Об энергоэффективности систем отопления и теплоснабжения зданий

К.т.н. В.Л. Грановский, технической директор,
ООО «Данфосс»

В целом, считаю статью В.Л. Ливчака полезной и, в основном, правильно отражающей основные принципы и подходы к обеспечению энергоэффективности систем теплоснабжения и отопления зданий.

В то же время, считаю необходимым прокомментировать некоторые спорные утверждения и рекомендации автора.

1. О необходимости участия независимого коммерческого оператора при осуществлении взаиморасчетов между потребителем и поставщиком ресурсов по приборам учета.

При переходе на приборный учет тепла рядом специалистов, в том числе и автором данной статьи, предлагается введение коммерческого оператора, как независимого третьего лица для исключения злоупотреблений при взаимодействии между поставщиком и потребителем тепла. Основная аргументация — никто никому не доверяет.

Представляется, что данное предложение неоправданно. Во-первых, неправомерно навязывать контролера договаривающимся сторонам — это противоречит юридической логике договорных отношений. Правомерно только добровольное включение контролера или аудитора в схему взаимодействия сторон. Во-вторых, понятие «независимости» третьего лица сомнительно. Кто оно и каков будет его интерес в этом бизнесе? Если оператор будет иметь статус государственного учреждения, то это отнюдь не гарантирует защиту от злоупотребления. Организации, поставляющие ресурсы, как правило, являются государственными или с большой долей государственного капитала. Так кто кого будет контролировать? В случае статуса оператора как коммерческой структуры вопросов еще больше.

Так что, скорее всего, в стандартной схеме, расчеты должны производиться по договору между поставщиком ресурсов и ТСЖ или УК (управляющей компанией). При необходимости, любая из сторон может нанять специализированного аудитора для проверки корректности выполнения договорных отношений.

2. Возможное повышение размера платежей при переходе на инструментальный расчет по фактическому потреблению.

Автором статьи отмечено, что при введении приборного учета возможна ситуация, когда платежи по показаниям приборов учета окажутся выше, чем платежи по нормативам. Эта ситуация, по мнению автора, может привести к социальному напряжению. В принципе, автор прав. Такая ситуация возможна. Известно плачевное состояние жилого фонда, и очевидна опасность возникновения многих конфликтов.

Если при переходе на приборный учет, платежи окажутся выше, чем ранее по нормативу, то это свидетельствует о неготовности здания к энергосберегающей эксплуатации. В этом случае было бы несправедливо «силовым» методом переводить жильцов на оплату по показанию приборов с момента установки приборов учета. Но также неверно оставлять старую систему расчета по нормативам, чтобы якобы избежать социального напряжения. Этим будет практически исключена мотивация к энергосбережению при эксплуатации здания.

Представляется актуальным введение некого механизма, обеспечивающего, с одной стороны, защиту жильцов от завышенных не по их вине платежей и, с другой стороны, стимулирующего мероприятия по повышению энергоэффективности здания, что, в свою очередь, должно привести к снижению платежей.

На наш взгляд, в этом случае, необходимо предоставить жильцам возможность оплаты по старой схеме, своего рода амнистия, на период принятия решения и выполнения необходимых мероприятий по повышению энергоэффективности здания. Срок окончания действия амнистии должен соответствовать сроку реализации мероприятий, но не должен быть бесконечным. Иначе у ТСЖ или УК не будет стимула к скорейшему выполнению мероприятий. Указанные подходы должны быть прописаны законодательно.

Перечень мероприятий по повышению энергоэффективности здания зависит от конкретных условий и может варьироваться от минимального до максимального.

К мероприятиям по минимальному перечню следует отнести следующие:

■ мероприятия, выполняемые самими жильцами на уровне квартиры (утепление, ремонт или замена окон и входных дверей в квартиру);

■ мероприятия, входящие в обязательный регламент работ по эксплуатации здания, выполняемых эксплуатирующей организацией и оплачиваемых ежемесячно жильцами (утепление, ремонт или замена входных дверей и окон (продухов) в подъездах, подвалах, чердаках и на лестничных клетках, ремонт теплоизоляции магистральных трубопроводов системы отопления в подвалах и чердаках, отладка гидравлики системы отопления и узла ввода и т.п.);

■ мероприятия, которые сегодня являются обязательными, в соответствии с требованиями ФЗ № 261, такие как организация индивидуального учета тепла и связанные с ними мероприятия по оснащению отопительных приборов терморегуляторами. Эти мероприятия должны быть профинансированы муниципальными органами на долевой или 100%-ой основе.

К мероприятиям по максимальному перечню следует отнести следующие:

■ Утепление наружного ограждения здания и замена окон.

■ Модернизация системы отопления (термостатика, балансировка и пр.).

■ Модернизация (замена) узла ввода — установка АУУ или ИТП.

■ Организация подомового и индивидуального учета.

Данные мероприятия могут быть выполнены за счет муниципального или федерального бюджета (100% или в доле с жильцами), при наличии целевой программы по термомодернизации или по схеме энергосервисного контракта.

Стимулом для выполнения любого перечня мероприятий по оптимизации энергозатрат для жильцов, а через их давление — для ТСЖ или УК, будет согласованный срок окончания действия амнистии и переход на платежи по показаниям приборов учета.

3. Коррекция графика температур теплоносителя.

В ходе изложения материала, автор несколько раз в различных аспектах рекомендует использовать корректировку температурного графика, как инструмент снижения энергозатрат. Соглашаясь, в принципе, с актуальностью обеспечения графика температур теплоносителя, адекватного оснащению, состоянию и условиям эксплуатации здания и системы отопления, хотелось бы предостеречь от ошибок, при коррекции графика.

Недопустимо производить корректировку (снижение) температурного графика только на основе данных по теплопотреблению на вводе в здание. Выявленные при этом превышения теплопотребления здания по сравнению с нормативными являются лишь сигналом к тщательному обследованию здания и приведению системы отопления в проектное состояние, соответствующее требованию норм. Это, прежде всего, означает обеспечение следующей комплектации и условий эксплуатации системы отопления:

■ подача теплоносителя в систему отопления по утвержденному графику в зависимости от температуры наружного воздуха;

■ проектное распределение потока теплоносителя по стоякам, автоматически поддерживаемое в течение всего отопительного сезона;

■ автоматическое регулирование теплоотдачи отопительных приборов;

■ функционирующие системы подомового и индивидуального учета.

После выполнения всех перечисленных мероприятий и приведения системы отопления в проектное состояния следует вновь оценить фактическое тепло- потребление здания. Если оно вновь окажется выше нормируемого, следует произвести корректировку температурного графика. Только указанная последовательность действий позволит исключить опасность нарушения нормативных комфортных условий проживания и жалоб со стороны жильцов. В противном случае, корректировка (снижение) графика приведет к отставанию стояков, жалобам на недотопы и, как результат, перерасходу тепловой энергии.

4. Применение пофасадного регулирования.

В статье достаточно настойчиво рекомендуется применение пофасадного регулирования в качестве одного из важнейших энергосберегающих мероприятий. Данное техническое решение автором предлагается к использованию уже более 30 лет. В свое время оно было актуально как результат большой исследовательской работы, проведенной много лет назад профильной лабораторией МНИИТЭП и как одно из возможных решений по энергосбережению при отсутствии арматуры для индивидуального регулирования. Однако и в то время данное решение не нашло широкого применения. Прежде всего, в силу своей дороговизны — необходимо применение практически двух автоматизированных узлов ввода, по одному на каждый фасад. Кроме того, есть еще один существенный недостаток, присущий данному техническому решению. Коррекция температуры теплоносителя осуществляется по температуре внутреннего воздуха контрольных помещений или по температуре вытяжного воздуха в центральной вытяжной шахте «теплого» чердака. Однако данная температура не отражает всего многообразия условий эксплуатации каждой квартиры или помещения, что приводит к недотопу или избыточному проветриванию при перетопах в ряде помещений.

В современных условиях, когда применение термостатических клапанов стало обыденной практикой, как в силу нормативных требований и фактической необходимости для реализаций задач индивидуального регулирования и учета, так и по желанию жильцов, почувствовавших удобство и эффективность данного устройства, пофасадное регулирование практически потеряло свой смысл и актуальность. При наличии термостатов пофасадное регулирование может быть использовано только для коррекции температуры в стояках одного из фасадов вертикальных систем отопления. Однако это слишком дорогое техническое решения для столь малой доли сберегаемого тепла.

Энергоэффективные системы отопления:
тенденции, практика, проблемы

В. Л. Грановский, канд. техн. наук, заместитель технического директора ООО «Данфосс», otvet@abok.ru

Появившиеся в последнее время нормативы, устанавливающие классы энергоэффективности зданий в зависимости от уровня их теплопотребления, ставят аналогичную задачу и перед отдельными элементами инженерных систем здания. Суть этой задачи состоит в выборе наиболее энергоэффективного оборудования или технического решения по каждому из элементов систем, чтобы в финале процесса проектирования прийти к нормируемому уровню теплопотребления всей системы, соответствующему заданному классу энергоэффективности.

Для системы водяного отопления энергоэффективный уровень теплопотребления может быть обеспечен при следующем наборе функций и возможностей:

• автоматическое поддержание температурного графика на вводе в здание;
• качественно-количественное регулирование теплоотдачи системы, включающее терморегулирование на отопительных приборах и стояках;
• автоматическое поддержание требуемого/расчетного распределения потока теплоносителя по всем участкам системы;
• индивидуальный учет тепла, мотивированный оплатой по фактическому потреблению.

По конструктивному исполнению, укрупненно, можно выделить следующие варианты энергоэффективных систем отопления:

• система с горизонтальной поквартирной разводкой трубопроводов с различными конструктивными вариантами поквартирных тепловых пунктов или распределительных щитов, включающими различные комбинации автоматики регулирования, теплообменники контуров отопления и/или ГВС и др.;
• традиционная система отопления с вертикальными внутриквартирными стояками – однотрубная и двухтрубная, комплексно оснащенная приборами автоматического регулирования и учета тепла.

Возможны и другие конструктивные варианты систем и их комбинации.

Для систем с горизонтальной разводкой потенциал энергоэффективности и набор оборудования, обеспечивающий нормативный уровень теплопотребления, очевиден и описан в работах многих специалистов.

В то же время, потенциал повышения энергоэффективности традиционных вертикальных систем отопления для многих специалистов пока не очевиден. Однако он весьма значительный, и возможность модернизации таких систем следует рассмотреть более подробно, поскольку:

• данные системы являются наиболее массовыми в применении, особенно в существующем жилом фонде;
• радикальная конструктивная трансформация таких систем в горизонтальные в ходе модернизации слишком затратна.

Набор рекомендуемых ниже мероприятий позволяет довести уровень теплопотребления традиционных вертикальных систем отопления, практически, до нормативного по самому высокому классу энергоэффективности.

Модернизация узла ввода теплоносителя в здание

Важнейшим элементом системы отопления любого конструктивного исполнения является узел ввода теплоносителя в здание. Наиболее энергоэффективными решениями являются автоматизированный узел управления – АУУ (вариант зависимой схемы присоединения системы отопления) или индивидуальный тепловой пункт – ИТП (вариант независимой схемы присоединения с теплообменниками контура отопления и ГВС). В этих устройствах обеспечивается соблюдение температурного графика, адекватного температуре наружного воздуха и текущему теплопотреблению здания, а также надежная насосная циркуляция теплоносителя в системе отопления.

Экономический эффект от применения указанных устройств составляет от 10 до 30%, в зависимости от соответствия состояния здания проектным решениям и условий его эксплуатации.

Известен ряд альтернативных АУУ технических решений узла ввода, таких как:

• узел смешения теплоносителя с элеваторами с постоянным или изменяющимся коэффициентом смешения;
• узел без смешения теплоносителя; применяется при подаче в здание теплоносителя с температурой, равной расчетной температуре в системе отопления.

На наш взгляд, применение этих устройств и технических решений в энергоэффективных системах отопление неприемлемо. Техническая аргументация, квалифицированно обосновывающая неадекватность таких решений для современных систем отопления давно известна. Однако, по разным причинам, критика не всегда принимается во внимание.

Разовое применение таких решений приводит к возникновению проблем в единичном здании. Однако, когда допущение о применении элеватора включается в нормативы, в частности, в актуализированный СНиП ОВК, как это сделано сейчас, – это уже более серьезная ошибка, которая приведет к массовым превышениям нормируемого уровня энергоэффективности во вновь возводимых и модернизируемых зданиях.

В подтверждении этого можно сослаться на работу коллег из ВТИ [1], в которой рассмотрен ряд возможных схем автоматизированных элеваторных узлов смешения. В работе детально проанализированы основные недостатки каждой из схем. Общим является то обстоятельство, что для обеспечения адекватной работоспособности таких устройств необходимо поддержание в системе отопления постоянного и малого по своей величине гидравлического сопротивления. Однако эти требования практически невыполнимы при наличии в системе отопления терморегуляторов и другой арматуры автоматического регулирования.

Отметим также негативную эксплуатационную практику применения таких элеваторов.

С учетом сказанного, считаем актуальным просить авторов проекта актуализированной версии СНиП ОВК исключить рекомендацию по применению элеваторных узлов в системах отопления зданий как противоречащую требованию по обеспечению нормативного энергоэффективного уровня теплопотребления.

Поддержание расчетного распределения потока теплоносителя

Данное мероприятие позволяет исключить перетопы или дефицит тепла на отдельных стояках традиционных вертикальных систем отопления. Такая возможность обеспечивается установкой на стояках автоматических балансировочных клапанов, поддерживающих постоянство перепада давления в стояках двухтрубных систем или постоянство расхода в стояках однотрубных систем отопления.

Для вертикальных двухтрубных систем отопления это мероприятие не вызывает вопросов у специалистов, однако относительно однотрубной системы ряд экспертов высказывают сомнения в его актуальности.

Эти сомнения базируются на следующем:

• значительное количество вертикальных однотрубных систем, особенно в типовом домостроении, рассчитано по методу переменных (скользящих) перепадов температур, что теоретически должно обеспечивать гидравлическую сбалансированность стояков;
• в однотрубных системах отопления даже при срабатывании термостатов поддерживается постоянный расход теплоносителя, то есть автоматизированный контроль и регулировка стояков не требуются.

По каждому из этих утверждений есть достаточно простая контраргументация. В частности, по методу расчета: известны расчетные ограничения этого метода, не позволяющие достаточно точно сбалансировать стояки [2]. Также не корректно утверждение о постоянстве расхода при коэффициенте затекания порядка 0,25 и при изменении расхода теплоносителя, связанного с изменением гравитационного давления в стояках. Все это достаточно легко показать в цифрах.

Однако все эти расчетные эффекты перекрываются влиянием ошибок и допущений, вносимых в систему отопления в массовом порядке при ее проектировании и монтаже, а также изменениями в конструкции системы, вносимыми жильцами в пределах квартиры.

Результаты обследования типовых секционных зданий показали разброс расхода теплоносителя на контрольных стояках в пределах ±30% относительно проектных значений. После установки балансировочных клапанов и их настройки на проектные значения дисбаланс не превышал ±3%.

В результате теплопотребление зданий снизилось на 7–12% за счет сокращения необоснованного проветривания в помещениях на «перегретых» стояках и снижения настроек автоматики узла ввода, защищающих отстающие стояки (рис. 1).

Энергоэффективность автоматической балансировки стояков

Терморегулирование стояков как средство качественного регулирования теплоотдачи

Следующий шаг в повышении энергоэффективности традиционной однотрубной системы отопления – обеспечить количественное регулирование теплоотдачи системы не только на уровне отопительных приборов, посредством термостатов, но и на стояках, посредством установки терморегуляторов в корне стояков, совместив их конструктивно с балансировочными клапанами. Принцип регулирования температуры стояка представлен на рис. 2.

Принципиальная схема функционирования стояков

Эффект обеспечивается путем сокращения расхода теплоносителя через конкретный стояк, температура теплоносителя в котором повышается в результате закрытия термостатов при избытке тепла в отдельных помещениях.

Результаты функционирования терморегулятора на одном из контрольных стояков представлены на рис. 3. Из графиков видно сокращение расхода теплоносителя в стояке как следствие повышения в нем температуры теплоносителя в результате закрытия термостатов на отдельных отопительных приборах. При этом температура воздуха в контрольном помещении не изменяется.

Результаты функционирования терморегулятора на контрольном стояке

Значения настройки данных устройств определяются в ходе обследования здания и выявления потенциала теплоизбытков. Наиболее эффективны «постоячные» терморегуляторы с электроприводом и системой автоматического контроля температуры теплоносителя в стояках.

Экономический эффект от применения терморегулирования стояков зависит от величины не учтенных в проекте избыточных теплопоступлений в здание, в том числе от избыточной поверхности нагрева отопительных приборов. По результатам обследования экспериментальных зданий эффект составил от 8 до 12% в зависимости от состояния здания.

Энергоэффективность отопительных приборов

Отопительные приборы во многом определяют энергоэффективность системы отопления. Выбор типа отопительного прибора не однозначен и требует анализа большого количества его свойств и особенностей. Для облегчения выбора, адекватного задаче энергоэффективности системы в целом, представляется целесообразным введение системы оценки классов энергоэффективности отопительных приборов, по аналогии с классификацией зданий.

Ниже, в порядке дискуссии, представлена идеология одного из возможных вариантов системы оценки класса энергоэффективности отопительных приборов. Система предполагает балльную оценку качества отопительных приборов по ряду показателей. Показатели могут быть представлены в виде количественной оценки – кВт,%, час и т.п., либо в виде качественной оценки – много, мало, высокий, низкий и т.п. Каждому классу энергоэффективности соответствует сумма баллов, набранная в результате экспертной оценки отопительного прибора по каждому из показателей. Ниже представлен пример такой системы оценки для определенных типов приборов.

Таблица 1 Пример определения класса энергоэффективности отопительных приборов

№ Показатели 5 баллов 4 балла 3 балла 2 балла 1 Инерционность +/ + 2 Регулируемость + + 3 Остаточная теплоотдача + + 4 Материалоемкость +/ + 5 Гидравлическое сопротивление + + 6 Доля радиационного теплообмена +/ + 7 ………………………………

Для представленных в табл. 1 показателей принимаем следующую классификацию энергоэффективности отопительных приборов по сумме баллов:

• класс А – 25–30 баллов;
• класс В – 18–24 балла;
• класс С – 12–17 баллов.

В качестве примера рассмотрим стальной пластинчатый конвектор типа КСК.

Пример 1

• автоматический терморегулятор на входе теплоносителя;
• «термотормоз» отсутствует;
• замыкающий участок отсутствует.
• Сумма баллов – 25 (см. черные кресты в таблице).

Класс энергоэффективности – А.

Пример 2

• автоматический терморегулятор на калаче;
• «термотормоз» на обратной подводке;
• замыкающий участок установлен.
• Сумма баллов – 22 (см. красные кресты в таблице).

Класс энергоэффективности – В.

Индивидуальный (поквартирный) учет тепла

Индивидуальный (поквартирный) учет тепла с оплатой по фактическому его потреблению является важнейшим фактором, мотивирующим жильцов к энергосбережению. Без этого мероприятия система энергосберегающих мероприятий остается «разомкнутой», базирующейся только на административных рычагах.

Известны следующие основные типы систем индивидуального учета тепла, применяемых для традиционных вертикальных однотрубных систем отопления:

• Система с аллокаторами (heat cost allocator – распределитель стоимости потребленной теплоты) на каждом отопительном приборе, регистрирующая разницу температур (∆t_алл) между поверхностью отопительного прибора и воздухом помещения. Расход теплоносителя регистрируется на домовом счетчике и участвует только в расчете подомового теплопотребления.
• Система с датчиками температур теплоносителя, установленными в стояке на каждом этаже, регистрирующая разницу температур (∆t_эт) теплоносителя в стояке в пределах каждого этажа. Расход теплоносителя регистрируется на каждом стояке и в подомовом теплосчетчике.

Для вертикальных двухтрубных систем отопления применяется только система с аллокаторами.

Обе указанные выше системы распределительные, принципы их работы достаточно подробно описаны в литературе. В данной статье рассматривается только один аспект – точность расчета теплопотребления. Эта информация должна позволить проектировщику сделать выбор между системами, адекватный задачам энергосбережения и защиты прав жильца на справедливую оплату за потребленное тепло.

* По данным [3], п. 4,7.

** С учетом погрешности расходомера на стояке – принято к расчету 3%.

В табл. 2 представлены диапазоны изменения перепадов температур ∆t_алл и ∆t_эт и соответствующие им погрешности вычислений σ_t в рассматриваемых системах индивидуального учета в зависимости от этажности здания и температуры теплоносителя в течение отопительного сезона.

При этом погрешность определения ∆t_эт рассчитана с учетом погрешности измерения датчика температур ∆t_дат = 0,05 °C.

В ходе эксплуатации системы, в силу ряда причин, возможно снижение точности измерения датчика. Для иллюстрации в табл. 2 в скобках представлены данные, рассчитанные для ∆t_дат = 0,1 °C для варианта с наибольшей погрешностью.

Как видно из таблицы, ∆t_алл >> ∆t_эт, при этом абсолютные значения ∆t_эт весьма малы. Оба эти обстоятельства существенно влияют на точность начисления платежей. Так, при среднем ежемесячном начислении за потребленное тепло, например 2000 руб., необоснованная переплата или недоплата отдельных жильцов может составить:

• 450–550 руб./месяц для системы с датчиками на стояках при ∆t_дат = 0,05 °C;
• 650–1 050 руб./месяц для системы с датчиками на стояках при ∆t_дат = 0,1 °C;
• 60–100 рублей в месяц для системы учета с аллокаторами.

Как видно из примера погрешность начисления платежей для системы с датчиками на стояках в несколько раз превышает погрешность системы с аллокаторами.

Очевидно, что ошибка начислений возможна в обе стороны: как в пользу жильца, так и в пользу поставщика ресурсов. В обоих случаях невозможно свести баланс по показаниям поквартирных и подомового счетчика, а также исключить жалобы со стороны жильцов или поставщика тепла, вплоть до судебных разбирательств.

В любом случае, при коммерческом расчете за тепло к применению следует рекомендовать систему индивидуального учета с наименьшей возможной погрешностью.

Таблица 2 Перепады температур ∆tалл и ∆tэт и соответствующие им погрешности вычислений σt

Этаж- ность Система учета с аллокаторами Система учета с датчиками на стояках Термостат открыт Термостат закрыт ∆tалл, °C σt, %* ∆tэт, °C σt, % σt, %** ∆tэт, °C σt, % σt, %** 5 16–65 5–3 1,6–0,9 5,5–3,2 6,3–4,4 0,4–0,9 12–7,3 12,3–7,9 9 18–70 5–3 0,9–2,8 7,4–4,3 8–5,2 0,2–0,6 17–9,5 17–10,3 12 18–70 5–3 0,7–2,1 8,6–4,9 9,1–5,7 0,1–0,4 19–11,2 19–11,4 17 18–70 5–3 0,5–1,5 10,2–5,8 10,6–6,5 0,1–0,3 22–13,3 23–13,6 25 19–73 5–3 0,3–1,0 12,3–7,1 12,7–7,7 0,1–0,2 27–15,8 26,8–16 (53–32)