ЗАМЕНА ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ОТОПЛЕНИЯ В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Замена тепловой изоляции трубопроводов отопления в целях повышения энергоэффективности

Путилов Станислав Сергеевич

генеральный директор, главный эксперт, Групп», putilov@enexgroup.ru

ООО «ЭнергоЭксперт

(О

сч о сч

ю

В данной статье рассмотрен технический и экономический расчет экономии потерь тепловой энергии при ее транспортировке по тепловой сети отопления с температурным графиком 95-70 оС для условий г. Москвы при замене устаревшей тепловой изоляции трубопровода на современные изоляционные материалы. Произведен расчет потерь тепловой энергии на каждом участке рассматриваемой тепловой сети прямого и обратного трубопровода отдельно для варианта изоляции устаревшей минеральной ватой и для варианта с использованием современным изоляционных материалов. Расчет произведен с учетом разного показателя коэффициента теплопроводности материала стенки изолируемого объекта двух вариантов изоляции. Выполнен расчет простого срока окупаемости мероприятия с учетом тарифа без НДС на компенсацию потерь тепловой энергии ПАО «МОЭК», в качестве ролевой модели. Экономический расчет показал целесообразность замены тепловой изоляции трубопровода отопления.

Ключевые слова: тепловая изоляция, минеральная вата, энергоэффективность, энергосбережение, экономия тепла, трубопроводы, теплоснабжение

Введение

В современном мире энергосбережение является важной темой, особенно в отношении теплоснабжения зданий и сооружений. Одной из ключевых задач, связанных с обеспечением эффективности систем отопления, является поддержание теплоизоляции трубопроводов в хорошем состоянии. Тепловая изоляция позволяет снизить теплопотери и улучшить теплоэффективность системы отопления. «Ключевым показателем ее эффективности является коэффициент теплопроводности материала, от которого зависит толщина тепло- изоляционного слоя, соответственно, и нагрузка на изолируемый объект, его конструктивные характеристики и габаритные размеры» [1, с. 2].

Однако, традиционные материалы, используемые для тепловой изоляции трубопроводов в России, такие как минеральная вата, стекловолокно и пенопласт, не всегда являются оптимальным выбором. Они могут выделять вредные вещества, иметь низкую прочность, быть подвержены влаге и деформации со временем, что приводит к снижению эффективности системы отопления и увеличению расходов на ее обслуживание. По всей стране все еще используется морально и физически устаревшая минеральная вата на тысячах километрах тепловых трасс и трубопроводов. В регионах России местные теплосетевые компании периодически проводят сезонные кампании по системной замене устаревших изоляционных материалов, если нет возможности поменять участок теплотрассы целиком. В своей инженерной практике я сталкивался с изоляционными материалами, установленными в начале 90-х годов, а значит произведены, скорее всего, они были еще в СССР. Неудивительно, что потери тепловой энергии при ее транспортировке по тепловым сетям могут достигать 10-15%, даже в городских условиях, где длина тепловой сети от генерации до потребителя не столь велика, по сравнению с вариантом, если объект генерации находиться за пределами города. «Ежегодно мы наблюдаем увеличение платы за энергопотребление и нельзя не отметить, что се теплопотери при доставке тепловой энергии от источника теплоты до потребителя также предусматриваются в платежных документах» [2, с. 19]

В данной статье мы рассмотрим расчет технической и экономической выгоды замены устаревшей минеральной ваты на современные теплоизоляционные материалы в разрезе потери тепловой энергии через изоляцию.

Расчет:

Планируется замена участка тепловой изоляции трубопровода отопления ДУ 200 мм, суммарной

длинной 150 метров (прямой плюс обратный трубопровод) надземной прокладки в г. Москва.

В качестве новой тепловой изоляции для примера была выбрана изоляция URSA TERRA, коэффициент теплопроводности материала составляет 0,034 Вт/(м°С) [3] (упоминание бренда и производителя в данной статье не является рекламным). Технический мат хорошо зарекомендовал себя на рынке. Производитель - российская компания ООО «УРСА Евразия». Основное отличие существующей тепловой изоляции и современной изоляции URSA TERRA в коэффициенте теплопроводности материала, что отражено в расчетах по каждому участку трубопровода ниже.

1. Определение тепловых потерь для изолированных трубопроводов при наземной прокладке.

Поскольку стенки изолируемого промышленного оборудования и трубопроводов обычно изготовлены из металла,теплопроводность которого в 100 раз и более превышает теплопроводность изоляции, то в соответствии с СП 41-103-2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов» [4, с. 3], термическим сопротивлением стенки без заметного снижения точности расчета пренебрегаем. Поэтому расчет тепловых потерь через изолированную поверхность оборудования и трубопроводов диаметром менее 2 м выполняется по следующей формуле [4, с. 3, формула 17]:

= (ty-t^K

где tB - температура среды (теплоносителя) внутри изолируемого оборудования -95°С (рассмотрим стандартный график работы тепловой сети отопления 95-70 оС);

tH - среднесуточная температура наружного воздуха в отопительный

период - 2,2 °С [5, с. 2, табл. 3.1]; К - коэффициент дополнительных потерь, учитывающий теплопотери через теплопроводные включения в теплоизоляционных конструкциях, обусловленных наличием в них крепежных деталей и опор при диаметре до 150 мм - 1,2, при диаметре 150 мм и более - 1,15 [4, табл. 1];

Hf=:Lfif - полное линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты n-слой-ной цилиндрической изоляции, м°С/Вт [4, стр. 1, формула 7];

1 4

-*ln ——

•л - A: dl„„

Ri

L _

- коэффициент теплопроводности материала стенки изолируемого объекта однослойной изоляции, изоляции ^го слоя п-слойной изоляции, Вт/(м°С);

- наружный диаметр ^го слоя п-слойной изоляции трубопроводов;

¿1вн - внутренний диаметр ^го слоя п-слойной изоляции трубопроводов; Примечание: в качестве теплоизоляции применяем минераловатные маты толщиной 100 мм.

Rn - линейное термическое сопротивление теплоотдаче внешней стенки наружной изоляции, м°С/Вт [4, стр. 1, формула 6];

л* dU3 *ан

dU - наружный диаметр изоляции, м;

ан - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности изоляции согласно [4, табл. 2] - 20 Вт/(м°С).

Продолжительность отопительного периода и средняя температура наружного воздуха принимается согласно [5, раздел 3, п. 3.1, табл. 3.1] и составляет соответственно: 205 дней и -2,2 °С.

Основное отличие существующей тепловой изоляции и современной изоляции URSA TERRA в коэффициенте теплопроводности материала, что отражено в расчетах по каждому участку трубопровода ниже.

При плотности минеральной ваты (существующая старая изоляция трубопроводов) 50-200 кг м3, коэффициент теплопроводности составляет 0,0480,070 Вт/(м°С), учитывая длительный срок службы, уменьшение плотности материала и ухудшение теплоизоляционных свойств материала и соответственно увеличение коэффициента теплопроводности, показатель был выбран чуть выше среднего значения 0,060 Вт/(м°С);

Данные коэффициента теплопроводности:

- коэффициент теплопроводности старой изоляции = 0,06 Вт/(м°С)

- коэффициент теплопроводности URSA TERRA = 0,034 Вт/(м°С) [1]

Таблица 1

Параметры Прямой Обратный Прямой Обратный

(до за- (до замены (после за- (после за-

мены изо- изоляции) мены изо- мены изо-

ляции) ляции) ляции)

t„, °С 95 70 95 70

t„, °С -2,2 -2,2 -2,2 -2,2

d'„, dU3, м 0,412 0,412 0,412 0,412

dL м 0,212 0,212 0,212 0,212

К 1,15 1,15 1,15 1,15

L, м 1 1 1 1

Äi, ккал/(чм°С) 0,06 0,06 0,034 0,034

а„, Вт/(м°С) 20 20 20 20

Отопительный 205 205 205 205

период, сут.

1.1 Расчет тепловых потерь 1 м прямого трубопровода ДУ 200 с существующей изоляцией толщиной 100 мм в 1 слой.

Определяем линейное термическое сопротивление теплоотдаче внутренней стенки наружной изоляции,

, 1 1

К =-3-™ = 0,039 м * °С/Вт

н л* d¡uз *ан 3,14 * 0,412 * 20 '

Определяем полное линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты п-слойной цилиндрической изоляции

. 1 4 1 0,412

R■ =-*1п-=-*1п-

1 2*л*Х1 d^вн 2 * 3,14* 0,06 0,212

= 1,763 м°С/Вт

О *

О X

о

S

S *

и

с т ■и о s т о а г

о т

09 8)

(О

сч о сч

in

Определяем тепловые потери 1 м трубопровода ДУ200 с теплоизоляцией:

(¿в - О* (95 + 2,2) *1,15 „п_1П/2

а, = —-;-=-= 62,031 Вт/м^

1,763 + 0,039 ' 7

= 53,337 ккал/ч

Тепловые потери 1 м трубопровода с теплоизоляцией за отопительный период составляют: 205

Qл = а,*24 *-= 53,337 * 24 * 205/1000000

4:1 ^ 1000000 ' = 0,262 Гкал

1.2 Расчет тепловых потерь 1 м прямого трубопровода ДУ 200 с новой изоляцией толщиной 100 мм в 1 слой.

, 1 1 ДН =-;-=-= 0,039 м°С/Вт

Q2 =qL *24* ■

= 22,657 * 24 * 205/1000000

н я*^23*ан 3,14*0,412*20 1 di 1

Rf

L _

*А;

dlH

■ *ln —- = ■

0,412

2 * 3,14* 0,034 0,212

■ *ln

= 3,112 м°С/Вт (¿в "О* (95 + 2,2) *1,15 . 2

Яь = ЖТ^Г^Н = 3,112 + 0,039 = 35,474 Вт/м2 = 30,502 ккал/ч 205

Q2 =q, *24*-= 30,502 * 24 * 205/1000000

V2 1000000 ' = 0,150 Гкал

1.3 Разница величины тепловых потерь на 75 м прямого трубопровода ДУ200 с новой и старой изоляцией составит:

д^ = (<21 -Q2) * I = (0,262 - 0,150) * 75 = 8,400 Гкал

1.4 Расчет тепловых потерь 1 м обратного трубопровода ДУ 200 с существующей изоляцией толщиной 100 мм в 1 слой.

, 1 1 дН =-—-= ———_ _ __ = 0,039 м°С/Вт

н я*^23*ан 3,14*0,412*20

, 1 dH 1

R- =---*ln-

2* П

0,412

2 * 3,14 * 0,06 0,212

■ *ln

= 1,763 м°С/Вт с^в "О* (70 + 2,2) *1,15 2

41 = Г^Н = 1,763 + 0,039 = 46,077 Вт/м2 = 39,619 ккал/ч

Тепловые потери 1 м трубопровода с теплоизоляцией за отопительный период: 205

Qi =q, *24*-= 39,619 * 24 * 205/1000000

1000000 ' = 0,195 Гкал

1.5 Расчет тепловых потерь 1 м обратного трубопровода ДУ 200 с новой изоляцией толщиной 100 мм в 1 слой.

, 1 1 дН =-—-= ———_ _ __ = 0,039 м°С/Вт

н tt*dg3*aH 3,14*0,412*20

, 1 ¿н 1

R- =---*ln-

*Xi

0,412

2 • 3,14 * 0,034 0,212

■ *ln

= 3,112 м°С/Вт

Определяем тепловые потери 1 м трубопровода

ДУ200 с теплоизоляцией:

(¿в -¿нЖ (70 + 2,2) *1,15 2

а, = —-:-=-= 26,350 Вт/м^

3,112 + 0,039 ' '

= 22,657 ккал/ч Тепловые потери 1 м трубопровода с теплоизоляцией за отопительный период составляют:

1000000 = 0,111 Гкал

1.6 Разница величины тепловых потерь на 100 м обратного трубопровода ДУ200 с новой и старой изоляцией составит:

AQ2 = (<2i -С2) * I = (0,195 - 0,111) * 75 = 6,3 Гкалл

1.7 Суммарная экономия на прямом и обратном трубопроводах

Д^ = ДС?! +Д<?2 = 8,4 + 6,3 = 14,7 Гкал

2. Экономический эффект.

Экономический эффект от реализации замены тепловой изоляции:

ДЭ = Д Q * Ттэ

Ттэ = 1240,16 руб./Гкал без НДС - тариф на компенсацию потерь тепловой энергии ПАО «МОЭК» до 31.12.2023 приказом ДЭПиР г. Москвы от 17.11.2022 № 286-ТР [6].

ДЭ = 14,7 * 1240,16 = 18 230 руб.

Объем изоляционного материала необходимый для реализации проекта:

- трубопровод ДУ200, L=150 (в однотрубном исчислении): Площадь изоляции определяется по формуле

5 = п * D * I = 3.14 * 0.212 * 150 = 99,85 м2

В одной упаковки изоляции содержится 5,76 м2 матов, согласно [1]. Необходимое количество упаковок = 99,85/5,76=17,3. То есть 18 шт. целых.

Средняя стоимость 1 рулона без НДС принята на основании 3х предложений, находящимся в отрытом доступе, и составляет 1795 руб. без НДС [7][8][9].

Затраты на реализацию проекта: 18*1795 = 32,31 тыс. руб. без НДС

Срок окупаемости проекта: 32,31/18,23 = 1,77 лет (1 год 9 мес.)

Заключение

Как видно из расчета, простой срок окупаемости замены тепловой изоляции составляет 1 год 9 месяцев для небольшого участка тепловой сети, что делает этот вид работ экономически оправданным. Если теплоснабжающая компания будет производить замену тепловой изоляции в больших объемах, например в рамках программы энергосбережения предприятия, и выполнять оптовые закупки материала, то эффект будет еще выше, за счет снижения оптовой цены закупки материалов.

Литература

1. Федюхин А.В., Ахметова И.Г., Соловьев С.А. Анализ эффективности применения современных теплоизоляционных материалов для высокотемпературных трубопроводов // Глобальная энергия. 2022. Т. 28, No 4. С. 79-89. DOI: https://doi.org/10.18721/JEST.28405

2. Замена трубопроводов в минераловатной изоляции на предизолированные трубы в пенополи-мерминеральной изоляции / Н.М. Попова, Д.М. Чу-динов, М.А. Долбилова, Е.В. Чуприна // Градостроительство. Инфракструктура. Коммуникации. 2023. № 1 (30). С. 17-23.

3. Официальный сайт производителя ООО «УРСА Евразия»,

URL: https://www.ursa.ru/products/terra/terra-34-rn/ (дата обращения 10.05.2023).

4. СП 41-103-2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов», Госстрой России, г. Москва, - 42 с.

5. СП 131.13330.2018. Строительная климатология СНиП 23-01-99*, (Утв. Приказом Минстрой России 28.11.2018 №763-ПР), г. Москва - 107 с.

6. Утвержденные тарифы ПАО «МОЭК»,

URL:

https://www.moek.ru/d/textpage/6d/109/tarifnoe-menyu-pao-moehk-na-2019-2023-gg-dlya-sajta-i-bz.pdf?ysclid=lhibx92h1f268564226 (дата обращения 10.05.2023).

7. Электронный ресурс компании ООО ТСК Дипломат, URL: https://tskdiplomat.ru/catalog/izolyatsionnye_materialy/ heat_insulation/glass_wool/ursaterra_34_rn_100_mm_ 1200kh4800_tekhnicheskiy_mat.html_(дата обращения 10.05.2023).

8. Электронный ресурс компании «ТеплоТорг», URL: https://minvata-spb.ru/uteplitel-ursa-terra-

tehnicheskij-mat-100-1200-4800/_(дата обращения

10.05.2023).

9. Электронный ресурс компании ООО «Областная Керамика», URL: https://obl-ceram.ru/catalog/mineral_blocks/17362/?ysclid=lhicx8 c97t445709531 (дата обращения 10.05.2023).

Replacement of thermal insulation of heating pipelines to improve energy

efficiency Putilov S.S.

EnergoExpert Group LLC

This article discusses the technical and economic calculation of savings in thermal energy losses during its transportation through a heating network with a temperature schedule of 95-70 ° C for Moscow conditions when replacing outdated thermal insulation of the pipeline with modern insulating materials. The calculation of heat energy losses in each section of the considered heating network of the direct and return pipelines was made separately for the option of insulation with obsolete mineral wool and for the option using modern insulating materials. The calculation was made taking into account the different coefficient of thermal conductivity of the wall material of the insulated object of two insulation options. The calculation of the simple payback period of the event was carried out, taking into account the tariff without VAT for compensation for heat losses of PJSC MOEK, as a role model. Economic calculation showed the feasibility of replacing the thermal insulation of the heating pipeline. Keywords: thermal insulation, mineral wool, energy efficiency, energy

conservation, heat savings, pipelines, heating References

1. Fedyukhin A.V., Akhmetova I.G., Soloviev S.A. Analysis of the effectiveness

of the use of modern heat-insulating materials for high-temperature pipelines // Global Energy. 2022. V. 28, No 4. S. 79-89. DOI: https://doi.org/10.18721/JEST.28405

2. Replacement of pipelines in mineral wool insulation with pre-insulated pipes

in foam polymer-mineral insulation / N.M. Popova, D.M. Chudinov, M.A. Dolbilova, E.V. Chuprina // Urban planning. Infrastructure. Communications. 2023. No. 1 (30). pp. 17-23.

3. Official website of the manufacturer URSA Eurasia LLC,

URL: https://www.ursa.ru/products/terra/terra-34-rn/ (accessed 05/10/2023).

4. SP 41-103-2000 "Design of thermal insulation of equipment and pipelines",

Gosstroy of Russia, Moscow, - 42 p.

5. SP 131.13330.2018. Building climatology SNiP 23-01-99 *, (Approved by

Order of the Ministry of Construction of Russia on November 28, 2018 No. 763-PR), Moscow - 107 p.

6. Approved tariffs of PJSC MIPC,

URL: https://www.moek.ru/d/textpage/6d/109/tarifnoe-menyu-pao-moehk-na-2019-2023-gg-dlya-sajta-i-bz.pdf?ysclid=lhibx92h1f268564226 ( accessed 10.05.2023).

7. Electronic resource of TSK Diplomat LLC, URL: https://tskdiplomat.ru/catalog/izolyatsionnye_materialy/heat_insulation/gla ss_wool/ursaterra_34_rn_100_mm_1200kh4800_tekhnicheskiy_mat.html (accessed 10.05.2023).

8. Electronic resource of the TeploTorg company, URL: https://minvata-

spb.ru/uteplitel-ursa-terra-tehnicheskij-mat-100-1200-4800/ (accessed 10.05.2023).

9. Electronic resource of the company Regional Ceramics LLC, URL: https://obl-

ceram.ru/catalog/mineral_blocks/17362/?ysclid=lhicx8c97t445709531 (date of access 10.05.2023).

О *

о

X

о

s

s *

8)

с т ■и о s т о а г

о т

п

8)