Исследование степени эффективности внедрения автоматического регулирования в отопительных системах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.311.22:621.182

С. В. Глухов, В. М. Лебедев

ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ В ОТОПИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Рассмотрен существующий уровень потребления тепловой энергии в жилых и общественных зданиях. Предложен метод определения степени эффективности внедрения автоматизированных тепловых пунктов в системах централизованного теплоснабжения крупных городов РФ в зависимости от температурных графиков источников теплоснабжения и климатических условий.

По данным исследований, проведенных Центром по эффективному использованию энергии [1], на централизованное теплоснабжение жилых и общественных зданий приходится 3380 млн ГДж/год, что составляет 40,1 % от суммарного годового потребления тепловой энергии в РФ, с учетом потребления на нужды теплоснабжения административных корпусов и цехов промышленных предприятий на централизованное теплоснабжение приходится около 3790 млн ГДж/год (45 % от суммарного потребления тепловой энергии в РФ).

При централизованном теплоснабжении жилых зданий в большинстве случаев на нужды отопления расходуется 60 - 80 % тепловой энергии, остальная тепловая энергия расходуется для обеспечения горячего водоснабжения (ГВС). В общественных зданиях в расходный баланс тепловой энергии добавляется нагрузка на вентиляцию, однако по своей нагрузке она в среднем не превышает 30 % от суммарной, а доля ГВС составляет около 5 %. В зданиях производственного теплоснабжения доля отопления также значительна, но в зависимости от типа производства вентиляционная нагрузка может меняться в достаточно широких пределах (до 60 % от суммарной нагрузки).

Проведенные исследования по эффективности работы существующих систем теплоис-пользования жилых зданий [2] показали превышение потребления тепловой энергии на нужды отопления над нормативными значениями по Сибирскому федеральному округу (СФО) более 10,3 % (в целом по России - до 19,8 %). А превышение удельного расхода тепловой энергии на нужды ГВС по СФО - около 40 % (в целом по РФ - 12,1 %).

В целом по РФ технический потенциал повышения эффективности использования тепловой энергии в системах тепло потребления зданий оценивается на уровне 1925 млн ГДж/год, причем за счет внедрения автоматического регулирования - 670 млн ГДж/ год, что составляет свыше 16 % отуровня нынешнего потребления [1].

Внедрение систем автоматического регулирования отопительной нагрузки на тепловых пунктах потребителей в РФ началось лишь с принятием в 1996 г. федерального закона № 28-ФЗ «Об энергосбережении». Однако инженерные системы основной массы жилого фонда эксплуатируются с 70-х годов и до настоящего времени не претерпели коренной реконструкции. Согласно нормам проектирования, действовавшим в период массового строительства жилого фонда, присоединение систем отопления к тепловым сетям осуществлялось по элеваторной схеме (рисунок 1) как наименее затратной и не требующей постоянного присутствия эксплуатационного персонала.

Основным недостатком при эксплуатации элеваторных узлов в системах теплоснабжения является постоянный коэффициент смешения теплоносителя. При центральном качественном регулировании по отопительной нагрузке в тепловых сетях, обеспечивающих подачу теплоносителя совместно для систем отопления и ГВС, минимальная температура теплоносителя на выходе от источника теплоснабжения должна поддерживаться на уровне 70 °С по условию поддержания требуемой температуры горячей воды перед водоразборными устройствами.

Рисунок 1 — Схема присоединения системы отопления с помощью элеваторного смешения и системы ГВС по закрытой одноступенчатой параллельной схеме: 1 — теплообменник ГВС; 2 — регулятор температуры; 3 — датчик температуры ГВС; 4 — элеватор системы отопления; Т1 и Т2 — подающий и обратный трубопроводы тепловой сети; Т11 и Т21 — подающий и обратный трубопроводы системы отопления; !з и Т4 — подающий и рециркуляционный трубопроводы ГВС; В1 — ввод водопроводной воды

ния при расчетной нагрузке системы свыше

В то же время при определенной температуре наружного воздуха температура теплоносителя согласно расчетным формулам в работе [3] в подающем трубопроводе должна быть ниже 70 °С. Поэтому теплоноситель подается в систему отопления с завышенной температурой и в течение значительного периода времени наблюдается перегрев отапливаемых помещений.

Одним из путей сокращения перегрева помещений является организация местного качественно-количественного регулирования температуры теплоносителя в тепловых пунктах присоединяемых потребителей (рисунок 2). Данный способ регулирования приводит к увеличению точности регулирования температуры теплоносителя перед системой отопления, уменьшению потребления тепловой энергии при повышении условий теплового комфорта в помещении на протяжении всего периода времени эксплуатации отопительных систем.

В настоящее время в нормативной литературе изложена необходимость автоматизации потребления тепловой энергии для целей отопле-50 кВт.

Рисунок 2 — Схема присоединения системы отопления с помощью насосного смешения и системы ГВС по закрытой одноступенчатой схеме: 1 — 3 — см. рисунок 1; 4 — клапан регулирующий с электроприводом; 5 — электронный регулятор температуры; 6 — датчик температуры наружного воздуха; 7 — насос циркуляционно-повысительный

Однако значительная часть существующих систем теплопотребления в настоящее время не отвечает требованиям энергосбережения. Это связано прежде всего со значительной стоимостью оборудования, необходимого для автоматизации систем теплопотребления.

Существующий ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергоэффективности» устанавливает законодательные основы внедрения энергосберегающих мероприятий, в том числе и с помощью государственных дотаций.

Анализ проведенных исследований в области внедрения автоматизированных тепловых пунктов [4, 5] показал, что авторы в своих работах указывают на сокращение потребления

тепловой энергии на 15 - 30 % при установке необходимого оборудования и оценивают полученный срок окупаемости от одного - полутора лет до трех - четырех лет.

В ряде работ указывается на зависимость степени эффективности внедрения автоматизированных тепловых пунктов (ТП) от продолжительности стояния наружных температур воздуха. Однако целостных исследований по определению степени эффективности внедрения автоматизированных ТП в различных регионах РФ с определением сроков окупаемости в зависимости от местных условий не проводилось.

Задача определения степени эффективности внедрения ТП состоит в нахождении перерасхода тепловой энергии в системах теплоснабжения регионов РФ с различными температурными графиками центрального регулирования по отопительной нагрузке и ранжировании регионов по степени сокращения потребления тепловой энергии за отопительный период на 1 ГДж/ч присоединенной отопительной нагрузки.

Для выполнения поставленной задачи необходимо:

1) проанализировать температурные графики центрального качественного регулирования по отопительной нагрузке для основных населенных пунктов РФ и определить по ним температуру наружного воздуха, соответствующую точкам излома графиков;

2) определить величины перерасхода тепловой энергии при присоединении систем отопления с помощью элеваторов за отопительный сезон;

3) ранжировать населенные пункты РФ по степени сокращения потребляемой энергии за отопительный период при внедрении автоматизированных ТП.

Рассмотрим температурные графики центрального качественного регулирования с расчетной температурой теплоносителя в подающем трубопроводе:

Tip = 95, 105, 115 °C - широко применяются в системах теплоснабжения от котельных малой и средней мощности;

Tip= 130, 140, 150 °C - широко применяются в системах теплоснабжения от котельных большой мощности, ТЭЦ общего и промышленного назначения.

В качестве рассматриваемых населенных пунктов были выбраны города РФ с численностью населения более 100 тыс. чел. с наиболее характерными климатическими условиями. Данные о значениях расчетной температуры наружного воздуха приняты по нормам [6].

Температуру наружного воздуха в точке излома температурного графика рассчитываем по уравнению, выраженному в неявном виде, согласно рекомендациям работы [3]:

= 'вР + К- Q08 + Q(St0-у), (1)

где т1 - температура сетевой воды в подающем трубопроводе. В точке излома температурно-го графика т1 = 70 °С;

tBp - усредненная расчетная температура внутреннего воздуха. Принимаем согласно требованиям [7] 18 °С - в районах с расчетной температурой наружного воздуха для проектирования отопления до минус 30 °Си 20 °С - в районах с расчетной температурой наружного воздуха для проектирования отопления ниже минус 30 °С; т3 +т2

^'о = —^—~ ~tBp ~ температурный напор отопительных приборов в расчетном режиме;

5т'0 = т1р -т2р - расчетный перепад температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах;

0' = т3р -т2р - расчетный перепад температуры теплоносителя в нагревательных приборах потребителей;

т1р, т2р, т3р - расчетная температура теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и после смесительного устройства (элеватора);

Q - относительная тепловая нагрузка отопления, определяется по выражению [3]:

б =

б б

ор ^вр ^нор

(2)

где ¿нор - расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, принимается для различных населенных пунктов по нормам [6].

Величину перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон при присоединении систем отопления с помощью элеваторов найдем аналитически на основе анализа интегрального

графика зависимости величины относительной тепловой нагрузки отопления б от продолжительности отопительного периода п, ч, для климатических условий г. Омска (рисунок 3).

1

ГДж (ГДж/ч)

0.50

б ни

б 0.25

б,

<2=£п)

а де с

Г. т 1 / -1

е 1 1 7 1 1

1000 2000 3000 4000 5000 пкос п-►

7000

Рисунок 3 — Интегральный график зависимости величины относительной тепловой нагрузки отопления от продолжительности отопительного периода: бни, бнк - относительная тепловая нагрузка при температуре наружного воздуха в точке излома и при температуре наружного воздуха, соответствующей началу (окончанию) отопительного сезона; пко с — количество часов в отопительном сезоне

В соответствии с рисунком 3 величина удельного перерасхода тепловой энергии Дб, ГДж/(ГДж/ч), будет эквивалентна площади заштрихованной фигуры Ь-е-&/-Ь, которую можно найти аналитически, воспользовавшись геометрическим смыслом определенного интеграла. Для этого необходимо выбрать функцию, по которой будем проводить интегрирование, а также пределы интегрирования.

Для нахождения функции интегрирования воспользуемся данными о средней продолжительности периода с температурой воздуха различных градаций [6].

Полученные данные с большой точностью описываются полиномом 6-й степени (коэффициент детерминации свыше 0,998):

п() = ао + а • К + а • + а • г3 + а • 4 + а • 'н5 + а • г

(3)

где гн - температура наружного воздуха;

п(гн) - количество часов стояния температуры наружного воздуха, ч; а0, а1, а2, а3, а3, а4, а5, а6 - коэффициенты полинома.

Воспользуемся формулой (2) для нахождения функциональной зависимости между текущей температурой наружного воздуха гн и относительной тепловой нагрузкой отопления б :

г = г - О (г - г ). (4)

н вр V вр нор / V /

При подстановке уравнения (4) в выражение (3) получаем зависимость продолжительности работы систем отопления п, ч, со значением относительной тепловой нагрузки более текущего значения относительной тепловой нагрузки отопления О:

п(°) = а + а (гвр - 0(гвр - гнор) + а2 ((гвр - 0(гвр - гнор ))2 + а3 ((гвр - 0(гвр - гнор ))3 + (5)

+а4((гвр - °(гвР - гкоР))4 + а5 ((гвр - 0(гвр - гнор))5 + а6((гвр - °(гвр - гнор))6.

Таким образом, площадь а-Ь-/-й-е-а под кривой п( О) можно найти с помощью выражения:

Они

^-Ъ^-е-а = \ п(0№ . (6)

Онк

А искомую площадь Ь-с-й-/-Ь, соответствующую величине перерасхода тепловой энергии АО, найдем из выражения, ГДж/(ГДж/ч):

АО = £ = я - £

Ь-c-d-/-Ь а-с - й-е-а а-Ь -/ - й-е-а

Они Они Они

ИЛИ АО = \ ПК 0С ёО - \ п(О)&О = пк ас (Они - Онк) - \ п(ОШ (7)

Онк Онк Онк

После интегрирования получим, ГДж/(ГДж/ч):

АО = п (О - О ) - (--1—(а0 (г - г ) + °Цг2 - г2) +

К.О.С -2^НК / \ г г Ч-0\НИ НК / 2 ^ ни

вр нор

+т(г™ - С)+ТЙ, - г„4к)+^(4, - С)+- г„6к)+- г„7к))), (8)

3 4 5 6 7

где гни -температура наружного воздуха в точке излома, найденная из выражения (1);

гнк - температура наружного воздуха, соответствующая началу (окончанию) отопительного сезона, принимается по нормам [7].

После подстановки в выражение (8) ранее найденных величин составим рейтинг населенных пунктов РФ численностью более 100 тыс. чел. по величине перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон при присоединении систем отопления с элеваторным смешением к системам центрального теплоснабжения с различными температурными графиками. Сведем в таблицу полученные данные при температурном графике качественного регулирования отопительной нагрузки 115/70 °С.

Рейтинг населенных пунктов РФ по величине перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон при присоединении систем отопления к системам центрального теплоснабжения с температурным графиком

качественного регулирования 115/70 °С

Населенный пункт Величина перерасхода тепловой энергии, ГДж/(ГДж/ч) В процентах к максимальному перерасходу

1 2 3

Сургут 489,4 100,0

Сыктывкар 467,9 95,6

Красноярск 467 95,4

Томск 450,2 92,0

Окончание таблицы

1 2 3

Якутск 446,7 91,3

Тобольск 440 89,9

Пермь 435,6 89,0

Мурманск 416 85,0

Екатеринбург 407,8 83,3

Новосибирск 407,1 83,2

Барнаул 406,4 83,0

Вологда 398,4 81,4

Петрозаводск 397,1 81,1

Рубцовск 391,3 80,0

Уфа 390,1 79,7

Архангельск 389,3 79,5

Ижевск 389,1 79,5

Курган 375,3 76,7

Кострома 375,1 76,6

Иркутск 374 76,4

Омск 372 76,0

Улан-Удэ 366 74,8

Нижний Новгород 360,5 73,7

Казань 354,3 72,4

Санкт-Петербург 347,2 70,9

Псков 342,5 70,0

Москва 340,1 69,5

Смоленск 302 61,7

Благовещенск 299,4 61,2

Самара 287,2 58,7

Курск 273,5 55,9

Воронеж 269,5 55,1

Хабаровск 244,6 50,0

Калининград 240,1 49,1

Петропавловск-Камчатский 238,1 48,7

Владивосток 228,3 46,6

Ростов-на-Дону 227,9 46,6

Астрахань 216,6 44,3

Пятигорск 183,8 37,6

Грозный 167,1 34,1

Махачкала 152,3 31,1

Сочи 0,4 0,1

Как видно из данных таблицы, при использовании одного и того же графика центрального регулирования на источнике теплоснабжении потери тепловой энергии при эксплуатации элеваторного смешения на тепловых пунктах потребителей, в зависимости от географического местоположения, существенно отличаются. Так, при средней стоимости 200 р. за 1 ГДж тепловой энергии сокращение затрат при внедрении автоматизированных тепловых пунктов потребителей за отопительный сезон для г. Омска у потребителей с расчетной тепловой нагрузкой 1 ГДж/ч (что эквивалентно отопительной нагрузке двухподъездного пятиэтажного дома) составит 74,4 тыс. р., а для г. Тобольска - 88 тыс. р. А срок окупаемости при условии неизменности стоимости тепловой энергии при стоимости оборудования автоматизированного теплового пункта около 300 тыс. р. составит четыре года для Омска и 3,5 года -для Тобольска.

На основании изложенного можно сделать выводы:

1) в целях экономии материальных и финансовых ресурсов рекомендуется применять предложенный метод определения величины перерасхода тепловой энергии в существующих элеваторных системах отопления, используя температурные графики по теплоисточникам в регионах;

2) с уменьшением расчетной температуры теплоносителя в подающем трубопроводе эффективность работы элеваторных систем снижается;

3) на практике стоимость тепловой энергии по регионам от различных источников отличается в три - четыре раза, поэтому срок окупаемости внедрения автоматизированных тепловых пунктов в отдельных малоэффективных системах централизованного теплоснабжения может составить менее одного года;

4) неизменное повышение стоимости тепловой энергии также влияет на уменьшение сроков окупаемости мероприятий по переходу на местное качественно-количественное регулирование за счет внедрения тепловых пунктов с возможностью автоматизации регулирования параметров теплоносителя.

Список литературы

1. Башмаков, И. А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения России [Текст] / И. А. Башмаков // Новости теплоснабжения. - 2008. - № 2. - С. 6 - 10.

2. Стратегия повышения энергоэффективности коммунальной инфраструктуры Российской Федерации: Отчет о НИР (проект) [Текст] / НП «Российское теплоснабжение», ИЦ «Энергетика города», ОАО «ВНИПИэнергопром».- М., 2007. - 308 с.

3. Соколов, Е. Я. Теплофикация и тепловые сети [Текст] / Е. Я. Соколов / МЭИ. М., 1999. - 472 с.

4. Шарапов, В. И. Регулирование нагрузки систем теплоснабжения [Текст] / В. И. Шарапов, П. В. Ротов. - М.: Новости теплоснабжения, 2007. - 164 с.

5. Яковлев, Б. В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения [Текст] / Б. В. Яковлев. - М.: Новости теплоснабжения, 2008. - 448 с.

6. Строительные нормы и правила СНиП 23-01-1999. Строительная климатология [Текст] / ЦПП. М., 2003.

7. Строительные нормы и правила СНиП 41-02-2003. Тепловые сети [Текст] / ЦПП. - М., 2004.