CC BY
20Сравнительный анализ автономных систем отопления в Арктической зоне
Михайлова Лариса Юрьевна,
к.т.н., доцент, доцент кафедры инженерных систем и сооружений Тюменского индустриального университета, mihajlovalj@tyuiu.ru
Германова Татьяна Витальевна,
к.т.н., доцент, доцент кафедры промышленной теплоэнергетики Тюменского индустриального университета, germanovatv@tyuiu.ru
Куриленко Николай Ильич,
к.ф.-м.н., доцент, доцент кафедры инженерных систем и сооружений Тюменского индустриального университета, kurilenkoni@tyuiu.ru
Щербакова Елена Николаевна,
к. э. н., доцент, доцент кафедры управления строительством и жилищно-коммунальным хозяйством Тюменского индустриального университета, scherbakovaen@tyuiu.ru
Стабильный рост стоимости на топливно-энергетические ресурсы, повышение требований к энергоресурсосбережению объектов промышленной застройки, значительные капитальные и эксплуатационные затраты на приобретение и содержание собственных систем традиционного конвективного отопления ставят вопрос об использовании новейшего современного оборудования. В данной работе рассмотрены особенности радиационного и традиционного отопления, проведено сравнение отопления промышленного здания с помощью «светлых» газовых инфракрасных излучателей и традиционного конвективного отопления, где источником теплоснабжения служит интегрированная в производственных цех - котельная. Оценка проводилась для здания производственного назначения, расположенного в городе Надым Ямало-ненецкого автономного округа. Авторами ставится задача: на основе сравнительного анализа децентрализованных систем отопления определить их технико-экономические показатели, позволяющие сделать выбор в пользу оптимальной системы.
Ключевые слова: децентрализованные источники тепла, конвективное отопление, радиационное отопление, газовые инфракрасные излучатели, сравнительный анализ, капитальные затраты.
Введение. Немаловажным компонентом в развитии промышленного сектора экономики Арктических территорий является проектирование и обоснованный выбор системы обогрева промышленных зданий и сооружений, который смог бы обеспечивать оптимальные условия для производства работ людьми в таких помещениях, при высоком уровне энергетической эффективности. Важной составляющей в данной сфере является теплоэнергетика. Данное направление относится к проблемной области экономики, что делает исследования в этой области актуальными.
В Распоряжении Правительства РФ от 1 июня 2021 г. № 1447-р «Об утверждении плана мероприятий по реализации Энергетической стратегии РФ на период до 2035 г.», указывается на необходимость учета особенностей территории и социально и экономически целесообразное повышение уровня газификации субъектов Российской Федерации с учетом особенностей региональных топливно-энергетических балансов.
Основополагающим направлением при разработке проектной документации на строительство объектов производственного назначения в современных условиях остаются вопросы энергоэффективности и энергосбережения. Насущность данного направления продиктована современными требованиями к энергоресурсосбережению объектов жилой и промышленной застройки, регламентированные приказом Министерства строительства и ЖКХ от 17 ноября 2017 года N 1550/пр «Об утверждении требований энергетической эффективности зданий, строений, сооружений». Из существующих тенденций в современном мире по развитию способов получения тепловой энергии выбирают более эффективные, дешевые и безопасные с экологической точки зрения.
Согласно широко распространенным литературным данным Ямало-Ненецкий автономный округ (ЯНАО) - субъект РФ, расположенный на севере крупнейшей в мире Западно-Сибирской равнины, характеризуется: площадью более 750 тыс. км2. Весьма суровые климатические условия, удаленность населенных пунктов друг от друга, сложные транспортные схемы накладывают значительные ограничения на применение газоснабжения по всей территории ЯНАо. Активное развитие сетей газораспределения и газопотребления в ЯНАО
х
X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
см о см
0
01
о ш т
X
<
т О X X
планируется в связи с планом реализации мероприятий по исполнению постановления губернатора ЯНАО от 21 апреля 2020 года N 67-ПГ. ЯНАО включен в программу развития и газификации ПАО «Газпром» в 2008 г. К 2020 году средний уровень газификации региона составил 48,3 %. Реализация мероприятий по неуклонному росту уровня газоснабжения ЯНАО тесно связана со стратегическими приоритетами округа: развитие инженерной инфраструктуры; сбалансированное пространственное развитие, где в ряду проблемных вопросов остается нереализованная часть по повышению энергетической и экономической эффективности в промышленном секторе, а также по обеспечению инфраструктурной связанности, открывающей доступ территориям, к источникам социально-экономического роста.
Перспективным является развитие децентрализованных источников теплоснабжения промышленных площадок с наименьшим тепловым воздействием на прилегающие территории и улучшенными экологическими показателями. Таким образом, вопрос о возможности широкого применения высокоэффективного автономного децентрализованного обогрева промышленных объектов для территории ЯНАО, как территории Арктической зоны, на территории РФ является актуальным.
Основная часть. Немаловажным компонентом в развитии промышленного сектора экономики Арктических территорий является проектирование и обоснованный выбор системы обогрева промышленных зданий и сооружений, которая смогла бы обеспечивать оптимальные условия для производства работ людьми в таких помещениях, при высоком уровне энергетической эффективности.
Прежде всего, для обеспечения благоприятной среды жизнедеятельности, нормативно допустимых условий труда на предприятии для человека предназначена государственная политика в строительной сфере и регионального экономического развития. Данное направление относится к проблемной области экономики, что делает исследования в этой области актуальными. Для отопления промышленных зданий требуются значительные энергетические затраты. Прогрев громадных отапливаемых объемов традиционными методами с использованием конвективной системы отопления является не эффективным в промышленных помещениях, для которых свойственны такие особенности, как более чем значительные площади, высота более 6 м, значительные показателями кратности воздухообмена и невысокие значения теплозащитных характеристик ограждающих конструкций.
Стабильный рост стоимости на топливно-энергетические ресурсы, повышение требований к энергоресурсосбережению объектов промышлен-
ной застройки, значительные капитальные и эксплуатационные затраты на приобретение и содержание собственных систем традиционного конвективного отопления ставят вопрос об использование новейшего современного оборудования, которое позволит решить эти вопросы с низким уровнем выбросов парниковых газов. Одной из таких автономных отопительных систем является система лучистого отопления с помощью газовых инфракрасных излучателей. Если ввести понятие первичного и вторичного теплоносителя для сравнения конвективной и лучистой систем отопления, то в газовых инфракрасных излучателях (ГИИ) энергия природного газа непосредственно преобразуется в тепловое излучение. В случае же с конвективной системой отопления необходимо энергию газа затратить на нагрев теплоносителя в виде горячей воды, которая транспортируется к отопительным приборам и только после этого идет процесс отдачи тепла воздуху помещения.
Рисунок 1 - Размещение ГИИ в промышленном цехе
В помещениях такого типа радиационная система отопления может оказаться наиболее предпочтительной по сравнению со всеми другими приоритетными вариантами отопления при решении вопросов создания оптимального микроклимата, повышения энергоэффективности, экономии топливно-энергетических, экономических ресурсов и экологических показателей. Тепловой режим промышленных объектов, отапливаемых с помощью высокотемпературных газовых инфракрасных излучателей широко представлен в трудах авторов [1-7]. Эффективность инфракрасного нагрева на примере Сибири приведена в публикации по исследованию [8]. Система радиационного обогрева с ГИИ отличается от других видов конвективного отопления последовательностью создания требуемой температуры внутреннего воздуха в рабочей зоне. Радиационные отопительные приборы отличаются от так называемых традиционных прежде всего конструкцией, благодаря которой доля ради-
ационнои составляющей теплового потока становится явно преобладающей. Электромагнитные волны, испускаемые высокотемпературными ГИИ, поступают в нижнюю часть помещения в зону нахождения людей (см. рис.1).
Непосредственное воздействие радиационного излучения на человека и повышенная температура пола и внутренних ограждающих конструкций здания создают условия теплового комфорта в нижней зоне цеха при более низкой, чем при традиционной конвективной системе отопления, температуре внутреннего воздуха [9]. При применении радиационной системы отопления температура поверхности пола увеличивается, а температура воздуха остается практически неизменной по всей высоте рабочей зоны [4]. В материалах, приведенных в работе [10] представлен анализ теплового режима промышленного объекта, обогреваемого с помощью высокотемпературных газовых инфракрасных излучателей (см. рис. 2).
Авторами для исследований, сравнений предлагается два варианта автономного отопления:
1. Вариант. Лучистый обогрев промышленного объекта высокотемпературными излучателями в количестве 10 шт ГИИ-15, единичной тепловой мощностью15 кВт. Установленная мощность системы Qo/io - 150 кВт. Максимальный часовой расход газа для цеха Qra3e=15 м3/ч.
2. Вариант. Источником тепла для автономной системы отопления является интегрированное в производственное здание котельная, предназначенная для теплоснабжения этого цеха. В системе отопления теплоносителем является вода Суммарная мощность встроенной котельной с учётом резервного оборудования, рассчитанная для данного климатического региона составляет 440 кВт. В зданиях производственного назначения со значительным выделением пыли приняты нагревательные приборы из гладких стальных труб. Климатические данные для данной производственной площадки в соответствие с СП 131.13330.2020 «Строительная климатология СНиП 23-01-99» представлены в таблице 1. Архитектурные данные в таблице 2.
Таблица 1
х с
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Рисунок 2 - распределение температуры воздуха по высоте (дана в метрах) рабочей зоны производственного цеха, оборудованного газовыми инфракрасными излучателями
Более низкая температура воздуха в рабочей зоне по сравнению с температурой пола объясняется тем, что воздух, будучи практически «прозрачным» для инфракрасного излучения, нагревается в основном только за счет конвекции от пола, ограждающих конструкций и оборудования, которые поглощают и отражают инфракрасное излучение.
Так, при рассмотрении вопросов энергоэффективности для проектируемых и эксплуатируемых промышленных предприятий, представляет интерес сравнительная оценка экономических и энергетических показателей сооружения с конвективной и радиационной системами отопления. Для сравнения систем отопления выбран промышленный объект, расположенный на территории г. Надыма, ЯНАО. Промышленное здание имеет размеры 48х18 м по внутреннему обмеру. Здание каркасного типа, выполнено из трехслойных сэндвич панелей заводской сборки. Высота до нижнего пояса фермы составляет 5 м. Максимальная высота здания - 9 м. Теплопотери данного здания с учётом вентиляционной нагрузки составляют 141 кВт.
Обозначе- Значение Наименование величины
ние вели- величины
чины
tр.о. -45 Расчетная температура наружного воздуха, принимаемая как средняя температура воздуха наиболее холодной пятидневки, оС.
tаб.min -58 Абсолютная минимальная температура воздуха, оС
По 277 Продолжительность отопительного периода, сут, по числу дней с устойчивой среднесуточной температурой наружного воздуха 8 оС и ниже
н.з. 5 Температура незамерзания поддерживаемая в рабочее время, оС
tвн 16 20 Температура воздуха в помещения с ГИИ в рабочее время, оС Температура воздуха в помещения с конвективной системе в рабочее время, оС
Таблица 2
Архитектурно-строительные решения промышленного цеха
1. Параметры 2. Обозначение 3. Цех
4. Длина, м 5. L 6. 48
7. Ширина, м 8. В 9. 18
10. Высота по стене, м 11. Н 12. 5
13. Высота в коньке, м 14. Нк 15. 9
16. Площадь, м2 17. S=^L) 18. 864
19. Объем, м3 20. У=^х(Н+(Нк-Н)/2) 21. 604 8
22. Расчетная кратность воздухообмена 23. К 24. 1
X X О го А С.
X
го m
о
Для оценки эффективности автономных систем отопления представляется рациональным расчёт
м о м
технико-экономических показателей на этапе инвестирования капитальных вложений в систему и на этапе её эксплуатации. Для оценки вариантов на этапе инвестирования наиболее значимым является показатель удельных капитальных вложений. В составе капитальных вложений учитываются затраты в соответствии с технологической структурой. В целях определения экономической целесообразности проектирования децентрализованных систем обогрева промышленного объекта проведен сравнительный анализ удельных капитальных вложений на единицу мощности систем теплоснабжения на территории г. Надыма (ЯНАО, 5 ценовая зона).
Капитальные вложения в системы теплоснабжения по вариантам были определены с использованием действующей федеральной сметно-но-
2083,5
нормативной базы (редакции 2020г.) с переводом сметной стоимости в текущий уровень цен по состоянию на 3 квартал 2021 года согласно индексам опубликованным в письмах Минстроя РФ № 33267-ИФ/09 от 09.08.2021г., № 35422-ИФ/09 от 20.08.2021г., № 38115-ИФ/09 от 07.09.2021г.
Для определения размера капитальных вложений составляется сметная документация. Удельные капитальные вложения (УКВ) определяются по формуле: УКВ = КВЛЧуст,
где КВ - размер капитальных вложений в систему отопления, тыс.руб.;
^ст - установленная мощность системы теплоснабжения, МВт.
3542,7
отопления
Лучистое отопление
и '
>А\Х>Ь
0 2000 4000 6000
□Сметная стоимость СМР и прочих затрат, тыс.руб. □Сметная стоимость оборудования, тыс.руб.
Рисунок 3 - Сравнительный анализ капитальных вложений в системы отопления по вариантам
15000 -
10000 -
5000
0
Газовые инфракрасные излучатели; 9766
Конвективная система отопления; 14065
УКВ, тыс.руб./МВт
Рисунок 4 - Сравнительный анализ удельных капитальных вложений
Оценка сравниваемых вариантов на этапе эксплуатации может быть выполнена показателем удельных затрат на топливо на единицу отпускаемого тепла. Другие технико-экономические показатели будут повторять тенденцию, присущую выбранному, поскольку: 1) максимальный удельный вес в составе эксплуатационных затрат приходится на топливо; 2) объём отпускаемой тепловой энергии зависит от КПД системы теплоснабжения.
Таким образом, удельные затраты на топливо на единицу отпуска тепла (УЗТ) определяются по формуле:
УЗТ = ИтЮотп,
где Ит - годовая сумма издержек на топливо, руб.;
Qотп - объём отпуска тепловой энергии в год, Гкал.
Сравнительный анализ структуры капитальных вложений (КВ) по вариантам представлен на рисунке 3.
Сравнение удельных капитальных вложений на единицу мощности (УКВ) по вариантам представлено на рисунке 4.
В составе эксплуатационных затрат высокий удельный вес расходов на теплоснабжение приходится на топливную составляющую. При рассмотрении анализируемых вариантов было определено, что экономия среднегодового расхода природного газа по инфракрасному отоплению по сравнению с конвективным составила 19944 м3.
Сравнительный анализ годовой суммы затрат на природный газ для обеспечения систем отопления представлен на рисунке 5.
416929
500315
600000 500000 400000 300000 200000 100000 0
Затраты на топливо, тыс.руб.
Рисунок 5 - Сравнительный анализ суммы годовых затрат на топливо по вариантам
□ Газовые инфракрасные излучатели
□ Конвективная система отопления
Ш Конвективная система отопления □Газовые инфракрасные излучатели Рисунок 6 - Сравнительный анализ удельного показателя затрат на топливо на единицу тепла
X X О го А С.
X
го т
о
В качестве одного из показателей, характеризующих эффективность системы отопления может выступать удельный показатель затрат на топливо на
единицу отпуска тепла (УЗТ), учитывающий коэффициент полезного действия всей системы отопления. На рисунке 6 графически представлено сравнение этого показателя по анализируемым вариантам.
м о м
сч о сч
0
01
о ш m
X
<
m О X X
В результате проведенного сравнительного анализа основных технико-экономических показателей, характеризующих системы автономного теплоснабжения, видно, что применение инфракрасного отопления имеет преимущественно лучшие показатели, как на этапе инвестирования, так и на этапе эксплуатации.
Удельные технико-экономические показатели эффективности показывают преимущество системы отопления инфракрасными излучателями, поскольку: 1) уровень удельных капитальных вложений в этот вид отопления на 30,5% ниже; 2) удельный уровень затрат на топливо на единицу полезного отпуска тепла на 35,2% ниже уровня сравниваемого варианта.
В промышленных объектах с системами радиационного обогрева температуры воздуха в рабочей зоне цеха на 3-4 °С ниже, чем при конвективном обогреве. При конвективных системах отопления перепад температур по вертикали может достигать 10-15 °С в зависимости от высоты помещения. Несомненным плюсом газового лучистого обогрева является постоянство температур по высоте помещения. Согласно технической документации на ГИИ в продуктах сгорания наблюдается отсутствие СО, минимальное количество соединений NOх - 13 мг/кВт. Применение в промышленных зданиях высокотемпературных ГИИ позволяет практически полностью автоматизировать работу системы лучистого обогрева, что предотвращает перерасход топлива в течение всего отопительного сезона [11].
На протяжении многих лет группа авторов данной публикации подробно занималась расчетом тепловой мощности системы радиационного обогрева, о чем свидетельствуют опубликованные ранее научные работы, и пришла к выводу, что при проектировании тепловая мощность лучистой системы отопления, требуемая для создания оптимальных условий микроклимата помещения, может значительно отличаться от суммарной тепловой мощности конвективной системы отопления.
Заключение. Авторы работы считают, что только при постоянном и пристальном исследовании микроклимата в промышленных зданиях, оборудованных и конвективными и радиационными системами отопления, с точки зрения теплотехники, технико-экономических показателей, могут выявляться и уточняться методики проектирования таких систем.
Существенная экономия энергетических ресурсов и значительное снижение эксплуатационных затрат (по сравнению с традиционной конвективной системой отопления), а также создание оптимальных параметров микроклимата помещения для человека, с учётом конструктивных особенно-
стей в производственных цехах могут быть достигнуты применением систем радиационного (лучистого) отопления.
Анализ расчётных результатов проведенной авторами работы показывает экономию капитальных затрат на этапе инвестирования в систему конвективного отопления по сравнению со встроенной котельной, которая составит в абсолютном выражении около 4 млн. рублей., а на этапе эксплуатации ежегодная экономия только на затратах на топливо составит в абсолютном выражении около 80 тыс. рублей.
Литература
1. Nee, A. The dynamics of thermal regime changes of a local working zone in conditions of its heating by gas infrared radiators. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2005, 93(1), 012009
2. Nee, A. & Nagornova, T. Numerical investigation of conjugate heat transfer in a local working area in conditions of its radiant heating. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2014, 66(1), 012041.
3. Maksimov, V.I., Nagornova, T.A., Stepanova, O.V. Influence of local zones of intensive heat transfer on thermal regime of heat supply objects. MATEC Web of Conferences. 2015, 23, 01052.
4. Kuznetsov G.V., Kurilenko N.I., Mamontov G.Y., Mikhaylova L. The temperature distribution of heat supply objects during heating by the gas infrared radiators В сборнике: EPJ Web of Conferences. 2015, С.01006.
5. Maksimov, V.I., Bubenchikov, A.M., Nagornova, T.A., Dudak, A.A. Mathematical modeling of heat transfer in production premises heated by gas infrared emitters. MATEC Web of Conferences 2017, 110, 01053.
6. Nagornova, T. & Emelenchuk, V. 2017. The influence of insulation of walls of industrial objects on thermal regime at the heating system of gas infrared radiators. MATEC Web of Conferences. 2017, 141, 01002.
7. Nagornova, T.A. & Maksimov, V.I. Numerical modeling of heat transfer in a large room heated by a gas infrared emitter and with equipment located in it at different heights. AIP Conference Proceedings. 2021, 2337,020011.
8. Гребнева, О. А., Широких А.Э., Макеева К.И. Эффективность инфракрасного обогрева производственных помещений в условиях Сибири. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. .2020. Т 10. № 4. С. 552-559.
9. Куриленко Н.И., Михайлова Л.Ю. О выборе мощности светлых газовых инфракрасных излучателей. Строительный вестник Тюменской области. 2005. № 1. С. 96.
10. Куриленко Н.И., Давлятчин Р.Р. Лучисто-конвективный теплообмен газовых инфракрасных излучателей с многослойной конструкцией кровли. Приволжский научный журнал. 2009. № 3 (11). С. 74-78.
11. Муравьева Е.А., Миннанов Ф.Ф., Шарипо М.И., Каяшева Г.А. Система управления отоплением с использованием инфракрасных обогревателей механического цеха. Вестник молодого ученого УГНТУ. 2015. С. 2015
Comparison of autonomous heating systems in the Arctic zone Mikhailova L.Yu., Germanova T.V., Kurilenko N.I., Scherbakova E.N.
Tyumen Industrial University
The steady increase in the cost of fuel and energy resources, the increase in requirements for energy conservation of industrial facilities, significant capital and operational costs for the acquisition and maintenance of their own traditional convective heating systems raise the question of using the latest modern equipment. In this work, the peculiarities of radiation and traditional heating were considered, the heating of an industrial building was compared using "light" gas infrared emitters and traditional convective heating, where the heat supply source is an integrated boiler room in the production workshop. The assessment was carried out for a production building located in the city of Nadym, Yamalo-Nenets Autonomous Okrug. The authors set the task: on the basis of a comparative analysis of decentralized heating systems, to determine their technical and economic indicators that make it possible to make a choice in favor of an optimal system. Keywords: decentralized heat sources, convective heating, radiation heating, gas infrared emitters, comparative analysis, capital expenditures.
References
1. Nee, A. The dynamics of thermal regime changes of a local working zone in conditions of its heating by gas infrared radiators. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2005, 93(1), 012009.
2. Nee, A. & Nagornova, T. Numerical investigation of conjugate heat transfer
in a local working area in conditions of its radiant heating. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2014, 66(1), 012041.
3. Maksimov, V.I., Nagornova, T.A., Stepanova, O.V. Influence of local zones
of intensive heat transfer on thermal regime of heat supply objects. MATEC Web of Conferences. 2015, 23, 01052.
4. Kuznetsov G.V., Kurilenko N.I., Mamontov G.Y., Mikhaylova L. The
temperature distribution of heat supply objects during heating by the gas infrared radiators В сборнике: EPJ Web of Conferences. 2015, С. 01006.
5. Maksimov, V.I., Bubenchikov, A.M., Nagornova, T.A., Dudak, A.A.
Mathematical modeling of heat transfer in production premises heated by gas infrared emitters. MATEC Web of Conferences 2017, 110, 01053.
6. Nagornova, T. & Emelenchuk, V. 2017. The influence of insulation of walls
of industrial objects on thermal regime at the heating system of gas infrared radiators. MATEC Web of Conferences. 2017, 141, 01002.
7. Nagornova, T.A. & Maksimov, V.I. Numerical modeling of heat transfer in
a large room heated by a gas infrared emitter and with equipment located in it at different heights. AIP Conference Proceedings. 2021, 2337, 020011.
8. Grebneva, O.A., Shirokih, A.E & Makeeva, KI. Efficiency of infrared heating
of industrial premises under Siberian conditions. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020, 10 (4), 552-559.
9. Kurylenko, N.I. & Mikhailova, L. Yu. On power selection of light gas infrared
emitters Construction bulletin of the Tyumen region. 2005, 1(96).
10. Kurilenko, N. I. & Davlyatchin, R. R. 2009. Radiant-convection heat exchange of gas fired infrared heaters with a multilayered roof construction. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal 3(11): 74-78.
11. Muravyova E.A., Minnanov F.F., Sharipo M.I., Kayasheva G.A. Control system of infrared heaters for heating the mechanical workshop In the collection: Informatization of engineering education. The proceedings of the International Scientific and Practical Conference are INFORINO-2016. 2016, 376-381.
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о м
