Энергосбережение в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха

А.М. ПРОТАСЕВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

В СИСТЕМАХ 

ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ, 

ВЕНТИЛЯЦИИ 

И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ 

ВОЗДУХА

Допущено 

Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для студентов

учреждений высшего образования по специальности 

«Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана 

воздушного бассейна»

2021

 
Минск 
Москва

 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»

УДК 697:620.97(075.8)
ББК 38.762я73
 
П83

Протасевич, А.М.

Энергосбережение в системах теплогазоснабжения, вентиля
ции и кондиционирования воздуха : учебное пособие / А.М. Протасевич. — Минск : Новое знание ; Москва : ИНФРА-М, 2021. — 
286 с. : ил. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-005515-2 (ИНФРА-М, print).
ISBN 978-5-16-102583-3 (ИНФРА-М, online).

Рассмотрены вопросы рационального использования тепловой 

энергии в системах теплоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха промышленных и гражданских зданий. 
Представлены современные инженерные решения по утилизации 
теплоты вторичных энергетических ресурсов, конструкции, принципиальные схемы и термодинамические особенности использования утилизационного оборудования и теплонасосных установок. 
Приведены примеры из опыта отечественной и мировой практики. 
Отдельные главы посвящены использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии в системах ОВК, а также особенностям систем ОВК энергоэффективных и высотных зданий.

Для студентов высших учебных заведений. Может быть полезно 

инженерно-техническим работникам.

УДК 697:620.97(075.8)

ББК 38.762я73

П83

©  Протасевич А.М., 2012
©  ООО «Новое знание», 2012

ISBN 978-5-16-005515-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102583-3 (ИНФРА-М, online)

Рецензенты:

кафедра теплоснабжения и вентиляции Полоцкого государственного 
университета;
декан факультета электрификации Белорусского государственного аграрного технического университета, кандидат технических наук, доцент 
К.Э. Гаркуша

Оглавление

Предисловие ...................................................................................................... 5

Список основных сокращений ....................................................................... 7

1. Использование теплоты в системах теплогазоснабжения, вентиляции
и кондиционирования воздуха .......................................................................... 8
1.1. Источники и запасы энергии. Основы энергосберегающей
политики ................................................................................................ 8
1.2. Виды, классификация и источники вторичных энергоресурсов .... 10
1.3. Определение выхода вторичных энергоресурсов ............................. 15
1.4. Использование вторичных энергоресурсов производственных
процессов ............................................................................................. 21

2. Термодинамические основы использования энергии
в низкотемпературных процессах и установках ......................................... 31
2.1. Основные положения эксергетического анализа процессов
нагрева .................................................................................................. 31
2.2. Пути повышения эффективности использования теплоты
в системах инженерного обеспечения микроклимата зданий ....... 35

3. Термодинамические особенности использования теплообменного
оборудования для утилизации низкои среднетемпературных ВЭР ......... 40
3.1. Классификация теплообменного оборудования для утилизации
теплоты ................................................................................................. 40
3.2. Рекуперативные пластинчатые и трубчатые теплообменники —
утилизаторы теплоты .......................................................................... 42
3.3. Теплоутилизационные установки с проточным промежуточным
теплоносителем ................................................................................... 50
3.4. Теплообменники — утилизаторы теплоты на тепловых трубах ..... 54
3.5. Регенеративные теплообменники — утилизаторы теплоты ............ 67
3.6. Теплообменники — утилизаторы теплоты смесительного типа ..... 77
3.7. Обеспечение работоспособности теплообменников —
утилизаторов теплоты при отрицательных температурах
наружного воздуха ............................................................................... 81
3.8. Основные принципы теплового расчета теплообменников —
утилизаторов теплоты ......................................................................... 86

4. Использование теплонасосных установок для теплоснабжения систем
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха ............................ 103
4.1. Идеальный цикл теплового насоса .................................................. 103
4.2. Парокомпрессионные тепловые насосы ......................................... 106
4.3. Воздушнокомпрессионные тепловые насосы ............................... 112
4.4. Абсорбционные тепловые насосы .................................................... 115
4.5. Термоэлектрические тепловые насосы ............................................ 117
4.6. Условия целесообразности использования теплонасосных
установок ............................................................................................ 120
4.7. Организация отбора низкопотенциальной теплоты грунта .......... 127

4.8. Примеры использования теплонасосных установок в системах
отопления, вентиляции и кондиционирования ............................. 131
4.9. Основные принципы подбора оборудования для ТНУ и ТНС .... 137

5. Аккумулирование теплоты и холода в системах теплоснабжения,
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха ................................. 141
5.1. Классификация и назначение тепловых аккумуляторов ............... 141
5.2. Водяные аккумуляторы явной теплоты ........................................... 144
5.3. Грунтовые теплоаккумуляторы ........................................................ 148
5.4. Аккумулирование теплоты в водоносных слоях ............................ 149
5.5. Аккумуляторы теплоты фазовых переходов ..................................... 151
5.6. Химические тепловые аккумуляторы .............................................. 158

6. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии в системах
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха ............................ 159
6.1. Возобновляемые источники энергии .............................................. 159
6.2. Использование солнечной энергии в теплоснабжении ................. 161
6.3. Биотопливо и перспективы его применения в теплоснабжении ... 183
6.4. Использование энергии ветра .......................................................... 191

7. Лучистое отопление производственных и общественных зданий ............ 199
7.1. Классификация инфракрасных излучателей .................................. 199
7.2. Системы отопления с инфракрасными излучателями ................... 202

8. Энергоэффективные здания ...................................................................... 208
8.1. Общие положения ............................................................................. 208
8.2. Ограждающие конструкции энергоэффективных зданий ............. 212
8.3. Энергоснабжение энергоэффективных зданий .............................. 233
8.4. Системы отопления энергоэффективных зданий .......................... 244
8.5. Вентиляция и кондиционирование воздуха энергоэффективных
зданий ................................................................................................. 250

9. Энергосберегающие мероприятия в инженерных системах
высотных зданий ........................................................................................ 258
9.1. Конструктивные особенности высотных зданий ........................... 258
9.2. Особенности энергосбережения в высотных зданиях ................... 261
9.3. Ограждающие конструкции высотных зданий ............................... 263
9.4. Энергосбережение в системах теплоснабжения ............................. 268
9.5. Энергосбережение в системах вентиляции
и кондиционирования воздуха ......................................................... 272
9.6. Энергосбережение в системах отопления ....................................... 274
9.7. Автоматизация инженерных систем высотных зданий ................. 275

10. Утилизация теплоты, генерируемой системой освещения зданий ......... 277
10.1. Тепловыделение от искусственного освещения ......................... 277
10.2. Использование светильников — утилизаторов теплоты ........... 279

Заключение .................................................................................................... 283

Список использованных источников ......................................................... 284

4
Оглавление

Предисловие

Уже более 30 лет использование энергии находится в центре
внимания мирового сообщества. Вызвано это в первую очередь наступившим в 70е годы прошлого столетия и продолжающимся
в настоящее время энергетическим кризисом, а также экологическим влиянием энергетики на природную среду. Решение энергетической проблемы во всех странах мира приравнивается к обеспечению безопасности и решается на основании долгосрочных программ по развитию энергетики и энергосбережению. Так, в Европе
с 2008 г. разрабатывается пакет стандартов по энергопотреблению
и микроклимату зданий (Directive on the Energy Performance of Building — EPBD). Снижение энергопотребления и увеличение доли
энергии, получаемой от возобновляемых источников, является
основной целью создания указанных документов. На данном этапе
развития энергосбережение — не просто бережное расходование
ресурсов, но и техническая политика, определяющая развитие способов получения, распределения и использования энергии. Оно
затрагивает все отрасли хозяйства стран, в том числе строительство,
коммунальнобытовой сектор, промышленность. А это отрасли,
в которых задействованы специалисты по теплогазоснабжению и вентиляции. От рационального использования первичных и вторичных
энергоресурсов при проектировании, монтаже и эксплуатации систем теплоснабжения, газоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха во многом зависит выполнение государственных
программ энергосбережения.
Важным фактором энергосбережения является разработка новых технологий и модернизация оборудования. На данный момент
практически любая задача по энергосбережению разрешима инженерными средствами, но для этого необходимо знание теоретических основ и приемов использования теплоутилизационного оборудования, применяемого в инженерных системах зданий.
Известно, что существует прямая коррекция между плотностью
населения городов и затратами на энергосбережение, которая стимулирует строительство зданий повышенной этажности, высотных
зданий. При этом особое внимание уделяется разработке концепции «энергоэффективного дома» с обеспечением повышенной
комфортности в помещениях и экономией энергоресурсов. А это
требует новых неординарных решений теплозащиты зданий и систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

В данном учебном пособии представлены современные инженерные решения по утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов с целью повышения энергоэффективности систем
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха на базе
использования теплообменниковутилизаторов и теплонасосных
установок. Рассмотрены конструкции, принципиальные схемы
и термодинамические особенности использования утилизационного оборудования и теплонасосных установок. Приведены примеры из опыта отечественной и мировой практики. Отдельные
главы посвящены использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также особенностям систем отопления,
вентиляции и кондиционирования воздуха энергоэффективных и высотных зданий. Рассматриваются перспективы энергоснабжения
систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с использованием когенерационных и тригенерационных установок,
конденсационных котлов, топливных элементов.
Пособие предназначено для студентов вузов дневной и заочной
форм обучения по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция» при изучении дисциплин «Энергосберегающие, перспективные и нетрадиционные системы теплоснабжения и вентиляции»,
«Отопление», «Вентиляция» и «Кондиционирование воздуха». Оно
может быть полезно и инженернотехническим работникам.

6
Предисловие

Список основных сокращений

АФП
— аккумулятор (теплоты) фазового перехода
БВ
— беззольное вещество
ВПТ
— высокопотенциальная теплота
ВРТ
— вращающийся регенеративный теплообменник
ВЭР
— вторичные энергоресурсы
ВЭУ
— ветроэнергетическая установка
ГВС
— горячее водоснабжение
ГИИ
— газовый инфракрасный излучатель
ГПУ
— газопоршневая установка
ГРП
— газорегуляторный пункт
ГРС
— газораспределительная станция
ГРУ
— газорегуляторная установка
ГТУ
— газотурбинная установка
ДВС
— двигатель внутреннего сгорания
ДИЭ
— дополнительный источник энергии
ИТП
— индивидуальный тепловой пункт
КПД
— коэффициент полезного действия
КТАН — контактный теплообменник с активной насадкой
КЭС
— конденсационная электростанция
НПТ
— низкопотенциальная теплота
ОВК
— отопление, вентиляция, кондиционирование (воздуха)
ПВХ
— поливинилхлорид
ТАМ
— теплоаккумулирующий материал
ТН
— тепловой насос
ТНС
— теплонасосная станция
ТНУ
— теплонасосная установка
ТТТ
— теплообменник на тепловых трубах
ТЭН
— теплоэлектронагреватель
ТЭЦ
— тепловая электроцентраль
УТ
— утилизатор теплоты
ЦТП
— центральный тепловой пункт
ЧЕП
— число единиц переноса (теплоты)
ЭДС
— электродвижущая сила
ЭИИ
— электрический инфракрасный излучатель

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ
В СИСТЕМАХ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ,
ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ВОЗДУХА

Источники и запасы энергии.
Основы энергосберегающей политики

Все отрасли народного хозяйства потребляют тепловую и электрическую энергию, причем оба вида получаются в основном с использованием топлива. Потребление топлива постоянно возрастает
в связи с развитием строительства, транспорта, промышленности,
механизацией сельского хозяйства. В промышленности топливо
используется не только для получения энергии, но и как сырье.
Поэтому добыча угля, нефти и газа в мире продолжает увеличиваться.
Используемые источники энергии принято подразделять на возобновляемые и невозобновляемые. Солнечная энергия, энергия ветра,
гидроэнергия, энергия приливов, геотермальная энергия и некоторые
другие называются возобновляемыми потому, что использование
практически не уменьшает их запасы. Все ископаемые природные
топлива (уголь, нефть, газ, торф, сланцы) относятся к невозобновляемым источникам энергии.
Невозобновляемые источники энергии являются сегодня основой мировой энергетики. Из них получают 90 % всей потребляемой
энергии. При этом темпы их расходования таковы, что запасов некоторых разведанных месторождений природного топлива хватит
лишь на несколько десятков лет. Исчерпываются в основном дешевые источники энергии, а это приводит к увеличению ее стоимости.
Данный фактор, а также неравномерность распределения природных ресурсов в мире привели к тому, что названо энергетическим
кризисом.
В настоящее время для бытовых и промышленных целей в качестве источников энергии используется в основном нефть, газ и уголь

11

1.1.

как более дешевые и удобные в эксплуатации виды топлива. С середины прошлого столетия прирост энергопотребления происходит
преимущественно за счет этих видов ресурсов.
Важнейшим событием стало открытие ядерной энергетики. Решение проблем ядерной энергетики позволило значительно расширить
представление об энергетических ресурсах нашей планеты.
Невозобновляемые источники энергии сегодня обеспечивают
мир энергией и будут составлять основу энергетики еще во всяком
случае несколько столетий. Но существенного роста потребления
энергии на их базе достичь не удается как в силу их ограниченности, так и изза нежелательных воздействий на окружающую среду.
Поэтому человечество занято решением вопроса более эффективного использования существующих источников энергии и добытой
энергии, а помыслы его обращены к возобновляемым источникам
энергии.
Научнотехнический прогресс направлен на повышение энергетической эффективности общественного производства, т.е. имеет
энергосберегающие тенденции. Возможности стран по управлению
энергопотреблением определяются целенаправленной политикой,
т.е. комплексом мер по повышению эффективности использования
энергоресурсов. Какими бы темпами ни развивалась энергетика,
сбережение теплоты является важнейшей общегосударственной задачей. В энергетических программах каждой страны ему уделяется
особое внимание.
Часть энергоресурсов расходуется на отопление, вентиляцию,
кондиционирование воздуха (ОВК) и горячее водоснабжение жилых
и общественных зданий, а также зданий и сооружений производственного назначения. Общий расход топлива на эти цели составляет
около 30 % общего энергопотребления страны. Цель использования
тепловой энергии — создание и поддержание микроклимата помещений и зданий для обеспечения пребывания человека и проведения определенных технологических процессов. Для осуществления
указанной задачи используются системы инженерного обеспечения,
к которым относятся система теплоснабжения, система отопления,
система вентиляции и кондиционирования воздуха, система горячего водоснабжения.
Расходование тепловой энергии в системах инженерного обеспечения зданий различного назначения теплотой связано с потреблением первичных энергетических ресурсов, т.е. органических топлив

1.1. Источники и запасы энергии. Энергосберегающая политика
9

и нетрадиционных возобновляемых источников энергии, а также
с потреблением конечной высокоорганизованной энергии, например электрической, подведенной непосредственно к установкам
систем. Экономия энергии при функционировании указанных систем хотя бы на 1 % позволяет сохранять миллионы тонн топлива
(условного) (т у.т.).
Снижение расходов энергии в системах инженерного обеспечения зданий теплотой основывается на комплексном рассмотрении
факторов, определяющих возможности экономии. К этим факторам
относятся:

 оптимизация в тепловом отношении архитектурностроительных, светотехнических и технологических решений зданий;

создание и использование более экономичных и совершенных систем теплоснабжения и вентиляции и оборудования для них;

совершенствование процессов производств, осуществляемых
в зданиях и влияющих на энергетические затраты систем обеспечения микроклимата помещений;

утилизация теплоты вентиляционных выбросов и сточных вод
в зданиях различного назначения;

более полное использование вторичных тепловых ресурсов промышленных предприятий для удовлетворения потребностей в энергии на нужды отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха
и горячего водоснабжения;

широкое использование возобновляемых источников энергии.
Комплексный подход к анализу потребления теплоты, возможности вовлечения вторичных энергетических ресурсов в тепловой
баланс зданий, создание систем утилизации теплоты в зданиях, использование возобновляемых источников энергии позволят решить
проблемы энергосбережения со снижением общего расхода энергии и топлива.

Виды, классификация и источники
вторичных энергоресурсов

Большое влияние на экономию топлива и энергии оказывают
тепловые отходы промышленности, энергетики и жилищнокоммунального хозяйства, если организовать их широкую утилизацию
и в дальнейшем использовать как вторичные энергоресурсы.

10
1. Использование теплоты в системах теплогазоснабжения и ОВК

1.2.

Под вторичными энергоресурсами (ВЭР) подразумевают энергетический потенциал теплоносителей, продукции, отходов, побочных
и промежуточных продуктов, образующихся в технологических
агрегатах (установках, процессах), который не используется или
используется не полностью в самом агрегате и может быть частично
или полностью использован в других агрегатах (процессах).
Данное определение ВЭР введено исходя из особенностей использования энергии в различных отраслях промышленности
и теплоэнергетики и учитывает не все особенности использования
энергии в системах теплогазоснабжения, вентиляции и горячего
водоснабжения зданий. Применительно к системам теплогазоснабжения и вентиляции зданий любого назначения вторичными
энергоресурсами следует считать энергетический потенциал удаляемых из них выбросов оборотных и сточных вод, вентиляционного воздуха. Этот потенциал может быть использован частично
или полностью для повышения энергетических характеристик подаваемых в данное или любое другое здание теплоносителей систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Вторичные энергоресурсы подразделяются на три группы:
1) горючие ВЭР, представляющие собой химическую энергию
отходов технологических процессов химической и термохимической переработки углеродистого и углеводородного сырья, отходы
деревообработки и т.д.; к ним относятся доменный, конвертерный
и колошниковый газы, щепа, опилки, стружка и пр.;
2) тепловые ВЭР, представляющие собой физическую теплоту
отходящих газов технологических агрегатов и тепловых установок,
физическую теплоту основной и побочной продукции и отходов
основного производства, теплоту горячей воды и пара, отработавших в технологических и силовых установках, теплоту воздуха
вентиляционных выбросов и сточных вод;
3) ВЭР избыточного давления — потенциальная энергия газов
и жидкостей, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением, которое необходимо снижать перед последующей
ступенью использования этих газов и жидкостей или при выбросе
их в атмосферу.
Понятие ВЭР в известной степени имеет относительный характер. Усовершенствование тепловой схемы агрегата или установки
позволяет найти полезное применение части удаляемой теплоты

1.2. Виды, классификация и источники вторичных энергоресурсов
11

в пределах данного агрегата или установки. Использованная в этом
случае теплота уже не будет отходом. Химически связанная теплота
продуктов топливоперерабатывающих установок (газогенераторных, коксовальных и др.) не относится к вторичным энергетическим ресурсам.
Основную долю в общем объеме ВЭР составляют тепловые, которые имеют температурный потенциал в диапазоне 20...1800 C.
По температуре теплоносителя они подразделяются на низко,
среднеи высокопотенциальные. К низкопотенциальным тепловым
ВЭР относятся энергоносители с температурой до 50 C, среднепотенциальным — 50…250 C. Отводятся они от источников с охлаждающей водой, удаляемым из помещений воздухом, уходящими
газами и используются в основном в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий различного назначения
или в технологических установках.
К высокопотенциальным тепловым ВЭР относятся источники
теплоты, имеющие температуру выше 250 C. В основном это ВЭР
промышленности и энергетики. Они используются в технологических установках и частично в системах ОВК и горячего водоснабжения.
Основные источники высокопотенциальных ВЭР (тепловых, горючих и избыточного давления) — производственные процессы
промышленности. Несовершенство энергоиспользования технологического оборудования служит причиной появления ВЭР. Наиболее энергоемки металлургическая, химическая, энергетическая
отрасли, машиностроение, промышленность строительных материалов. Их энергетический баланс покрывается в основном низкоорганизованной энергией. На долю тепловой энергии (теплоносители — пар и горячая вода) приходится приблизительно 28 %, непосредственно топлива — около 46 %, на долю электроэнергии — 26 %.
Температурный потенциал теплоты производственных процессов находится в диапазоне 20…1800 С, однако в общем количестве
энергии избыточной теплоты высокопотенциальные теплоносители
составляют всего 25 %. Современные теплоиспользующие агрегаты
отличаются большой единичной мощностью. В кузнечных молотах
расходуется около 6,5 кг пара на 1 кг поковки, при литье выделяется
1200…1400 тыс. кДж теплоты на 1 т металла. Большое количество
теплоты выделяют термические печи, сушильные установки, кон12
1. Использование теплоты в системах теплогазоснабжения и ОВК