Анализ работы системы отопления
Кто виноват, и что делать, если в здании холодно? Виновными в ситуации могут быть: проектировщики ограждающих конструкций здания, строители, разработчики и монтажники систем вентиляции и отопления, теплоснабжающая организация. Поняв, кто виноват, можно принять решение.
. – что делать. Прочитав статью до конца, вы сможете разобраться в этом вопросе максимум за час. Если не сможете – обращайтесь, поможем.
В установившемся режиме, когда в течение достаточно длительного промежутка времени остаются неизменными температура наружного воздуха, температура воздуха в здании, расход теплоносителя в системе отопления и его температуры на подаче и обратке, мощность системы отопления является величиной постоянной. Макросистема, состоящая из окружающей среды, здания и водяной системы отопления, находится в равновесном состоянии, ничего не изменяется. Вся поступающая тепловая энергия рассеивается в окружающее пространство через ограждающие конструкции (стены, пол, потолок, окна, двери), при этом внутри помещений температура воздуха стабильно сохраняется неизменной.
Опираясь на вышесказанное, можно достаточно просто создать укрупненный алгоритм анализа работы системы отопления любого здания при различных температурных условиях, используя замеры параметров, которые нужно сделать всего 1 раз, затратив на это не более 15 минут!
Для обеспечения приемлемой точности результатов расчетов из-за инерционности элементов выше обозначенной макросистемы желательно чтобы установившийся режим существовал не менее 10…15 часов для малогабаритных плохо утепленных строений и не менее 3…4 суток для больших хорошо утепленных корпусов.
Экспресс-анализ системы водяного отопления в Excel.
Запустим программу MS Excel и рассмотрим пример анализа отопления реального здания.
Исходные данные:
1. Первую группу значений исходных данных для выполнения расчета и анализа следует взять из проекта. Если проекта «под рукой» нет, то можно воспользоваться рекомендациями, приведенными ниже.
Например, для г. Москвы tнр=-26˚C, для г. Омска tнр=-37˚C. Обычно, но не всегда: tвр=+16С. +22С, tпр=+95…+85˚C, tор=+70…+60˚C. Для регистров из гладких труб n=1,32; для чугунных радиаторов МС-140-108 при подаче воды сверху — вниз n=1,30; для конвекторов n=1,30…1,35.
2. Вторую группу значений исходных данных необходимо получить, сняв показания уличного и внутреннего термометров, а также данные приборов учета ПОСЛЕ теплового узла. Нам нужны расход и температуры теплоносителя на входе в приборы отопления здания и на выходе из батарей.
Тестирование:
3. Тестирование здания и системы отопления выполняются автоматически после ввода исходных данных.
На этом этапе мы узнаем, сколько тепла потребляет здание с температурой внутри +16˚C в текущий момент при температуре наружного воздуха -20˚C.
Определим, какими будут тепловые потери здания при -37˚C на улице.
Рассчитаем максимальную мощность системы отопления, которая может быть достигнута при расчетном расходе теплоносителя и температуре на подаче +90˚C.
Вычислим величину этого расчетного расхода воды в системе. Обращаю ваше внимание, что расход воды в системе, по-хорошему, должен быть больше, чем реальный в момент снятия показаний.
Определим эффективность работы системы отопления.
Полученное значение эффективности 91,7% говорит о том, что суммарная мощность приборов отопления здания на 8,3% меньше необходимой. Возможно, теплотехники все сделали правильно, а строители не обеспечили необходимую теплозащиту здания, а возможно — это просчет теплотехников… Так или иначе, но отклонение показателя эффективности на ±5…10% можно считать не критическим и в большинстве случаев исправимым за счет настройки теплового узла без значительных материальных затрат.
Моделирование:
4. Используя результаты тестирования можно смоделировать любую ситуацию. Давайте посмотрим, что будет при лютом холоде -37˚C и работе системы отопления на максимальных режимах. Задаем температуру наружного воздуха, температуру воды на подаче и расход (смотри скриншот выше).
5. Результаты моделирования работы системы отопления вычисляются программой без участия пользователя.
В результатах мы видим – воздух в здании нагреется лишь до +14,1˚C, система отопления не обеспечивает необходимые +16˚C.
Еще хуже будет ситуация, если мы вместо расчетного расхода теплоносителя введем в программу фактический на момент снятия показаний расход воды.
Температура в здании будет еще меньше на 1˚C — +13,1˚C.
Заключение.
Тестирование можно выполнить несколько раз при различных температурах наружного воздуха и усреднить результаты для получения большей верности.
Не стоит ждать от программы абсолютной точности до десятых долей градуса и даже – до градуса, потому что с такой же точностью необходимы значения и всех исходных данных, а так же продолжительная устойчивая погода, предшествующая снятию показаний приборов. Тем не менее, достаточная практическая точность рассмотренным методом обеспечивается.
Используя результаты моделирования, можно построить рабочий температурный график отопления для конкретного здания при сложившихся условиях эксплуатации и сравнить его с графиком теплоснабжающей организации.
Выполнив с помощью представленной программы анализ системы отопления, вы поймете, что нужно делать – утеплять стены и потолок (это никогда не вредно, но дорого), или добавлять (снимать) приборы отопления, или следует потребовать от энергетиков более жесткого соблюдения температурного графика подачи теплоносителя.
Программа помогает быстро, просто и точно определить из-за чего возникли проблемы с отоплением и «поставить пациенту правильный диагноз».
Желающих приобрести программу или заказать анализ системы отопления прошу обратиться через страницу обратной связи.
Ниже представлен скриншот варианта реализации программы в виде exe-файла.
Оценка эффективности и экономичности работы системы теплоснабжения в реальных условиях
А.А. Зубанов, директор, ООО «Ивтеплоналадка», г. Иваново
Термины и определения
В преддверие отопительного сезона тема наладки системы теплоснабжения является злободневной для многих теплосетевых организаций и промышленных предприятий, эксплуатирующих свои системы теплоснабжения.
Причём, уважаемых специалистов, в первую очередь, волнует вопрос – все ли подключённые объекты отапливаются «как надо» и нет ли жалоб от потребителей. Однако, прежде всего они должны быть заинтересованы в другом – насколько эффективно и экономично работает система теплоснабжения и предприятие в целом.
Эти вопросы должны возникать ещё на стадии анализа результатов прошедшего отопительного сезона потому, что когда возникает шквал жалоб потребителей, то про эффективность и экономичность думать уже поздно, – нужно предпринимать меры для преодоления сложившейся ситуации любыми силами и средствами, не думая о лишних затратах.
Что же имеется ввиду под термином «отрегулированная система теплоснабжения»? Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок (ПТЭ ТЭ, утв. приказом Минэнерго России от 24.03.2003 г. № 115) определяют систему теплоснабжения, как «Совокупность взаимосвязанных источников теплоты, тепловых сетей и систем теплопотребления».
Лучше здесь не скажешь, предлагаем только расширить формулировку: «совокупность взаимосвязанных источников теплоты, тепловых сетей и систем теплопотребления, имеющих общий или взаимозависимый гидравлический режим работы».
Кроме того, хотелось бы уточнить, что далее речь пойдёт о системах теплоснабжения, источники теплоты которых отпускают тепловую энергию в сетевой воде по графику качественного регулирования, а не как-то по-другому. Это связано с тем, что подавляющее большинство систем теплоснабжения в нашей стране всё ещё работают именно по этому графику, а также с тем, что анализ эффективности и экономичности систем теплоснабжения, работающих по графику количественно-качественного или количественного регулирования имеют свои отличия и особенности.
Теперь необходимо определиться с термином «отрегулированная» (налаженная и т.п.) применительно к системе теплоснабжения.
С одной стороны, Отраслевой стандарт ОСТ 36-68-82 «Тепловые сети. Режимная наладка систем централизованного теплоснабжения» (утв. приказом Министерства монтажных и специальных строительных работ СССР от 21.07.1982 г. № 171) трактует это так: «Режимная наладка системы централизованного теплоснабжения заключается в обеспечении расчётных температур внутри отапливаемых помещений и заданных режимов работы калориферных, водоподогревательных и различного рода технологических установок, потребляющих тепловую энергию от тепловой сети при оптимальном режиме работы системы в целом».
С другой стороны, тот же ОСТ говорит о следующем: «2.1.2. Задачи регулирования систем централизованного теплоснабжения включают:
— обеспечение источником тепла заданных гидравлического и теплового режимов;
— обеспечение расчётного расхода теплоносителя по всем подключённым к тепловой сети системам теплопотребления, а также по теплопотребляющим приборам; при несоответствии фактических расходов расчётным производится корректировка устройств, с помощью которых распределяется теплоноситель (дроссельных диафрагм, сопл элеваторов, автоматических устройств);
— обеспечение расчётных внутренних температур воздуха в помещениях; при несоответствии установленной поверхности нагрева фактическим теплопотерям помещения эту поверхность изменяют.
2.4.1. Регулирование систем теплопотребления и отдельных теплопотребляющих приборов базируется на проверке соответствия фактических расходов воды расчётным (определение относительных расходов воды).
Степень соответствия фактического расхода воды расчётному определяется температурным перепадом воды в системе или в отдельном теплопотребляющем приборе».
Таким образом, в качестве «отрегулированной или налаженной системы теплоснабжения» можно принять ту систему, режимы работы которой отвечают следующим критериям:
1. Система должна иметь разработанный и утверждённый гидравлический режим работы;
2. Система должна иметь разработанный и утверждённый тепловой режим работы;
3. Система должна иметь разработанный и утверждённый температурный график.
На базе этих документов для системы несложно определить:
1. По гидравлическому расчёту, вернее, расчёту гидравлического режима работы – оптимальный расход сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах;
2. По тепловому режиму работы, вернее, графику отпуска тепла в сетевой воде от источника теплоты – величину отпуска тепловой энергии при каждой температуре наружного воздуха;
3. По температурному графику, вернее, графику температур сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах – температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах системы теплоснабжения в зависимости от температуры наружного воздуха.
Всего этого более чем достаточно для того, чтобы определить текущий уровень эксплуатации системы теплоснабжения. Нужно только, используя данную информацию в качестве нормативной, выполнить сравнительный анализ нормативных и фактических режимов работы системы теплоснабжения на основании результатов учёта её фактических режимов работы за достаточно продолжительный период времени, например, – отопительный период, месяц или сутки. Чаще выполнять такой анализ смысла не имеет, так как ПТЭ ТЭ регламентирует: «Температура воды в подающей линии водяной тепловой сети, в соответствии с утверждённым для системы теплоснабжения графиком, задаётся по усреднённой температуре наружного воздуха за промежуток времени в пределах 12-24 ч.» (п. 6.2.59).
Анализ работы системы теплоснабжения
В качестве наглядного примера рассмотрим работу системы теплоснабжения одного крупного города N:
— источник теплоснабжения – ТЭЦ;
— система теплоснабжения – закрытая;
— температурный график – 140/70 о С;
— присоединённая нагрузка – 65 Гкал/ч.
Для анализа удобно воспользоваться электронными таблицами, например, в формате Excel, так как они позволяют выполнить дальнейшую обработку данных: их сортировку и построение сравнительных графиков.
На рис. 1 представлены результаты ежесуточного учёта температур сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах, сопоставленные с данными среднесуточных температур наружного воздуха.
В данном случае становится ясным, что источник теплоты достаточно точно выдерживает режим работы в диапазоне температур наружного воздуха от плюс 8 до минус 18-19 о С. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха температура воды в подающем трубопроводе занижена относительно графика. Имеющаяся необоснованная срезка графика по температуре сетевой воды в подающем трубопроводе на 105 – 110 о С – это факт, и это – реальный режим системы!
Рисунок 1. Сопоставление температуры сетевой воды по подающим и обратным трубопроводам от ТЭЦ-1 в системе теплоснабжения города N с нормируемыми значениями.
Каковы причины появления данной срезки и какое влияние такой график оказывает на другие показатели работы системы – другой вопрос. Более того, анализ показывает, что никто и не собирался выдерживать требования температурного графика по Т1 ниже минус 18-19 о С наружного воздуха, а значит, не будет соблюдаться и заявленная срезка графика на 130 о С при минус 27 о С.
Сравнительный анализ температур сетевой воды в обратном трубопроводе показал, что температурный график обратной сетевой воды (Т2) во всём диапазоне температур наружного воздуха завышен на 10-12 о С, что является грубейшим нарушением требований ПТЭ ТЭ.
Далее проанализируем данные по расходу сетевой воды в подающем трубопроводе. Из рис. 2 видно, что расход сетевой воды в рассматриваемой системе завышен в диапазоне температур наружного воздуха от 0 (то есть, от точки излома) до минус 21 о С примерно на 20-22% от расчётного значения!
Зато в диапазоне от +8 до 0 о С (до точки излома графика) этот расход лежит практически в норме! Это говорит о том, что потребитель (или теплоснабжающая организация) очень интенсивно попытался внедрить автоматику погодного регулирования в данной тепловой сети и ему это удалось.
О чём это говорит? Является ли потребитель новатором, который стремится внедрить современные энергосберегающие технологии или он слегка лукавит?
Внедрение современных энергосберегающих технологий в повседневную жизнь и процесс эксплуатации систем теплоснабжения – безусловно, явление очень нужное, развитие нельзя остановить, ему нужно только всегда соответствовать. В данном случае случилась так, что, автоматизировав систему теплоснабжения, данный экспериментатор не учёл ни вопросов надёжности теплоснабжения, ни вопросов резервирования тепловой сети, ни режимных вопросов в полном объёме – то есть, действовал наугад. Получил, естественно, проблемы с циркуляцией в тепловой сети, проблему с располагаемыми напорами на теплопунктах потребителей, перерасход электроэнергии на перекачку, повышенные потери тепла через изоляцию, опасность остановки циркуляции, опасность раздавливания нижних этажей потребителей и …, самое для него главное – необходимость либо гнать его в шею, либо всем теперь переделывать свои теплопункты за свои деньги, например, для перехода на независимую схему по режимам работы, которые были навязаны потребителям извне…
Рисунок 2. Сопоставление фактического расхода сетевой воды по подающим трубопроводам от ТЭЦ-1 в системе теплоснабжения города N с нормируемыми значениями.
Рисунок 3. Сопоставление фактического отпуска тепловой энергии в сетевой воде в системе теплоснабжения города N с нормируемыми значениями.
По результатам анализа следующего графика (рис. 3) выясняется, что человек, определённо, новатор, вот только – в чью сторону? Линия тренда, пересекающая линию средненедельной нагрузки ГВС, показывает ориентировочную температуру воздуха внутри объёма отапливаемых помещений, включая подъезды! Так заставлять потребителей платить деньги по приборам учёта за тепло, которое в таком количестве при данной температуре наружного воздуха им просто не нужно – это определённо «новаторство».
Опять же данный график демонстрирует, что, автоматизировав систему теплоснабжения, данный экспериментатор работает в соответствии с требованиями графика поставки тепла только в зоне спрямления на ГВС – во всём остальном диапазоне температур наблюдается значительный «перетоп» потребителей.
Следующий график (рис. 4) наглядно демонстрирует, что подпитка практически полностью повторяет график изменения расхода, что позволяет сделать вывод о том, что даже установка регуляторов погодного регулирования, к великому сожалению, никак не отражается на пропускной способности трубопроводов сетевой воды, вследствие чего потребители вынуждены устраивать организованные сливы сетевой воды для хоть какого-то сохранения подобия располагаемого напора на теплопункте.
Рисунок 4. Сравнительный анализ нормативной и фактической подпитки от ТЭЦ-1 в системе теплоснабжения города N.
Выводы по результатам действий «экспериментатора»:
1. Гнать его в шею и возвращать необходимые режимы теплоснабжения,
2. Увеличивать диаметры трубопроводов для увеличения их пропускной способности и ликвидации подпитки – правда, за счет повышения ТАРИФОВ для населения.
Сложно выбрать, правда?
Остаётся неосвещённым ответ на самый главный вопрос – как и на основании чего определяются эти нормативные значения?
1. Нормативные значения разрабатываются на основании Раздела 2.5 ПТЭ ТЭ: «2.5.4. Организация периодически, но не реже одного раза в 5 лет, проводит режимно-наладочные испытания и работы, по результатам которых составляются режимные карты, а также разрабатываются нормативные характеристики работы элементов системы теплоснабжения. По окончании испытаний разрабатывается и проводится анализ энергетических балансов и принимаются меры к их оптимизации.
Ежегодно техническим руководителем организации утверждается перечень тепловых энергоустановок, на которых запланировано проведение режимно-наладочных испытаний и работ и сроки их проведения.
Характеристики и нормативы доводятся до эксплуатационного персонала в форме режимных карт, таблиц, графиков или приводятся в эксплуатационных инструкциях.
2.5.5. На тепловых энергоустановках внеочередные режимно-наладочные испытания и работы производятся в случаях:
— модернизации и реконструкции;
— изменения характеристик сжигаемого топлива;
— изменения режимов производства, распределения и потребления тепловой энергии и теплоносителя;
— систематического отклонения фактических показателей работы тепловых энергоустановок от нормативных характеристик.
2.5.6. Энергетические характеристики тепловых сетей составляются по следующим показателям: тепловые потери, потери теплоносителя, удельный расход электроэнергии на транспорт теплоносителя, максимальный и среднечасовой расход сетевой воды, разность температур в подающем и обратном трубопроводах».
2. Нормативные значения разрабатываются в соответствии с Методическими указаниями по составлению энергетических характеристик для систем транспорта тепловой энергии (СО 153-34.20.523(3)-2003, утв. приказом Минэнерго России от 30.06.2003 г. № 278) – в пяти частях, для всех систем теплоснабжения с подключённой нагрузкой потребителей 10 Гкал/ч и выше.
Вывод
Для оценки эффективности работы системы теплоснабжения с целью отладки и балансировки всей системы теплоснабжения, а также для того, чтобы потребитель мог грамотно внедрить энергосберегающие мероприятия на своих объектах, недостаточно одного температурного графика. Ведь при этом расход, потребление тепла и напоры потребителем не контролируются, а всецело зависят от работы теплоснабжающей организации, которая, к тому же, всегда может сослаться на повышенную температуру сетевой воды в обратном трубопроводе.
Поэтому необходимо разрабатывать следующие зависимости от температуры наружного воздуха:
— температуры сетевой воды в подающем трубопроводе,
— температуры сетевой воды в обратном трубопроводе,
— расхода сетевой воды в подающем трубопроводе,
— расхода сетевой воды в обратном трубопроводе,
— отпуска тепла в гидравлически изолированную систему от источника теплоты (потребление тепла конкретным потребителем),
— подпитки системы теплоснабжения,
— напоров по контрольным точкам у потребителей.
