CC BY
265
УДК 697.1/3:621.1.016:51.001.57
В. Н. Ханнанова
АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
В ПОМЕЩЕНИЯХ
Ключевые слова: регулирование температуры, теплопотери, качественное регулирование.
Учет потребления энергии на отопление создает экономические предпосылки для внедрения регулирования теплопотребления у потребителей. Для сокращения теплопотребления в жилых домах, без ухудшения условий комфортного проживания граждан, необходимо выполнить целый ряд мероприятий по энергосбережению одним из которых, и наиболее экономически эффективным, является применение систем автоматического погодозависимого регулирования подачи теплоносителя. Приведены наглядные примеры экономической эффективности систем автоматического регулирования тепловых пунктов.
Keywords: temperature regulation, heatlosses, qualitative regulation.
The accounting of consumption of energy on heating creates economic prerequisites for introduction of regulation of heatconsumption at consumers. For reduction of heatconsumption in houses, without deterioration of conditions of comfortable accommodation of citizens, it is necessary to perform a number of actions for energy saving one of them, and the most economically effective, use of systems of automatic weather-dependent regulation of giving of the heat carrier is. Bright examples of economic efficiency of systems of automatic control of thermal points are given.
Введение
Учет потребления энергии на отопление и горячее водоснабжение создает экономические предпосылки для внедрения регулирования теплопотребления у потребителей. В системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) России традиционно применяется качественное регулирование. В "чистом" виде это означает, что расход циркулирующей в системе воды остается постоянным в течение всего отопительного периода, а количество поставляемой теплоты регулируется путем изменения температуры поступающей к потребителю "прямой" воды в соответствии с температурой наружного воздуха по температурному графику. Соответственно, меняется и температура возвращаемой потребителем охлажденной "обратной" воды.
Для уменьшения потребления энергии предпринимаются следующие меры:
- ограничение потерь тепла путем снижения теплопроводности ограждающих конструкций здания (герметизация окон, утепление стен, крыш);
- поддержание подходящей постоянной, комфортной температуры в помещении только тогда, когда там находятся люди;
- снижение температуры в ночное время или в период, когда в помещении нет людей;
- улучшение использования «свободной энергии» или внутренних источников тепла [1].
Сегодня чисто качественное регулирование не отвечает высоким требованиям энергетической эффективности. Для достижения энергетической эффективности зданий используются различные методы, включая:
- организацию и создание коммерческих узлов учета для оценки фактического теплопотребления;
- повышение эффективности внутренней системы теплопотребления (в частности путем установки энергоэффективных приборов отопления);
- повышение тепловой эффективности здания;
- снижение теплопотребления за счет автоматизации систем отопления - а именно применение средств автоматизации тепловых пунктов.
Два последних метода дают, как правило, наибольший экономический эффект. Опыт применения узлов учета тепловой энергии показывает, что в ряде случаев фактическое потребление тепла по показаниям приборов учета является выше нормированного, что связано с целым рядом причин. [2]
Тепловую нагрузку можно регулировать путем изменения:
- расхода греющего теплоносителя;
- коэффициента теплопередачи нагревательных приборов или их поверхности;
- температуры греющего теплоносителя;
- длительности работы нагревательного прибора.
Для сокращения теплопотребления в жилых домах, без ухудшения условий комфортного проживания граждан, необходимо выполнить целый ряд мероприятий по энергосбережению одним из которых, и наиболее экономически эффективным, является применение систем автоматического погодоза-висимого регулирования подачи теплоносителя в тепловых пунктах зданий.
Вопросы процессов теплообмена в различных средах рассматриваются в [3-6], однако анализ этих публикаций показывает, что не уделяется внимание вопросам теплообмена внутри помещений. В связи с этим становится актуальной задача анализа энергетической эффективности методов регулирования температуры в помещении.
Анализ энергетической эффективности методов регулирования температуры в помещениях
Анализ опыта применения систем автоматического регулирования (АР) тепловых пунктов [2] позволяет выделить основные факторы экономии, которые сведены в таблицу 1.
Рассмотрим каждый фактор в отдельности:
1. Комфортную температуру в помещении можно поддерживать путем регулирования числа часов работы отопительных приборов в сутки, используя большую аккумулирующую способность здания.
Таблица 1 - Основные факторы экономии при использовании АР тепловых пунктов
Основные факторы экономии, при применении автоматического регулирования в тепловых пунктах Экономический эффект в % от общего потребления
Для жилых зданий (в год) Для производственных и административных зданий (в год)
1. Снижение температуры воздуха в помещениях зданий в часы отсутствия там людей - выходные и праздничные дни, ночное время. Нет 10-30%
2. Снятие вынужденных «перетопов» в переходные, межсезонные периоды. 4-8% 2-6%
3. Снятие влияния на потери тепла инерции тепловой сети. 3-5% 3-5%
4. Возможность нормированного снижения нагрузки на отопление в часы максимальной нагрузки на горячее водоснабжение. 1-3% Нет
5. Коррекция температурного графика по фактической производительности приборов отопления. 7-15% 7-15%
6. Управление температурой отопления с учетом бытовых тепловыделений. 4-7% Нет
7. Экономический эффект за счет применения графика качественного регулирования. 3-4% 3-4%
Суммарная средняя экономия при применении автоматического регулирования подачи теплоносителя 2242% 25-60%
Практика периодического включения отопления широко используется за рубежом. В России таким образом отапливается большинство объектов, оборудованных индивидуальными источниками теплоснабжения.
2. Снятие вынужденных «перетопов» в переходные, межсезонные периоды.
Применение систем регулирования температуры отопления на тепловых пунктах позволяет достигнуть 30-40% экономии в эти периоды отопления.
В частности, при положительной температуре наружного воздуха (а отопление, в соответствии со СНиП, прекращается, если она превышает 8°С) температура прямой воды по графику должна быть меньше 40-50°С. Но для горячего водоснабжения по СНиП требуется вода с температурой не ниже 60°С, поэтому при двухтрубной системе (один трубопровод для "прямой" воды, другой для "обратной") вода на отопление также имеет температуру 60°С.
Проще говоря, начиная с определенной температуры наружного воздуха отопление вообще не регулируется, а потребитель получает тем больший избыток тепла, чем выше температура наружного воздуха.
3. Снятие влияния на потери тепла инерции тепловой сети.
Температура в сетях не может быстро изменяться. Во многих районах России разница между дневными и ночными температурами может достигать 10-20°С. Тепловой инерции здания как правило не хватает для компенсации этих изменений. В результате, возможны «перетопы» в дневные часы, следовательно, потери тепла или «недотопы» в ночные часы, что приводит к перерасходу более дорогой электроэнергии за счет включения бытовых нагревательных приборов. Этот фактор можно оценить только ориентировочно, в пределах 3-5% общего теплопотребления.
4. Возможность нормированного снижения нагрузки на отопление в часы максимальной нагрузки на горячее водоснабжение.
В часы максимального водоразбора системы горячего водоснабжения (утренние и вечерние часы) нагрузка на отопление снижается, после чего происходит компенсация, но уже меньшего количества тепловой энергии. Это позволяет добиться дополнительно 1-3% экономии.
5. Коррекция температурного графика по фактической производительности приборов отопления.
Эффект экономии от автоматизации теплового пункта в данном случае может составлять от 7 до 15 %.
6. Управление температурой отопления с учетом бытовых тепловыделений.
По данным СНиП 2.04.05-91 доля бытовых тепловыделений в тепловом балансе здания может достигать 14% общего расхода на отопление. Для того, чтобы учесть эти выделения и не перетапливать жилые здания необходимо применять различные алгоритмы регулирования для жилых и административных (производственных) зданий. Это позволит получить экономию до 7% от общего теплопо-требления здания.
7. Экономический эффект за счет применения графика качественного регулирования.
При качественном регулировании все помещения находятся по теплу в равных условиях, а, следовательно, может быть применено глубокое регулирование с наибольшим экономическим эффектом (вышесказанное относится к гидравлически отрегулированным системам). Так, к примеру, для региона Ленинградской области один градус перегрева в помещениях (т.е.21°С вместо 20°С) равносилен почти 5% потерь [2].
Далее приводятся наглядные примеры экономической эффективности систем автоматического регулирования тепловых пунктов.
В [2] приведен пример на базе системы по-годозависимого регулирования ООО «Автоматика и системы связи».
Показан расчет за оплату отопления двухэтажного кирпичного здания, принадлежащего ООО «Автоматика и системы связи» Система погодозави-симого регулирования ООО «Автоматика и системы связи» осуществляет подмес теплоносителя из обратного трубопровода теплосети в подающий по трем контурам теплоснабжения (северный, южный и склад) при помощи трехходовых клапанов. Система управляет подмесом в зависимости от показаний двух датчиков наружного воздуха, установленных на южной и северной сторонах здания.
За отопительный период 2008 года экономия теплопотребления за счет установки счетчика и системы температурного регулирования составила 72,6 Гкал или 30,52% по отношению к нормативному теплопотреблению, что является существенным результатом внедрения системы регулирования.
В [1] приведен пример на базе узла регулирования теплоснабжения административного здания ЗАО «ПромСервис».
Для реализации автоматического регулирования температуры теплоносителя на вводе в здание, в зависимости от температуры наружного воздуха с обеспечением насосной циркуляции теплоносителя в системе отопления в 2002 году был создан узел регулирования теплоснабжения административного здания ЗАО «ПромСервис».
Система регулирования состоит из следующих элементов: контроллера; поворотного клапана с электроприводом; циркуляционного насоса; датчиков температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах; датчика температуры наружного воздуха; датчика температуры воздуха в контрольном помещении; фильтра.
Регулирование реализуется по заданному температурному графику отопления с учетом реальных измеренных значений температур наружного воздуха и воздуха в контрольном помещении здания. При этом система автоматически производит коррекцию выбранного графика с учетом отклонения температуры воздуха в контрольном помещении от заданного значения. Контроллер обеспечивает снижение на заданную глубину тепловой нагрузки здания в заданный промежуток времени (режим выходного дня и ночной режим).
Система регулирования позволила при соблюдении комфортных условий в помещениях здания снизить общее количество потребленного тепла.
Контроллер позволяет эксплуатирующему персоналу выбирать длительность ночного режима и его «глубину», то есть величину понижения температуры теплоносителя относительно заданного температурного графика в заданный период времени исходя из особенностей здания, графика работы персонала и т. д.
Снижение потребления тепла в ночной режим составляет 40 - 55% (зависит от температуры наружного воздуха). При этом температура теплоносителя в обратном трубопроводе снижается на 10 - 20°С, а температура воздуха в помещениях - всего на 2-3°С.
Эффект экономии значительно зависит от температуры наружного воздуха: чем выше температура, тем сильнее выражен эффект экономии. Например, снижение теплопотребления при введении «ночного» режима при температуре наружного воздуха около -20°С составляет 12,5%. При повышении среднесуточной температуры эффект может достигать и 25%.
В [7] для увеличения экономического эффекта температуру воды, подаваемой в систему отопления предлагается корректировать не только по температуре наружного воздуха, но и по температуре возвращаемого теплоносителя.
Эффективность использования тепла потребителем определяется разностью температуры в подающем и обратном трубопроводах. Чем эта разница при данной температуре наружного воздуха выше, тем полнее используется доставленное потребителю тепло, тем выше доходы теплоснабжающей организации. В связи с вышеизложенным теплоснабжающие организации, как правило, требуют от потребителей соблюдения графика температуры возвращаемого теплоносителя и предусматривают весьма существенные штрафные санкции за его нарушение.
Для соблюдения графика температуры возвращаемого теплоносителя автоматика ИТП начинает работать по другому алгоритму. Теперь контроллер рассчитывает в зависимости от температуры наружного воздуха требуемую температуру не только для подающего трубопровода отопления, но и для обратного трубопровода. В случае превышения температурой возвращаемого теплоносителя расчетного значения - задание для подающего трубопровода понижается на соответствующую величину. Однако данная методика регулирования приводит к ошибкам по простой причине: теплоснабжающая организация не поддерживает декларируемый температурный график.
В связи с этим ЗАО НТО «ГАЛАКС» разработал и внедрил следующее решение проблемы: на подающем трубопроводе теплосети устанавливают дополнительный датчик температуры. В алгоритм работы контроллера, помимо стандартных двух отопительных графиков для подающего и обратного трубопроводов отопления относительно температуры наружного воздуха, включают два дополнительных графика для подающего и обратного трубопроводов отопления относительно температуры в подающем трубопроводе теплосети. Коррекция темпе-
ратурного графика в подающем трубопроводе ведется с учетом температуры наружного воздуха и температуры воды в тепловой сети.
Поддержание температуры воды в обратном трубопроводе в соответствии с температурой теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети позволяет избежать претензий и штрафных санкций теплоснабжающей организации. Многие теплоснабжающие организации в случае систематического превышения среднесуточной температуры «об-ратки» начисляют дополнительную оплату за «недоиспользованную тепловую энергию».
Практика показывает, что величина «недоиспользованной тепловой энергии» достигает 50% от суммарного теплопотребления за 1 месяц [7].
В [8] показан пример на базе регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя.
Если допустить ночное понижение температуры помещений до + 10°С, то расчеты показывают, что для того же общественного здания можно было бы сэкономить 360 Гкал за отопительный сезон, что составляет 15,7 % от годового теплопотребления.
Если к потенциалу ночного снижения внутренних температур добавить потенциал возможного снижения темпера тур в выходные дни, то общий энергетический потенциал программного уменьшения тепловой мощности в общественных зданиях может быть оценен величиной 18 - 20 %.
Оценка величины возможной экономии выполнена на примере одного из областных центров Украины. Анализ был выполнен раздельно по каждой из групп общественных зданий с учетом этажности и времени их постройки, полагая, что эти факторы влияют на величину удельного теплопо-требления.
Потенциал энергосбережения, равный 34 тыс. Гкал в год, относится к областному центру, в котором имеется 869 жилых домов общей площадью 3,26 млн. кв.м. Если пересчитать потенциал областного центра на Украину в целом, где городской жилой фонд составляет 580 млн. кв.м, то средствами программного регулирования можно было бы сократить теплопотребление на 6 млн. Гкал в год.
В [9] рассматривается система качественного регулирования подачи теплоносителя потребителям предусматривающую нижнюю срезку температурного графика на уровне 70°С в осенне-весенний период. Такой период для условий г. Москвы составляет примерно 1/3 отопительного сезона.
Величина непроизводственного расхода (перетопа) различными специалистами оценивается в пределах от 2,2 до 25%, от годового расхода тепла на отопление, что для такой организации, как ГУП "Мосгортепло" составляет около 1500000 Гкал или 400-500 млн. рублей в год.
Предлагаемая система предназначена для модернизации существующих ЦТП путем введения централизованного регулирования температуры теплоносителя на выходе из ЦТП при зависимом присоединении систем отопления к тепловой сети.
Система состоит из: корректирующих насосов, установленных на перемычке между подающим и обратным трубопроводом, частотно-регулируемого электропривода с преобразователем частоты; электронного регулятора температуры поддерживающего заданный температурный график; гидравлического регулятора перепада давления. Период работы системы - период осенне-весенней срезки температурного графика. Для работы системы подогреватели ГВС переводятся на смешанную схему. При наступлении весеннего (осеннего) периода, когда температура в тепловой сети превышает требуемую для системы отопления, электронный регулятор через преобразователь частоты включает насос и тот добавляет в систему отопления охлажденный теплоноситель из обратного трубопровода, ровно столько сколько необходимо для поддержания требуемой температуры. Гидравлический регулятор в свою очередь прикрывается, сокращая подачу сетевой воды и выдерживая заданный гидравлический режим.
Расчетная экономия тепла для условий г. Москвы составляет 13,6% от годового расхода тепла на отопление, срок окупаемости 1-2 года.
Выводы
Учет потребления энергии на отопление и горячее водоснабжение создает экономические предпосылки для внедрения регулирования тепло-потребления у потребителей. В системах централизованного теплоснабжения России традиционно применяется качественное регулирование. Это означает, что расход циркулирующей в системе воды остается постоянным в течение всего отопительного периода, а количество поставляемой теплоты регулируется путем изменения температуры поступающей к потребителю воды в соответствии с температурой наружного воздуха по температурному графику.
Сегодня чисто качественное регулирование не отвечает высоким требованиям энергетической эффективности.
Для сокращения теплопотребления в жилых домах, без ухудшения условий комфортного проживания граждан, необходимо выполнить целый ряд мероприятий по энергосбережению одним из которых, и наиболее экономически эффективным, является применение систем автоматического погодоза-висимого регулирования подачи теплоносителя в тепловых пунктах зданий.
Приведены наглядные примеры экономической эффективности систем автоматического регулирования тепловых пунктов. Суммарная средняя экономия при применении автоматического регулирования подачи теплоносителя для жилых зданий может достигать 22-42% от годового потребления, для производственных и административных зданий 25-60%.
Литература
1. Регулирование теплопотребления зданий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sibin.su/articles/pag е17/44/, свободный.
2. Автоматическое регулирование потребления тепловой энергии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.aiss33.ru/other_fotos/auto_regulate.pdf, свободный.
3. Е. К. Вачагина, Г. Р. Халитова, Ю. В. Караева, И. А. Трахунова, Математическая модель теплообмена в системе поддержания температурного режима в реакторе метанового брожения, Вестник Казанского технологического университета, 15,19,33-37 (2012).
4. Р. Ш. Гайнутдинов, Нестационарное температурное поле плоского тела в условиях зависимости температуры среды и коэффициента теплообмена от времени, Вестник Казанского технологического университета, 14, 2, 37-42 (2011).
5. Р. Ш. Еналеев, Э. Ш. Теляков, О. А. Тучкова, М. А. Закиров, О. Ю. Харитонова, Моделирование предельных состояний элементов строительных конструкций при высокоинтенсивном нагреве, Вестник Казанского технологического университета, 13, 8, 41-51 (2010).
6. А. Ф. Файрушин, В. К. Половняк, Р.Ш. Еналеев, Снижение теплопотерь в трубопроводах горячего водоснабения с использованием арагонитового покрытия на внутренних стенах, Вестник Казанского технологического университета, 13, 5, 91-96 (2010).
7. Автоматизация и диспетчеризация систем теплоснабжения зданий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.halax.ru/avtomatizacija-dispetcherizacija-sistem.html, свободный.
8. Гершкович В.Ф, О возможности практической реализации регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя / В.Ф. Гершкович // Новости теплоснабжения. - 2000. - октябрь.
9. Ильин В.К. Энергоэффективная система регулирования отпуска тепла [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=420, свободный.
© В. Н. Ханнанова - асп. каф. электропривода и электротехники КНИТУ, regist1234@mail.ru.
© V. N. Khannanova - graduate student, Kazan National Research Technological University, Electric Drive and Electrotechnics Department, regist1234@mail.ru.
