Введение
Энергосбережение является одной из задач XXI века. Мировая энергетическая конференция (МИРЭК) сформулировала проблему энергосбережения как дефицит знаний у специалистов о тепловом поведении зданий и чрезвычайно слабое использование достижений науки и техники в системах теплоснабжения и климатизации зданий [1]. Именно об этом говориться в работах представителей научной школы «Методологические проблемы эффективности региональных ИСК как самоорганизующейся и самоуправляемой системы» [2-6]. Ключевым направлением стало развитие «зеленых» технологий [7-8] и возобновляемых источников [9-10]. Стратегия опережающего развития страны [11] предусматривает формирование инновационных экосистем [12], создающих возможности формирования экономических эффектов [13], с учётом рисков, возникающих при реализации инновационных решений [14], в том числе и в секторе энергосбережения и повышения энергетической эффективности.
Многочисленные исследования, проводимые за последние десятилетия, дают высокие оценки показателям теплопереноса в наноматериалах и возможностям их применения в различных видах экономической деятельности, в том числе и в строительстве. Наножидкости, как показали исследования [15-17], меняют свои теплофизические характеристики в сравнении с исходной жидкостью (увеличение теплопроводности, рост коэффициента теплоотдачи при конвективном теплопереносе, рост критического теплового потока) [18-19]. Хотя исследования тепломассообмена между нанокомпонентами с окружающей средой, выполненные различными авторами, свидетельствуют об увеличении теплопроводности при сопоставлении с основной жидкостью [20-22], однако по-прежнему нет однозначного определения требуемого количества добавления наночастиц в основную жидкость, способствующую росту теплопроводности и теплоотдачи.
Вместе с тем, основываясь на подтвержденном факте повышения теплопроводности и конвективного теплообмена в наножидкостях по сравнению с базовыми теплоносителями, ограничиваясь при этом невысоким содержанием наноразмерных частиц в горячей воде как теплоносителе системы, можно полагать что системы отопления и теплоснабжения представляются перспективными потребителями наноматериалов и нанотехнологий. В ранее опубликованном труде одним из авторов настоящей статьи раскрыт ряд вопросов по применению нанотехнологий для теплоснабжения и отопления зданий [23] и, продолжая эту тему, авторы ставят целью настоящего исследования раскрыть возможности наноматериалов и нанотехнологий в контексте повышения энергоэффективности зданий за счет регулирования тепловой нагрузки, оптимизации гидравлического режима тепловых сетей и повышения качества теплоснабжения.
Материалы и методы исследования
В статье использовались следующие методы и приемы научного исследования: теоретические методы познания, системный подход для теоретического представления систем теплоснабжения и отопления как многофакторных систем; анализ и синтез как методы обобщения результатов; сравнение и измерение, метод индукции для обобщения результатов применения теплоносителя, модифицированного наноразмерными первичными материалами.
Результаты исследования и их обсуждение
Повышенные показатели теплопереноса наножидкостей, являющихся суспензиями наночастиц, можно учитывать при определении тепловой нагрузки отопительных установок, меняющейся в зависимости от температуры наружного воздуха, что предполагает изменение параметров и расхода теплоносителя в соответствии с потребностью тепла [24]. Повышение теплоёмкости жидкости, содержащей наноразмерные частицы, является достаточно известным явлением и в физической химии описывается как температура раствора (в частности, при наличии растворенных солей); с этим фактом связаны законы Рауля.
Наночастицы, как добавка к теплоносителю в системах отопления, обеспечивая рост теплоотдачи, повышают качество теплоснабжения, сокращают расход тепловой энергии и топлива. Теплоемкость наножидкости превышает теплоемкость теплоносителя для систем отопления в виде просто чистой воды, причем зависимость роста увеличивается при использовании нано-жидкости с углеродными нанотрубками.
В начале 80-х годов прошлого столетия при рассмотрении особенностей вклада различных энергоносителей в механизмы переноса тепла, в качестве перспективного варианта энергообеспечения низкотемпературных процессов в быту и промышленности, к которым по температурным параметрам относится отопление зданий, одним из авторов предлагаемой публикации давалась оценка электроэнергии как альтернативному энергоносителю [25]. Сейчас, при оценке возможностей электрических отопительных приборов следует признать, что применение электрических отопительных приборов, по разным причинам не обеспечивает благоприятные условия во всем отапливаемом помещении. При воздушном отоплении достигнув оптимальное соотношение тепловых конвекционных потоков и радиационного типа теплопередачи добавляя наночастицы как своеобразные «теплые молекулы» воздуха, создаются соответствующие климатические условия во всем отапливаемом помещении.
Применение наночастиц в отоплении корректирует задачи и меняет виды регулирования систем тепловой нагрузки абонентов, которая неоднородна не только по характеру теплопотребления, но и по параметрам теплоносителя [26]. В традиционных системах теплоснабжения центральное регулирование отпуска тепла дополнялось групповым, местным и индивидуальным, т.е. для синхронизации отпуска тепла и фактического теплопотребления осуществляется комбинированное регулирование тепла, состоящее из нескольких ступеней, взаимно дополняющих друг друга.
Сущность многообразных методов регулирования раскрывает уравнение теплового баланса, описанного в работе [27].
К методам интенсификации теплообмена относится покрытие поверхности теплообмена слоем наночастиц. Данные, полученные экспериментально [28] свидетельствуют, что на теплопроводность наножидкостей преимущественно влияют три характеристики наночастиц: их концентрация, масса и распределение по размерам. При этом наиболее значительно влияет распределение по массе. Так как гидравлический режим зависит от расхода теплоносителя и давления в различных точках системы отопления в конкретный момент времени, то, соответственно, и теплоотдача может существенно отличаться в зависимости от выбранного гидравлического режима. Как утверждается в работе [27] «Расчеты гидравлического режима, производимые для отопительного и летнего периода времени, для открытых и закрытых систем теплоснабжения дают возможность определить перераспределение расходов и давлений в тепловой сети, и далее, основываясь на их значениях, установить пределы изменения нагрузки и характеристики нанодобавок».
Расчет гидравлического режима базируется на классических уравнениях гидродинамики. В тепловых сетях имеет место, как правило, квадратичная зависимость падения давления ∆Р (Па) от расхода:
∆P = SV2, (1)
где S – характеристика сопротивления, представляющая собой падение давления при единице расхода теплоносителя, Па (м3/ч)2;
v – расход теплоносителя м3/ч.
Гидравлический расчет производится по методу средних удельных потерь давления, согласно которому
∆P = ∆Рл + ∆Рм = ∆Рл (1 + (∆Рл / ∆Рм )) =
= Рл(1+α) = Рл(l + lЭ), (2)
где ∆Рл – гидравлические сопротивления по длине трубопровода, Па;
∆Рм – местные гидравлические сопротивления, Па;
α – коэффициент, учитывающий долю потерь давления в местных сопротивлениях от сопротивлений по длине;
l – длина прямолинейного трубопровода, м;
lэ – эквивалентная длина местных сопротивлений, м; lэ является справочной величиной, зависящей от диаметра трубопровода и вида местного сопротивления;
Rл – удельное падение давления по длине, Па/м.
Rл = (λ / d) ∙ (ρw2 / 2) =
= 6,27∙10–α ∙ (λ / d) ∙ (G2 / ρ), (3)
где λ – коэффициент гидравлического трения, зависящий от числа Рейнольдса и шероховатости трубопровода;
d – внутренний диаметр трубопровода;
ρ – плотность теплоносителя кг/м3;
w – скорость движения теплоносителя м/c.
Значение характеристики сопротивления находится из совместного решения уравнений (1, 2, 3):
S = ΔР / V2 = 
= 
, (4)
где As – постоянный коэффициент, являющийся справочной величиной, возрастающий с ростом шероховатости стенок трубопроводов:
As = 0,0894 
(5)
где kэ – эквивалентная шероховатость стенки трубы, мм;
z – задаваемая характеристика подпиточного насоса, необходимого для поддержания требуемого уровня пьезометрических линий.
«Как следует из уравнений (3) и (4), характеристика гидравлического сопротивления зависит от геометрических размеров сети, шероховатости стенок трубопроводов и плотности теплоносителя. При известных расходах и соответствующих им потерях давления характеристика гидравлического сопротивления находится из уравнения (1)» [27]. Увеличение концентрации наночастиц в теплоносителе дает возможность уменьшить площадь поверхности нагрева теплообменных аппаратов систем теплоснабжения, что приведет к уменьшению массы, размеров и установки в целом за счет снижения материалоемкости, применения меньших по мощности насосов и т.д. При этом благодаря высокой стабилизации коллоида осаждение наночастиц на теплоотдающей поверхности не происходит. В результате значительно уменьшается энергопотребление и повышается надежность.
Расчетный гидравлический режим характеризуется распределением теплоносителя в соответствии с тепловой нагрузкой абонентов и вида конвекции. Как говориться в работе [29] «Степень возрастания теплоотдачи при двух гидравлических режимах вынужденной конвекции – при ламинарном и при турбулентном режимах течения – связана с квадратичной зависимостью роста теплопроводности от массы наночастиц, означая одновременно и квадратичную зависимость от плотности (концентрации)». В случае естественной, в противоположность от вынужденной конвекции, опытные данные разных авторов дают противоречивые результаты [30], поэтому вопросы теплообмена остаются открытыми, что требует дальнейших расчетных исследований гидравлических режимов при добавке наночастиц, равно как и расчета риска нештатной ситуации, связанной с кристаллообразованием, возникающим вследствие высокого содержания (по некоторым оценкам до 10-14 шт.) наноразмерных частиц в природной воде.
Взаимосвязь тепловых и гидравлических характеристик порождает необходимость дальнейшего комплексного изучения теплоотдачи, гидравлического режима и прочности покрытия из наночастиц для решения вопросов использования теплоносителя, модифицированного наноразмерными первичными материалами наночастиц, поскольку наноразмерные частицы, вследствие повышенной поверхностной энергии могут являться центрами кристаллообразования, что способно негативно влиять на эффективность систем отопления и теплоснабжения. В некоторых случаях может иметь место несоразмерность масштабов объектов управления, применяемых посредством внедрения методов нанотехнологии в системах теплоснабжения. Однако эффективность управления таких систем, как правило, может достигаться аппаратными средствами, т.к. водоподготовка влияет на эффективность функционирования систем теплоснабжения, и повышения теплоотдачи.
Применение наноструктур и нанотехнологий дает принципиальную возможность достижения повышенных рабочих параметров гидравлических режимов и реализацию конструктивных возможностей теплообменных аппаратов, влияющих на эффективность отопления зданий, интенсификацию теплообмена при решении вопросов регулирования систем теплоснабжения, однако исключительно при невысоком содержании наноразмерных частиц в горячей воде как теплоносителе. При этом выбор наночастиц, определение их теплопроводности, концентрации и распределения по размерам являются важными условиями для снижения затрат и уменьшения теплопотерь при решении вопросов регулирования систем теплоснабжения.
Заключение
Изложенные в статье возможности применения нанотехнологий в контексте оптимизации гидравлических и температурных режимов способствуют повышению энергоэффективности зданий, качества теплоснабжения, оптимизации гидравлического режима тепловых сетей и интенсификации теплоотдачи в теплообменных аппаратах. Приведенные основные характеристики методов регулирования тепловой нагрузки позволяют осознать, что применение теплоносителя, модифицированного наноразмерными первичными материалами может способствовать решению проблемы экономии топлива от теплофикации, повышению качества теплоснабжения, сокращению расхода тепловой энергии и топлива за счет существенного увеличения теплоотдачи, но только при невысоком содержании наночастиц в горячей воде как теплоносителе.