059.

6. IEA. Global heat pump sales continue double-digit growth, 2023. URL: https://www.iea.org/commentaries/global-heat-pump-sales-continue-double-digit-growth (accessed date 15.07.2023).

7. Famiglietti J. et al. A comparative environmental life cycle assessment between a condensing boiler and a gas driven absorption heat pump // Science of the Total Environment. 2021. vol. 762. p. 144392.

8. Famiglietti J. et al. Heat pumps for space heating and domestic hot water production in residential buildings, an environmental comparison in a present and future scenario // Energy Conversion and Management. 2023. vol. 276. p. 116527.

9. Sadeghi H., Ijaz A., Singh R. M. Current status of heat pumps in Norway and analysis of their performance and payback

References

1. Brackney L. et al. Building energy modeling with OpenStudio. New York: Springer International Publishing, 2018.

2. International Energy Agency: official site. France, 2022. URL: https://www.iea.org/reports/heating (accessed date 20.04.2023).

3. Wmo G. et al. Proceedings of the World Climate Conference: a conference of experts on climate and mankind Geneva, 1223 Feb 1979.

4. De Moel M. et al. Technological advances and applications of geothermal energy pile foundations and their feasibility in Australia. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010. vol. 14. no 9. p. 2683-2696.

5. Rashad M. et al. The utilisation of useful ambient energy in residential dwellings to improve thermal comfort and reduce energy consumption. International Journal of Thermo-fluids. 2021. vol. 9. p. 100059.

6. IEA. Global heat pump sales continue double-digit growth, 2023. URL: https://www.iea.org/commentaries/global-heat-pump-sales-continue-double-digit-growth (accessed date 15.07.2023).

7. Famiglietti J. et al. A comparative environmental life cycle assessment between a condensing boiler and a gas driven absorption heat pump. Science of the Total Environment. 2021. vol. 762. p. 144392.

8. Famiglietti J. et al. Heat pumps for space heating and domestic hot water production in residential buildings, an environmental comparison in a present and future scenario. Energy Conversion and Management. 2023. vol. 276. p. 116527.

9. Sadeghi H., Ijaz A., Singh R. M. Current status of heat pumps in Norway and analysis of their performance and payback time.

time // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. vol. 54. p. 102829.

10. Ryabova T. V. et al. Equivalent parameters of thermal comfort of the room // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2019. vol. 656. no 1. p. 012045.

11. Korpela T. et al. Waste heat recovery potential in residential apartment buildings in Finland's Kymenlaakso region by using mechanical exhaust air ventilation and heat pumps // International Journal of Thermofluids. 2022. vol. 13. p. 100127.

12. Sarvelainen H. et al. Energy efficiency optimization of actively used and underused buildings based on demand-controlled ventilation according to indoor climate // Nutzung Regenerativer Energiequellen und Wasserstofftechnik. 2019.

13. Tatarenko Iu. V., Mitropov V. V., Nikitin A. A. Mathematical model of compressor-condenser unit // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2020. vol. 826. no 1. p. 012005.

14. Thalfeldt M, Kurnitski J., Latosov E. Exhaust air heat pump connection schemes and balanced heat recovery ventilation effect on district heat energy use and return temperature // Applied Thermal Engineering. 2018. vol. 128. p. 402-414.

15. Yunna W., Ruhang X. Green building development in China-based on heat pump demonstration projects // Renewable energy. 2013. vol. 53. p. 211-219.

Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. vol. 54. p. 102829.

10. Ryabova T. V., et al. Equivalent parameters of thermal comfort of the room. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2019. vol. 656. no 1. p. 012045.

11. Korpela T. et al. Waste heat recovery potential in residential apartment buildings in Finland's Kymenlaakso region by using mechanical exhaust air ventilation and heat pumps. International Journal of Thermofluids. 2022. vol. 13. p. 100127.

12. Sarvelainen H. et al. Energy efficiency optimization of actively used and underused buildings based on demand-controlled ventilation according to indoor climate. Nutzung Regenerativer Energiequellen und Wasserstofftechnik. 2019.

13. Tatarenko Iu. V., Mitropov V. V., Nikitin A. A. Mathematical model of compressor-condenser unit. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2020. vol. 826. no 1. p. 012005.

14. Thalfeldt M., Kurnitski J., Latosov E. Exhaust air heat pump connection schemes and balanced heat recovery ventilation effect on district heat energy use and return temperature. Applied Thermal Engineering. 2018. vol. 128. p. 402-414.

15. Yunna W., Ruhang X. Green building development in China-based on heat pump demonstration projects. Renewable energy. 2013. vol. 53. p. 211-219.

Сведения об авторах

Никитина Вероника Александровна

Аспирант, ассистент образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Сулин Александр Борисович

Д. т. н., профессор образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Муравейников Сергей Сергеевич

К. т. н., доцент образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Никитин Андрей Алексеевич

К. т. н., доцент образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Макатов Кирилл

Аспирант, инженер образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

@0®

Information about authors

Nikitina Veronika A.

Postgraduate student of Educational Center «Energy Efficient Engineering Systems» of ITMO Universi , 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Sulin Aleksandr B.

D. Sc., professor of Educational Center

«Energy Efficient Engineering Systems» of ITMO Universi ,

191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9,

[e-mail]

Muraveinikov Sergey S.

Ph. D., associate professor of Educational Center «Energy Efficient Engineering Systems» of ITMO Universi , 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Nikitin Andrey A.

Ph. D., associate professor of Educational Center «Energy Efficient Engineering Systems» of ITMO Universi , 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Makatov Kirill

Postgraduate student of Educational Center «Energy Efficient Engineering Systems» of ITMO Universi , 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Статья доступна по лицензии

Creative Commons «Attribution-NonCommercial»

УДК 697.97-5

Энергомоделирование и экспериментальная верификация режимов работы теплового насоса при утилизации теплоты вытяжного воздуха. Часть 2. Энергетические, экономические и экологические

показатели

В. А. НИКИТИНА1, д-р техн. наук А. Б. СУЛИН, канд. техн. наук С. С. МУРАВЕЙНИКОВ, канд. техн. наук А. А. НИКИТИН, К. МАКАТОВ

Университет ИТМО 1 E-mail: [e-mail]

Рассмотрены сравнительные характеристики двух вариантов использования теплового насоса, интегрированного в систему вентиляции: с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха и с использованием наружного воздуха в качестве источника низкопотенциальной теплоты. Энергомоделирование режимов работы теплонасосной установки за отопительный период в климатических условиях Санкт-Петербурга выполнялось после верификации расчетной методики по результатам физического эксперимента. Результат моделирования выявил значительный потенциал использования предложенной системы в трех аспектах: энергетическом, экономическом и экологическом. Показатели энергоэффективности данной системы за отопительный период для условий Санкт-Петербурга при средней теплопроизводительности порядка 22 кВт составляют: COP повышается на 27,57%, сэкономленная электроэнергия приносит выгоду 2212,72 $, выбросы CO2 сокращаются на 15749,32 кг, окупаемость системы составляет 2-2,2 года.

Ключевые слова: энергомоделирование, теплота вытяжного воздуха, тепловой насос, энергоэффективность. Информация о статье:

Поступила в редакцию 28.08.2023, одобрена после рецензирования 15.09.2023, принята к печати 18.01.2024 DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-43-49 Язык статьи — русский Для цитирования:

Никитина В. А., Сулин А. Б., Муравейников С. С., Никитин А. А., Макатов К. Энергомоделирование и экспериментальная верификация режимов работы теплового насоса при утилизации теплоты вытяжного воздуха. Часть 2. Энергетические, экономические и экологические показатели // Вестник Международной академии холода. 2024. № 1. С. 43-49. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-43-49

Energy modeling and experimental validation of heat pump operating modes in exhaust air heat recovery. Part 2. Energy, economic and environmental indicators

V. A. NIKITINA1, D. Sc. A. B. SULIN, Ph. D. S. S. MURAVEINIKOV, Ph. D. A. A. NIKITIN, K. MAKATOV

ITMO University

'E-mail: [e-mail]

Comparative characteristics of two options for using a heat pump integrated into the ventilation system are considered: the one with heat recovery from exhaust air and another one with the use of outside air as a low-potential source. Energy modeling of the operating modes of the heat pump installation for the heating period in the climatic conditions of St. Petersburg was carried out after verification of the calculation method based on the results of a physical experiment. The simulation result revealed a significant potentialfor using the proposed system in three aspects: energy, economic, and environmental. The energy efficiency indicators of this system for the heating periodfor the conditions of St. Petersburg with an average heating capacity of about 22 kW are: COP is increased by 27.57%, the saved electricity brings a benefit of $ 2212.72, CO2 emissions are reduced by 15749.32 kg, the payback of the system is 2-2.2 years. Keywords: energy modeling, extract air heat, heat pump, energy efficien .

Article info:

Received 28/08/2023, approved after reviewing 15/09/2023, accepted 18/01/2024 DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-43-49 Article in Russian For citation:

Nikitina V. A., Sulin A. B., Muraveinikov S. S., Nikitin A. A., Makatov K. Energy modeling and experimental validation of heat pump operating modes in exhaust air heat recovery. Part 2. Energy, economic and environmental indicators. Journal of International Academy of Refrigeration. 2024. No 1. p. 43-49. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-43-49

Введение

В работе проводится энергетический, экономический и экологический расчет системы за отопительный период для климата Санкт-Петербурга. Для сокращения потребления энергии необходимо перераспределять нагрузки в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений и использовать вторичные ресурсы [1]-[3]. Потребление электроэнергии и выбросы углекислого газа могут быть значительно сокращены с применением энергоэффективных схем систем вентиляции и кондиционирования воздуха, оснащенных энергосберегающими технологиями, эффективность которых может быть обоснована путем моделирования динамических режимов работы систем [4, 5]. Интеграция возобновляемых источников имеет решающее значение для обезуглероживания и снижения выбросов в строительном секторе. Правительство Китая, например, предложило определенный технический стандарт для зданий с почти нулевым потреблением энергии, в которых выработка энергии возобновляемыми источниками будет равна или превышать потребление энергии [6].

Любые устройства необходимо сравнивать и анализировать в конкретных условиях эксплуатации [7]. В данной работе исследование проводится для климатических условий Санкт-Петербурга. Согласно онлайн ресурсу Администрации города [8] средняя температура воздуха в Санкт-Петербурге составляет 4,3 °С. Самым холодным месяцем считается февраль со средней температурой -7,9 °С. Как правило, отопительным периодом является диапазон с октября по апрель, т. е. отопительный период в Санкт-Петербурге занимает больше половины времени года (58,3 %). Таким образом, в Санкт-Петербурге целесообразно применение систем с задействованием такого ресурса низкопотенциальной теплоты как теплота вытяжного воздуха [9]. При этом эксплуатация агрегата может проводиться как в холодный, так и в теплый период года, поскольку режим работы может реверсироваться без установки дополнительного оборудования. Следует отметить, что данное техническое решение позволяет избежать изменения внешнего облика здания, что особенно важно при модернизации охраняемых объектов культурного наследия [10].

Выполненные исследования подтверждают, что взаимодействие между механической приточно-вытяжной вентиляцией и тепловым насосом с рекуперацией тепла позволяет обеспечить требуемое качество воздуха в помещении и достичь энергоэффективности в холодном климате [11, 12, 13].

Цель данного исследования заключается в оценке энергоэффективности системы вентиляции и кондицио-

нирования воздуха с интегрированным тепловым насосом для рекуперации теплоты вытяжного воздуха. В работе проводится энергетический, экономический и экологический анализ систем.

Результаты моделирования работы системы за отопительный период

Моделирование выполнялось для систем с рекуперацией и без рекуперации теплоты вытяжного воздуха за отопительный период с октября по апрель. Проведение моделирования за обозначенный период стало возможным благодаря верификации модели системы на основании измеренных данных, где среднее отклонение не превысило 5 %. Температура низкопотенциального источника в виде вытяжного воздуха была усреднена и установлена как 22 °C. Температура воздуха на улице менялась от -21,6 до 12,8 °C. Температура наружного воздуха для города Санкт-Петербург была взята из погодного файла, который является задокументированным метеорологическим наблюдением, сформированным в виде базы данных, которую предоставляет многолетний проект ASHRAE «International Weather for Energy Calculations» [14].

Результаты моделирования работы систем с рекуперацией и без рекуперации теплоты вытяжного воздуха за отопительный период представлены на рис. 1. Установлено, что система с рекуперацией эффективней на 27,57%, чем система без рекуперации. При этом средние значения COP за отопительный период составляют: с рекуперацией — 2,324; без рекуперации — 1,684.

На рис. 2 приведены результаты расчета производительности испарителя за отопительный период.

Установлено, что при применении рекуперации теплоты вытяжного воздуха, производительность испарителя возрастает на 28,40%.

При этом средние значения производительности испарителя за отопительный период составляют: с рекуперацией 13,614 кВт; без рекуперации 9,747 кВт.

В моделировании системы с рекуперацией и без рекуперации теплоты вытяжного воздуха производительность конденсатора была установлена одинаковой для того, чтобы сравнительное моделирование работы теплового насоса выполнялось при одинаковой тепловой нагрузке (рис. 3). Среднее значение производительности конденсатора за отопительный период составляет 24,470 кВт.

На графике, представленном на рис. 4, видно, что в системе с рекуперацией нагрузка на компрессор снижается на 26,27%.

Средние значения мощности компрессора: с рекуперацией 10,855 кВт; без рекуперации 14,723 кВт.

Дата;Время

Рис. 1. Сравнение значений COP за моделируемый период Fig. 1. Comparison of COP values for the simulated period

Рис. 2. Производительность испарителя Fig. 2. Evaporator capacity

Рис. 3. Производительность конденсатора Fig. 3. Condenser capacity

Рис. 4. Потребление электроэнергии компрессором Fig. 4. Compressor power consumption

Дата:Время

Рис. 5. График сокращения количества выбросов CO2 при использовании рекуперации Fig. 5. CO2 emission reductions using recuperation

Таким образом, за отопительный период энергопотребление компрессора снизилось на 16269,96 кВтч.

Снижение энергозатрат позволяет сократить как финансовые расходы, так и выбросы углекислого газа в окружающую среду.

Сэкономленные финансовые затраты за отопительный период составили 2212,72 $. Расчет проводился по формуле [15]:

СОБ^пе^у СеББ,

где Се — стоимость электроэнергии (0,136 $/кВт-ч); ББ — сэкономленная электроэнергия в размере 16269,96 кВтч.

Снижение выбросов углекислого газа за отопительный период составило 15749,32 кг (рис. 5). Формула расчета [15]:

Мсо2 = ^со2 ■

где цСо2 — удельное значение выброса CO2 на 1 кВтч 968 г/кВтч.

Для оценки срока окупаемости системы рекуперации теплоты вытяжного воздуха с тепловым насосом выполнен расчeт показателя Net Present Value (NPV):

NPV = -Cn+ Itot , 0 (1 - if

где C0 — стоимость компонентов системы; Itot — прибыль от применения системы; y — количество лет использования.

Капитальные затраты на доработку системы с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха складываются из следующих составляющих:

1. Два вентилятора прямоугольных канальных (SHUFT RFD 500 х 300-4 VIM (935,06 $)).

2. Воздуховод 30 метров (500x300 мм, £=1200 мм, оц. 0,5 ш20/ш20 (685,60 $)).

Рис. 6. График NPVв зависимости от стоимости, прибыли и количества лет эксплуатации системы

при определенной процентной ставке Fig. 6. NPV depending on the cost, profit and number of years of operation of the system at a certain interest rate

3. Медные трубки 10 метров (Ballu Olympic 15,88 x x0,75 x 15000 (5/8) (10,90 $)).

4. Щит управления приточно-вытяжной системой вентиляции с электрическим калорифером (ЩУВ 18-Э13-В115-ЭКО (506,54 $)).

Капитальные затраты на систему составляют 2138,1 $.

Рентабельность исследуемой системы определяется с использованием параметра чистой приведенной стоимости (NPV) [16]:

NpV = -С0+Х

1 + 1)у

где С0 у и i — капитальные затраты системы, срок службы системы и процентная ставка, соответственно; — прибыль от системы.

Расчетный минимальный срок окупаемости системы при процентной ставке 5 % составит 2 года, при ставке 15 % — 2,2 года (рис. 6). Процентная ставка определяется банком.

Заключение

Результаты исследования работы встроенного теплового насоса для рекуперации теплоты вытяжного воздуха за отопительный период выявили существенный потенциал, который выражается как в энергетическом, так и в финансовом и экологическом аспектах.

Предложенный вариант системы вентиляции с интегрированным тепловым насосом с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха является эффективным решением в сравнении с обычной системой без рекуперации теплоты. Показатели энергоэффективности данной системы за отопительный период для условий Санкт-Петербурга при средней теплопроизводительности порядка 22 кВт составляют:

— СОР повышается на 27,57%;

— сэкономленная электроэнергия приносит выгоду 2212,72 $;

— выбросы СО2 сокращаются на 15749,32 кг;

— окупаемость системы составляет 2-2,2 года.

I

Литература

1. Горшков А. С. Энергоэффективность в строительстве: вопросы нормирования и меры по снижению энергопотребления зданий // Инженерно-строительный журнал. 2010. №. 1. С. 9-13.

2. Vakiloroaya V. et al. A review of different strategies for HVAC energy saving // Energy conversion and management. 2014. vol. 77. p. 738-754.

3. Табакова А. С., Новикова О. В. Повышение эффективности теплопотребления здания при применении современных систем вентиляции // Неделя науки СПбПУ. 2015. С. 135-138.

4. Gaudiano P. Agent-based simulation as a tool for the built environment // Annals of the New York Academy of Sciences. 2013. vol. 1295. no 1. p. 26-33.

5. Herrmann C. et al. Energy oriented simulation of manufacturing systems — Concept and application // CIRP annals. 2011. vol. 60. no 1. p. 45-48.

References

1. Gorshkov A. S. Energy efficiency in construction: issues of regulation and measures to reduce the energy consumption of buildings. Magazine of Civil Engineering. 2010. No 1. P. 19-13. (in Russian)

2. Vakiloroaya V. et al. A review of different strategies for HVAC energy saving. Energy conversion and management. 2014. vol. 77. p. 738-754.

3. Tabakova A. S., Novikova O. V. Improving the efficiency of building heat consumption with the use of modern ventilation systems. Week of Science SPbPU. 2015. (in Russian)

4. Gaudiano P. Agent-based simulation as a tool for the built environment. Annals of the New York Academy of Sciences. 2013. vol. 1295. no 1. p. 26-33.

5. Herrmann C. et al. Energy oriented simulation of manufacturing systems — Concept and application. CIRP annals. 2011. vol. 60. no 1. p. 45-48.

6. Lin Y. et al. Towards zero-energy buildings in China: A systematic literature review // Journal of Cleaner Production. 2020. vol. 276. p. 123297.

7. Muraveinikov S. S. et al. Average annual efficiency evaluation in the design of life support systems // AIP Conference Proceedings. AIP Publishing LLC, 2019. vol. 2141. no 1. p. 030019.

8. Администрация Санкт-Петербурга: официальный сайт. Санкт-Петербург. [Электронный ресурс]: https://www.gov. spb.ru/helper/day/klimat/ (дата обращения 12.09.2022).

9. Никитин А. А., Муравейников С. С., Крылов В. А. Перспективы использования тепловых насосов в системах вентиляции // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2016. №. 4. С. 57-61.

10. Губина И. А., Горшков А. С. Энергосбережение в зданиях при утилизации тепла вытяжного воздуха // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. №. 4. С. 209-219.

11. Nikitina V. A., Nikitin A. A., Sulin A. B., Ryabova T. V., Makatov K. Analysis of the heat recovery potential in the classroom // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, Vol. 866, No. 1, pp. 012012.

12. Sulin A. B. et al. Energy performance analysis of the temperature control system of an object with a random principle of thermal perturbations // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. vol. 939. no 1. p. 012075.

13. Никитина В. А., Сулин А. Б., Муравейников С. С., Никитин А. А., Макатов К. Энергомоделирование и экспериментальная верификация режимов работы теплового насоса при утилизации теплоты вытяжного воздуха. Часть 1. Схемные решения и расчетная модель. // Вестник Международной академии холода. 2023. № 4. С. 3-10. DOI: 10.175 86/1606-4313-2023-22-4-3-10

14. ASHRAE «International Weather for Energy Calculations» — URL: https://www.ashrae.org/technical-resources/bookstore/ ashrae-international-weather-files-for-energy-calculations-2-0-iwec2 (дата обращения: 01.08.2023).

15. Deymi-DashtebayazM., Valipour-Namanlo S. Thermoeconomic and environmental feasibility of waste heat recovery of a data center using air source heat pump // Journal of Cleaner Production. 2019. vol. 219. p. 117-126.

16. Deymi-Dashtebayaz M. et al. A new multigenerational solar energy system integrated with near-zero energy building including energy storage — A dynamic energy, exergy, and economic-environmental analyses // Energy Conversion and Management. 2022. vol. 261. p. 115653.

Сведения об авторах

Никитина Вероника Александровна

Аспирант, ассистент образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Сулин Александр Борисович

Д. т. н., профессор образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

6. Lin Y. et al. Towards zero-energy buildings in China: A systematic literature review. Journal of Cleaner Production. 2020. vol. 276. p. 123297.

7. Muraveinikov S. S. et al. Average annual efficiency evaluation in the design of life support systems. AIP Conference Proceedings. AIP Publishing LLC, 2019. vol. 2141. no 1. p. 030019.

8. Administration of St. Petersburg: official website. Saint-Petersburg. [Electronic resource]: https://www.gov.spb.ru/help-er/day/klimat/ (accessed 12.09.2022). (in Russian)

9. Nikitin A. A., Muraveynikov S. S., Krylov V. A. Prospects of using heat pumps in ventilation systems. Scientific journal of the SRYITMO. The series «Refrigeration and air conditioning». 2016. No. 4. pp. 57-61. (in Russian)

10. Gubina I. A., Gorshkov A. S. Energy saving in buildings during heat recovery of exhaust air. Construction of unique buildings and structures. 2015. No. 4. pp. 209-219. (in Russian)

11. Nikitina V. A., Nikitin A. A., Sulin A. B., Ryabova T. V., Makatov K. Analysis of the heat recovery potential in the classroom. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, Vol. 866, No. 1, pp. 012012.

12. Sulin A. B. et al. Energy performance analysis of the temperature control system of an object with a random principle of thermal perturbations. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. vol. 939. no 1. p. 012075.

13. Nikitina V. A., Sulin A. B., Muraveinikov S. S., Nikitin A. A., Makatov K. Energy Modeling and Experimental Validation of Heat Pump Operating Modes in Exhaust Air Heat Recovery. Part 1. Design and analysis model. Journal of International Academy of Refrigeration. 2023. No 4. p. 3-10. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-4-3-10. (in Russian)

14. ASHRAE «International Weather for Energy Calculations» — URL: https://www.ashrae.org/technical-resources/bookstore/ ashrae-international-weather-files-for-energy-calcula-tions-2-0-iwec2 (accessed date 01.08.2023).

15. Deymi-Dashtebayaz M., Valipour-Namanlo S. Thermoeconomic and environmental feasibility of waste heat recovery of a data center using air source heat pump. Journal of Cleaner Production. 2019. vol. 219. p. 117-126.

16. Deymi-Dashtebayaz M. et al. A new multigenerational solar energy system integrated with near-zero energy building including energy storage — A dynamic energy, exergy, and economic-environmental analyses. Energy Conversion and Management. 2022. vol. 261. p. 115653.

Information about authors

Nikitina Veronika A.

Postgraduate student of Educational Center «Energy Efficien Engineering Systems» of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Sulin Aleksandr B.

D. Sc., Professor of Educational Center «Energy Efficien Engineering Systems» of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Муравейников Сергей Сергеевич

К. т. н., доцент образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Никитин Андрей Алексеевич

К. т. н., доцент образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Макатов Кирилл

Аспирант, инженер образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

@0®

Muraveinikov Sergey S.

Ph. D., Associate professor of Educational Center «Energy Efficient Engineering Systems» of ITMO Universi , 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Nikitin Andrey A.

Ph. D., Associate professor of Educational Center «Energy Efficient Engineering Systems» of ITMO Universi , 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Makatov Kirill

Postgraduate student of Educational Center «Energy Efficient Engineering Systems» of ITMO Universi , 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Статья доступна по лицензии

Creative Commons «Attribution-NonCommercial»

Требования к рукописям, представляемым в журнал «Вестник МАХ»

• В начале статьи, слева - УДК;

• После названия статьи - авторы с указанием места работы и контактной информации (e-mail);

• Аннотация должна быть полноценной и информативной, не содержать общих слов, отражать содержание статьи и результаты исследований, строго следовать структуре статьи. Рекомендуемый объем 150-200 слов на русском и английском языках. Ключевые слова - 5-7.

• Статья должна быть структурирована:

Во введении необходимо представить содержательную постановку рассматриваемого вопроса, провести краткий анализ известных из научной литературы решений (со ссылками на источники), дать критику их недостатков, показать научную новизну и преимущество (особенности) предлагаемого подхода.

В основном тексте статьи должна быть представлена строгая постановка решаемой задачи, изложены и обстоятельно разъяснены (доказаны) полученные утверждения и выводы, приведены результаты экспериментальных исследований или математического моделирования, иллюстрирующие сделанные утверждения. Основной текст статьи должен быть разбит на содержательные разделы.

• В заключении (Выводы) необходимо кратко сформулировать основные результаты, прокомментировать их и, если возможно, указать направления дальнейших исследований и области применения.

• статьи представляются набранными на компьютере в текстовом редакторе Word на одной стороне листа через 1,5 интервала, размер шрифта 14.

• объем статьи 15-20 страниц (формат А4, вертикальный, 210x297 мм), включая аннотацию, рисунки, литературу; поля: левое - 2 см, правое - 2 см, верхнее - 2 см, нижнее - 2 см;

• формулы и отдельные символы набираются с использованием редактора формул MathType (Microsoft Equation), не вставлять формулы из пакетов MathCad и MathLab.

• Список литературных источников должен быть оформлен по ГОСТу и содержать ссылки только на опубликованные работы. Количество пристатейных ссылок не менее 15-20.

Данные об аффилировании авторов (author affiliation).

На отдельной странице предоставляются сведения об авторах на русском и английском языках: фамилия, имя, отчество полностью, ученая степень, должности основного места работы (учебы); наименование и почтовые адреса учреждений, в которых работают авторы, е-mail, ORCID; Scopus ID; РИНЦ ID

Статьи принимаются на магнитном носителе и в печатном экземпляре или высылаются на электронный адрес редакции [e-mail]

Плата за публикации не взимается Дополнительная информация для авторов на сайте http://vestnikmax.com

УДК 697.9

Повышение энергоэффективности систем кондиционирования с учетом фактора реальных теплоощущений

А. П. АЛЕКСАНДРОВ1, В. В. БЕЛЯЕВ2, канд. техн. наук А. А. НИКИТИН3, В. А. НИКИТИНА4

'[e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail]

Университет ИТМО

По результатам анализа баз данных опросов обитателей жилых помещений в различных климатических регионах установлено, что теплоощущения в помещениях разных классов комфортности отличаются незначительно вследствие адаптационных механизмов организма. Определены диапазоны температуры воздуха помещений разных классов комфортности для характерных показателей метаболизма и теплоизоляции одежды. Выполнен расчет снижения энергопотребления при изменении уставок системы терморегулирования от высокого класса комфортности к более низкому для условий различных климатических зон. Установлено, что при переходе с класса А на класс С достигается наибольшая экономия энергии без ущерба тепловому комфорту людей в помещении. В холодном климате наибольшая экономия энергии происходит за счет экономии на нагреве внутреннего воздуха помещения. В жарком климате наибольшая экономия энергии происходит за счет экономии на охлаждении внутреннего воздуха помещения. Ключевые слова: системы кондиционирования, энергоэффективность, классы помещений, индексы теплового комфорта, климатические зоны.

Информация о статье:

Поступила в редакцию 13.04.2024, одобрена после рецензирования 26.04.2024, принята к печати 07.05.2024 DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-2-36-42 Язык статьи — русский

Для цитирования:

Александров А. П., Беляев В. В., Никитин А. А., Никитина В. А. Повышение энергоэффективности систем кондиционирования с учетом фактора реальных теплоощущений // Вестник Международной академии холода. 2024. № 2. С. 36-42. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-2-36-42.

Increasing the energy efficiency of a conditioning systems taking into account the factor of real warmth index

A. P. ALEXANDROV1, V. V. BELYAEV2, Ph. D. A. A. NIKITIN3, V. A. NIKITINA4

[e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail]

ITMO University

Based on the analysis of the surveys among the inhabitants ofresidential premises in various climatic regions, it was established that the warmth index in rooms of various comfort classes varies slightly due to the adaptive mechanisms of the body. Ranges of air temperature in the rooms of various comfort classesfor characteristic indicators of metabolism and thermal insulation of clothing have been determined. A calculation has been made to reduce energy consumption when changing the settings of the thermal control system from a high comfort class to a lower one for the conditions of different climatic zones. It has been established that when moving from class A to class C, the greatest energy savings are achieved without compromising the thermal comfort ofpeople in the room. In cold climates, maximum energy saving comes from cost-effectiveness of heating an indoor air. In hot climates, maximum energy saving comes from cost-effectiveness of indoor air cooling.

Keywords: air conditioning system, energy efficien , classes of building spaces, thermal comfort index, climatic zones. Article info:

Received 13/04/2024, approved after reviewing 26/04/2024, accepted 07/05/2024 DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-2-36-42 Article in Russian For citation:

Alexandrov A. P., Belyaev V V., Nikitin A. A., Nikitina V. A. Increasing the energy efficiency of air conditioning systems taking into account the factor of real warmth index. Journal of International Academy of Refrigeration. 2024. No 2. p. 36-42. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-2-36-42

Введение

Тепловой комфорт является, вероятно, самым важным и легко определяемым параметром качества внутренней среды. Для того чтобы люди могли работать в полную силу, их рабочее пространство должно быть термически комфортным. Однако тепловой комфорт основан на тепловой адаптации отдельного обитателя, которая коррелирует с такими факторами, как географическое положение и климат, время года, пол, раса и возраст [1]. Тепловой комфорт напрямую влияет на энергопотребление любого здания, поскольку любое ощущение дискомфорта обитателями приводит к настройке регуляторов микроклимата на неоптимальные уровни [2, 3]. Расположение и типология здания, а также климат и сезон на улице также влияют на тепловой комфорт [4]-[6]. Восприятие комфорта варьируется от одного обитателя к другому и также зависит от культурных особенностей [7]. Окончательная тепловая адаптация обитателей к окружающей среде и их восприятие комфорта определяются тремя факторами: поведенческой адаптацией, физиологической адаптацией и психологической привычкой или ожиданием как описано в [8]. Существуют довольно устоявшиеся методы измерения теплового комфорта.

Такие показатели, как прогнозируемый средний голос (PMV) и прогнозируемый процент недовольных (PPD), довольно распространены и широко используются проектировщиками во всем мире [9]. Модель PMV широко используется в зданиях с системами ОВКВ в холодном и теплом климате как летом, так и зимой. Однако она также может применяться в зданиях без кондиционеров в теплом климате с использованием коэффициента ожидания [10]. Физическая адаптация к окружающей среде и проектирование зданий для тепловой комфортности должны рассматриваться на стадии проектирования, так как изменение конструкции после строительства является неэффективным и дорогостоящим [11].

В работе [12] приведены результаты моделирования экономии энергопотребления при изменении уставки регулятора охлаждения с 24 °С на 25, 26 и 28 °С, при фиксированной уставке регулятора отопления 21,5 °С.

Аналогично приведены результаты моделирования при изменении уставки регулятора отопления с 21,5 °С на 20,5 °С, 19,5 °С 18,5 °С и 17,5 °С при фиксированной уставке регулятора охлаждения 24 °С (рис. 1). Установлено, что увеличение температурного диапазона снижает энергопотребление за счет уменьшения нагрузки на охлаждение и отопления за счет двух причин. Во-первых,

¡fitpiisirt ("С)

is г я Я 3 ж 3 sa

-1- -i— -1- --

/

4 /

;

(

• - 'Щ f

■A U>i ! A- -«

"if <

\ У

S КГ SS BS Tt 71 П 50 БЗ -36

Setport (T)

' , F в let да -С- Щп^дИ —♦— Е int I |т I.UiiI

Рис. 1 Расчетная экономия энергии при расширении диапазона регулирования температуры Fig 1. Estimated energy savings when extending temperature control range

вследствие уменьшения времени режимов отопления и охлаждения, а во-вторых, вследствие уменьшения перепада внутренней и наружной температуры. Установлено, что экономия составляет около 10 % на каждый градус Цельсия увеличения или уменьшения заданного значения.

В работе [13] с помощью параметрического моделирования демонстрируется величина экономии энергии при повышении уставки регулятора охлаждения и понижения уставки регулятора отопления в нескольких климатических зонах.

Основанием для выполнения исследований, описанных в данной статье, являются материалы публикации [14]. В этой работе выполнен анализ трех баз данных по удовлетворенности людей в зданиях для изучения приемлемости трех классов температурных диапазонов, используемых в настоящее время в ISO и европейских стандартах и предлагаемых для стандарта ASHRAE. Эти классы обозначаются как А, В и С, или категории I, II и III, характеристики которых идентичны. Анализ результатов полевых исследований, приведенных на рис. 2-4, показывает, что показатели удовлетворенности тепловым комфортом для различных классов помещений отличаются незначительно. С учетом того, что энергопотребление систем кондиционирования, обеспечивающих требования по классам А, В и С существенно снижается с понижением класса, в данном исследовании поставлена задача определения экономии энергии при переходе от класса А к классам В и С.

Office Rating PMV Range Townsville Summer Wet Season Townsville Summer Dry Season Kalgoorlie-Boulder Summer Season Kalgoorlie-Boulder Winter Season Montreal Summer Season Montreal Winter Season

Class A ±0.2 74.4% accept (n=160) 84.2% accept (n=203) 88.9% accept (n=163) 86.7% accept (n= 166) 81.2% accept (n=129) 86.3% accept (n=102)

Class B ±0.5 77.5% accept (n=346) 81.0% accept (n=394) 87.8% accept (n=320) 84.5% accept (n=373) 84.2% accept (n=272) 86.0% accept (n=250)

Class C ±0.7 77.2% accept (n=425) 79.2% accept (n=476) 88.3% accept (n=393) 84.3% accept (n=452) 84.4% accept (n=333) 86.0% accept (n=321)

Рис. 2. Показатели удовлетворенности тепловым комфортом [14] Fig 2. Indicators of satisfaction with thermal comfort [14]

PMV Range N % voting in central 3 categories of ASHRAE scale (±std error) % comfortable overall comfort >4

-0.2<PMV<0.2 966 87.2±1.1 80.0±1.3

-0.5<PMV<0.5 2210 87.9±0.7 78.6±0.9

-0.7<PMV<0.7 2902 87.3±0.6 78.2±0.7

PMV Range Sample Size (inclusive) Thermal Acceptability (±std error) Want warmer No change Want cooler

±0.2 721 89.0%±1.2% 9.9% 62.9% 27.2%

±0.5 1427 87.3%±0.9% 10.4% 61.7% 28.5%

±0.7 1686 86.2%±0.8% 10.7% 59.3% 29.9%

Рис. 3. Показатели удовлетворенности тепловым комфортом [14] Fig 3. Indicators of satisfaction with thermal comfort [14]

Рис. 4. Показатели удовлетворенности тепловым комфортом [14] Fig 4. Indicators of satisfaction with thermal comfort [14]

Рис. 5. Инструмент «CBE Thermal Comfort Tool» [15] Fig 5. «CBE Thermal Comfort Tool» software [15]

Определение температурных границ классов комфортности

Границы классов комфортности определяются исходя из следующих значений PMV:

— для класса А от -0,2 до 0,2;

— для класса B от -0,5 до 0,5;

— для класса C от -0,7 до 0,7.

Расчеты температурных диапазонов для этих классов комфортности выполнены с использованием калькулятора комфорта «CBE Thermal Comfort Tool» [15]. Пример интерфейса данной программ приведен на рис. 5.

В качестве исходных данных были приняты: скорость воздуха 0,1 м/с и относительная влажность воздуха 50 %, скорость метаболизма: 1; 1,1; 1,2 met.

Расчет производился для холодного климата для города Анкоридж, для умеренного для города Денвер и для жаркого климата для города Сан-Франциско. Наиболее соответствующие по климатическим показателям города РФ установлены с помощью инструмента «Weather Spark» [16], ими являются г. Петрозаводск, г. Волгоград и г. Сочи, соответственно.

Результаты расчетов сведены в табл. 1-3.

Определение экономии энергии при переходе на класс ниже

Для определения экономии на нагрев и охлаждение воздуха использовался инструмент «CBE Setpoint Savings Calculator» [17], на рис. 6 представлен пример интерфейса программы.

Результаты расчетов сведены в табл. 4, 5 — для холодного климата; табл. 6, 7 — для умеренного климата; табл. 8, 9 — для жаркого климата. Графическое представление данной информации показано на рис. 7-12. Для жаркого климата для города Сан-Франциско (Сочи) — табл. 4, рис. 7, табл. 5, рис. 8, соответственно.

Для умеренного климата для города Денвер (Волгоград) — табл. 6, рис. 9, табл. 7, рис. 10, соответственно.

Для холодного климата для города Анкоридж (Петрозаводск) — табл. 8, рис. 11, табл. 9, рис. 12, соответственно.

Заключение

По результатам анализа баз данных опросов обитателей жилых помещений в различных климатических регионах установлено, что теплоощущения в помещени-

Таблица 1 Температурные диапазоны классов в жарком климате

Table 1

Temperature ranges of classes in hot climates

Таблица 2 Температурные диапазоны классов в умеренном климате

Table 2

Temperature ranges of classes in moderate climates

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

Класс А

0,6 24,92-26,10 24,45-25,70 23,95-25,29

0,8 23,74-25,03 23,15-24,58 22,55-24,10

1,0 22,55-24,00 21,88-23,50 21,20-22,94

Класс В

0,6 24,07-26,95 23,50-26,63 22,92-26,29

0,8 22,73-26,01 22,07-25,64 21,38-25,25

1,0 21,44-25,11 20,67-24,67 19,87-24,23

Класс С

0,6 23,48-27,51 22,87-27,25 22,23-26,96

0,8 22,07-26,66 21,34-26,35 20,59-26,01

1,0 20,68-25,82 19,85-25,47 18,98-25,09

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

Класс А

0,8 23,74-25,03 23,15-24,58 22,55-24,10

1,0 22,55-24,00 21,88-23,50 21,20-22,94

1,2 21,38-22,99 20,63-22,40 19,85-21,79

Класс В

0,8 22,73-26,01 22,07-25,64 21,38-25,25

1,0 21,44-25,11 20,68-24,67 19,87-24,23

1,2 20,14-24,20 19,27-23,73 18,39-23,23

Класс С

0,8 22,07-26,66 21,34-26,35 20,59-26,01

1,0 20,68-25,82 19,85-25,47 18,98-25,09

1,2 19,31-25,00 18,36-24,60 17,39-24,18

Таблица 3 Таблица 4

Температурные диапазоны классов Экономия энергии

в холодном климате при переходе с класса А на класс В, %

Table 3 Table 4

Temperature ranges of classes in cold climate Energy savings when moving from class A to class B, %

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

Класс А

1,0 22,55-24,00 21,88-23,50 21,20-22,94

1,2 21,38-22,99 20,63-22,40 19,85-21,79

1,4 20,24-22,00 19,40-21,35 18,54-20,67

Класс В

1,0 21,44-25,11 20,68-24,67 19,87-24,23

1,2 20,14-24,20 19,27-23,73 18,39-23,23

1,4 18,88-23,33 17,91-22,80 16,91-22,25

Класс С

1,0 20,68-25,82 19,85-25,47 18,98-25,09

1,2 19,31-25,00 18,36-24,60 17,39-24,18

1,4 17,97-24,20 16,91-23,76 15,82-23,30

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

0,6 8,1 8,8 10,6

0,8 10,1 11,8 12,5

1,0 12,0 15,8 21,7

Таблица 5

Экономия энергии при переходе с класса А на класс С, %

Table 5

Energy savings when moving from class A to class C, %

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

0,6 13,6 15,0 16,3

0,8 16,5 18,1 22,8

1,0 22,0 28,1 34,1

CBE Setpoint Savings Calculator

Рис. 6. Инструмент «CBE Setpoint Savings Calculator» Fig 6. «CBE Setpoint Savings Calculator» software

Таблица 6 Таблица 7

Экономия энергии Экономия энергии

при переходе с класса А на класс В, % при переходе с класса А на класс С, %

Table 6 Table 7

Energy savings when moving from class A to class B, % Energy savings when moving from class A to class C, %

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

0,8 8,4 9,9 10,4

1,0 10,0 13,4 18,7

1,2 16,8 17,6 13,0

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

0,8 13,7 15,2 19,3

1,0 18,7 24,2 29,8

1,2 27,2 28,7 23,1

Таблица 8 Таблица 9

Экономия энергии Экономия энергии

при переходе с класса А на класс В, % при переходе с класса А на класс С, %

Table 8 Table 9

Energy savings when moving from class A to class B, % Energy savings when moving from class A to class C, %

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

1,0 8,6 11,3 15,3

1,2 13,7 13,5 9,9

1,4 10,6 7,1 2,8

Теплоизоляция одежды, clo Скорость метаболизма, met

1,0 1,1 1,2

1,0 16,0 20,9 25,3

1,2 23,0 23,3 18,3

1,4 19,9 13,5 6,6

Рис. 7. Экономия энергии при переходе с класса А на класс В, % Fig 7. Energy savings when moving from class A to class B, %

Рис. 8. Экономия энергии при переходе с класса А на класс С, % Fig 8. Energy savings when moving from class A to class C, %

Рис. 9. Экономия энергии при переходе с класса А на класс В, % Fig 9. Energy savings when moving from class A to class B, %

Рис. 10. Экономия энергии при переходе с класса А на класс С, % Fig 10. Energy savings when moving from class A to class C, %

Рис. 11. Экономия энергии при переходе с класса А на класс В, % Fig 11. Energy savings when moving from class A to class B, %

Рис. 12. Экономия энергии при переходе с класса А на класс С, % Fig 12. Energy savings when moving from class A to class C, %

ях разных классов комфортности отличаются незначительно вследствие адаптационных механизмов организма. При переходе с класса А на класс С достигается наибольшая экономия энергии без ущерба тепловому комфорту людей в помещении. В холодном климате наибольшая экономия энергии происходит за счет экономии на нагреве внутреннего воздуха помещения. В жарком климате наибольшая экономия энергии происходит за счет экономии на охлаждении внутреннего воздуха помещения.

Наибольшая экономия энергии на нагрев помещений составляет в среднем 17 % для условий холодного климата при переходе с класса комфортности А на класс С. Наибольшая экономия энергии на охлаждение помещений составляет в среднем 12 % для условий жаркого климата при переходе с класса комфортности А на класс С.

Литература/References

1. Quang T. N. et al. Co-optimisation of indoor environmental quality and energy consumption within urban office buildings. Energy and Buildings. 2014. vol. 85. p. 225-234.

2. Catalina T., Iordache V. IEQ assessment on schools in the design stage. Build. Environ. 2012. Vol. 49, p. 129-140.

3. Corgnati S. P., Ansaldi R., Filippi M. Thermal comfort in italian classrooms under free running conditions during mid seasons: assess- ment through objective and subjective approaches. Build. Environ. 2009. Vol. 44 (4), p. 785-792.

4. Nicol J. F., Humphreys M. A. Adaptive thermal comfort and sustainable thermal standards for buildings. Energy Build. 2002. Vol. 34 (6), p. 563-572.

5. Frontczak M., Wargocki P. Literature survey on how different factors infl ence human comfort in indoor environments. Build. Environ. 2011. 46 (4), p. 922-937.

6. Сулин А. Б., Муравейников С. С., Никитин А. А. Расширение диапазона уставки температуры систем кондиционирования с учетом фактора реальных теплоощущений. // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. Материалы XXI Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика РААСН

B. H. EorocjioBCK-Bojirorpag, 2023. C. 81-87. [Sulin A. B., Muraveynikov S. S., Nikitin A. A. Expansion of the temperature setting range of air conditioning systems, taking into account the factor of real heat sensations. The quality of the indoor air and the environment. Materials of the XXI International Scientific Conference dedicated to the 100th anniversary of the birth of Academician of the Russian Academy of Sciences V. N. Bogoslovsk-Volgograd, 2023. pp. 81-87. (in Russian)]

7. Lovins A. Air-Conditioning Comfort: Behavioral and Cultural Issues. 1992.

8. Nikolopoulou M., Steemers K. Thermal comfort and psychological adaptation as a guide for designing urban spaces. Energy Build. 2003. Vol. 35 (1), p. 95-101.

9. Papadopoulos A., Oxizidis S., Papandritsas G. Energy, economic and environmental performance of heating systems in Greek buildings. Energy Build. 2008. Vol. 40 (3), p. 224-230.