Особенности режимов работы систем теплоснабжения в условиях автоматизации потребителей тепла

Н.М. Черковский,
ведущий инженер ОАО «Белэнергоремналадка»
(по материалам «Энергия и менеджмент», № 6( 15))

Тезис об автоматизации потребления тепла выдвинут и остается непререкаемым со времен начала развития теплофикации, т.е. уже почти 80 лет. Но даже сегодня, когда термины «ПЭВМ», «контроллер», «чип» приобрели, казалось бы, обыденность, системы теплоснабжения по оснащенности комплексной автоматикой являют удручающую картину (хотя и следует отметить определенные усилия, предпринимаемые сейчас для сдвига этой проблемы к положительному решению).

Если для потребителя тепла автоматизация -это снижение затрат на теплоснабжение, то для системы теплоснабжения — это появление дополнительных затрат, связанных с обеспечением переменных режимов, как температурного, так и гидравлического. Наиболее сложными для нее представляются переменные гидравлические режимы.

Покажем диапазоны изменения расходов сетевой воды при различных уровнях автоматизации.

Гидравлический режим

Автоматизированное ГВС и неавтоматизированное отопление. На рис. 1-4 приведены пьезометрические графики и графики относительных расходов сетевой воды при различных способах регулирования давления на источнике (в дневной и ночной периоды).

При регулировании давления Р1 в коллекторе источника в ночное время (рис. 1) из-за полного прекращения циркуляции через ПГВ (подогреватели горячего водоснабжения) у всех без исключения потребителей вырастают располагаемые напоры и, как следствие, циркуляция через отопительные системы. У близлежащих к источнику потребителей наблюдается рост циркуляции примерно в 1,06 раза, у концевых — в 1,71 раза (см. рис. 4).

При регулировании давления по располагаемому напору АН последнего абонента (рис. 2) у всех остальных потребителей располагаемые напоры снизятся и, как следствие, снизится циркуляция через отопительные системы. У близлежащих к источнику потребителей наблюдается снижение циркуляции до

0,64 от дневной (см. рис. 4).

При регулировании давления по располагаемому напору среднего абонента (рис. 3) у одних потребителей располагаемые напоры вырастут, а у других снизятся. У близлежащих к источнику потребителей наблюдается снижение циркуляции до

0,78 от дневной, а у последнего абонента — рост до

1,26 от дневной (см. рис. 4).

Столь значительные колебания расходов сетевой воды происходят из-за существенной доли ГВС в суммарной нагрузке (до 80% и выше) и из-за низкой гидравлической устойчивости, что характерно для большинства наших систем теплоснабжения.

Автоматизированное ГВС и автоматизированное отопление. На рис. 5 даны зависимости относительных расходов сетевой воды от температуры наружного воздуха при температурном графике с нижним изломом Т1 _{н из}. =70 ОС.

Расчетные расходы сетевой воды на отопление и ГВС являются максимальными при наружной температуре т_{н из}., соответствующей нижнему излому температурного графика.

Расход на отопление при температурах наружного воздуха ниже точки излома равен расчетному, при температурах наружного воздуха выше точки излома должен снижаться до

0,5 от расчетного для Т_{н в}. =8 ОС.

Расход на ГВС при температурах наружного воздуха выше точки излома равен расчетному, при температурах наружного воздуха ниже точки излома должен снижаться до

0,2 от расчетного для Т_{н в}. = -24 ОС.

Суммарные дневные расходы изменяются от максимального значения (1,0 при температуре начала нижнего излома) до 0,75 при Т_{н в}. = 8 ОС и до 0,65 при Т_н._в. = -24ОС.

Суммарные ночные расходы в течение отопительного сезона могут изменяться от 0,2 до 0,5 от расчетного значения, определенного при наружной температуре т_низ.. соответствующей нижнему излому температурного графика.

Температурный режим

Автоматизация потребителей тепла налагает на источники теплоснабжения очень жесткие ограничения по отклонениям температур прямой сетевой воды.

Расчеты показывают, что при снижении температуры прямой сетевой воды на 10 ОС в точке нижнего излома (при Т_нв» + 3,2 ОС) расход из тепловой сети на отопление должен увеличиться в

1,9 раза, а при снижении на 15 ОС — в 3 раза.

При Т_{н в}. = + 5,0 ОС понижение нижнего уровня температур до 65 ОС (вместо 70 ОС) приводит к росту расхода сетевой воды на ГВС в 1,28 раза. Это видно из графиков на рис. 6, где даны зависимости относительных расходов сетевой воды от температуры наружного воздуха при температурном графике с нижним изломом Т1 _{н из}. = 65 ОС.

Внедрение систем отопления с независимой схемой присоединения требует от источника теплоснабжения соблюдения еще более жестких ограничений по отклонениям температур прямой сетевой воды.

На рис. 7 даны зависимости относительных расходов сетевой воды в первом контуре независимых схем при снижении температуры прямой сетевой воды на 10 ОС и на 20 ОС. Отчетливо видно, что недогрев прямой сетевой воды наиболее сильно сказывается в диапазоне температур наружного воздуха от + 5 до — 5 ОС.

Поскольку пропускные способности систем теплоснабжения ограничены, на практике допущение таких колебаний температуры теплоносителя означает крупномасштабную гидравлическую разрегулировку с большой вероятностью размораживания отопительных систем при отрицательных температурах наружного воздуха.

Эффективность энергосберегающих мероприятий в теплоснабжении

Эффективность автоматизации систем отопления. Основной недостаток централизованного качественного регулирования — наличие зоны «нижнего излома» отопительного температурного графика. ПТЭ ограничивают нижнюю температуру прямой сетевой воды в закрытых системах величиной Т1_н._из. = 70 ОС, что и является предпосылкой перегрева зданий в этой части температурного графика. Попробуем оценить величину перегрева на примере для климатических условий г. Гомеля (см. табл.).

Перегрев в зоне нижнего излома: ДО_НИз. = 0,02381.Qо_тр ас .1203.(19,7-18)=48,694.Qрасот.

Расход тепла за отопительный период: от.сез. = 0,47.Q_отр ас .4656= 2188,32.Qо_т ра с

Отношение тепла перегрева к расходу тепла за отопительный период:

АОн.„з./Оо,оез.=48,694-ОР_т а 72188,32-ОР_т ас =0,0222, или 2,22%.

Снижение температуры воздуха в отапливаемых помещениях на 1 ОС в течение всего отопительного сезона оценивается сокращением теплопотребления на 5,1% за сезон.

Эффективность покрытия ограждающих конструкций зданий слоем теплоизоляции. Доведение термического сопротивления ограждающих конструкций зданий до нормативного по ныне действующим СНиП снизит теплопотери зданий в 2 раза. Но приоритетным является изменение термического сопротивления ограждающих конструкций зданий с панельным отоплением. По нашим данным и данным из печати, теплопотери таких зданий превышают проектные в 1,25-2,0 раза. Следовательно, экономия может достигать четырехкратной величины.

Эффективность замены теплоизоляции трубопроводов тепловых сетей. Все вновь прокладываемые и реконструируемые теплопроводы должны иметь теплоизоляцию в соответствии с ныне действующими СНиП. Но проектные тепловые потери трубопроводов канальной прокладки меньше, чем у трубопроводов бесканальной прокладки в ППУ-изоляции. В связи с тем, что принято решение о прокладке подземных теплопроводов только ПИ-трубами, наверное, есть смысл ввести дополнительные понижающие коэффициенты к удельным тепловым потокам этих теплопроводов.

Эффективность схем обвязки подогревателей горячего водоснабжения ИТП. Новые нормы теплопотерь зданий обязывают проектировщиков обвязку подогревателей ГВС выполнять по одноступенчатой (параллельной) схеме. Для системы теплоснабжения это чревато увеличением нагрузки на сеть и недоиспользованием температурного потенциала теплоносителя после систем отопления.

Требуется изменить соответствующий пункт в ныне действующих СНиП 2.04.07-86 «Тепловые сети» в части расширения границ отношения Q_гвm ax /Qотр а с, предписывающих установку двухступенчатых схем. Ныне эти границы тако-вы:0,2_гв m ax/Qотра с

Тепло

Установка или замена индивидуальных приборов учета тепловой энергии на отопление, вентиляцию и ГВС здания.

Узел учета тепловой энергии — комплекс приборов и устройств, обеспечивающих учет тепловой энергии, массы (объема) теплоносителя, а также контроль и регистрацию егопараметров. В узел учета тепла входят: вычислитель, преобразователи расхода, температуры, давления, приборы индикации температуры и давления, а также запорная арматура.

Установка прибора учета — это не технология и не метод энергосбережения, это стимул к экономии энергии. При установке приборов учета потребитель тепловой энергии постоянно может наблюдать за потреблением ресурса, тем самым контролировать фактический расход энергоресурса.

Организация коммерческого учета позволит проводить анализ параметров теплопотребления, находить и устранять причины сверхнормативных потерь тепла и осуществлять взвешенное планирование энергопотребления. Напрямую установка приборов учета не ведет к экономии тепловой энергии, однако согласно результатам внедрения, установка приборов учета приводит к экономическому эффекту.

Организация автоматизированного теплового пункта (ТП)

Основными элементами ТП являются теплообменное оборудование, циркуляционные насосы, а также система автоматики и запорно-регулирующая арматура. Первичный теплоноситель (пар, горячая вода) от источника тепловой энергии (котельная) поступает в ТП, где происходит нагрев вторичного теплоносителя (горячая вода), который обеспечивает необходимую тепловую нагрузку потребителя в качестве отопления, горячего водоснабжения и вентиляции. Насосное оборудование обеспечивает циркуляцию теплоносителя в системе теплоснабжения. Система автоматики ТП обеспечивает поддержаниезаданной температуры воды, идущей на горячее водоснабжение, а также осуществляет регулирование температуры горячей воды, идущей на системы отопления и вентиляции потребителя, согласно температурному графику системы теплоснабжения. Регулирование температуры воды осуществляется на основании сигналов, поступающих от датчиков температуры окружающей среды. Приборы учета тепла, являющиеся составной частью ТП, позволяют определить фактический расход тепловой энергии и теплоносителя для нужд отопления и горячего водоснабжения.

Периодический режим работы системы отопления применяют в производственных, гражданских, учебных, спортивных, торговых, административных зданиях, используемых для работы неполные сутки и дни недели, в которых допускается снижение температуры внутри помещений в нерабочее время. В режиме работы системы отопления в течение суток наблюдаются три характерных промежутка времени:

• основной рабочий режим, когда в помещении поддерживаются заданные параметры температуры и влажности;
• дежурный режим, когда после основного режима система отопления переводится на режим поддержания пониженной температуры в помещении;
• режим форсированного нагрева помещения, в течение которого система отопления переводится на возможно быстрый разогрев помещения после охлаждения.

В помещениях наблюдается и недельный цикл, когда в выходные и праздничные дни в течение полных суток может поддерживаться дежурный режим отопления и сниженная температура в помещении. Для поддержания дежурного режима используется водяное отопление, которое выполняет функцию поддержания минимального уровня температуры. В результате частичного охлаждения помещения понижается не только температура внутреннего воздуха, но и температура ограждений.

Нагрев ограждений и внутреннего воздуха к началу нового рабочего дня требует времени и дополнительной мощности. Продолжительность и темп нагрева помещения зависят от: термического сопротивления наружных ограждений, влияющего на снижение температуры в нерабочее время; тепловой активности ограждающих конструкций к тепловому воздействию; интенсивности теплоотдачи от источника системы отопления к внутреннему воздуху помещений и от воздуха к поверхности ограждений; температурного напора в дежурном и рабочем режиме, а также перепада температур наружного воздуха. Нагрев помещений должен осуществляться с высоким темпом, с большей мощностью, в отличие от отопления в рабочем режиме, так как теплота в режиме нагрева расходуется на восполнение тепловых потерь и разогрев ограждений и воздуха до требуемого уровня.

Наиболее гибким режимом эксплуатации служит комбинированная система отопления. Она состоит из базовой системы водяного отопления и дополнительной системы воздушного отопления. Воздушное отопление совмещается с приточной вентиляцией и в режиме форсированного нагрева работает в режиме полной рециркуляции воздуха.

Работа систем периодического отопления поддается автоматизации и программному управлению поддержания расчетного режима. На случай неожиданного резкого понижения температуры наружного воздуха в контрольных помещениях устанавливают датчики допустимой минимальной температуры внутреннего воздуха. По сигналу от них включается система отопления в дополнительном режиме. Экономия энергии тем больше, чем продолжительнее период охлаждения. Для уменьшения продолжительности форсированного нагрева следует увеличить теплоустойчивость ограждений, максимально интенсифицировать теплоотдачу к ограждениям, применяя, например, направленные струи воздушного отопления.

Экономический эффект от применения автоматизированного теплового пункта может составлять до 40 %.

Установка теплоотражающих экранов за отопительными приборами

Мероприятие предназначено для сокращения бесполезных потерь тепла отопительными приборами, установленными у наружных ограждений.

При отсутствии теплоотражающего экрана (например, из металлизированной фольги) возможный перерасход тепловой энергии может составлять порядка 5÷7 % от всей теплоотдачи прибора (стена за радиатором может нагреваться до 50 °С).

Теплоотражающий экран за радиатором отопления полностью изолирует стены от нагрева, тем самым, понижая потери тепла. Как показывают проведённые оценки, установив теплоотражающий экран за радиатор отопления, можно повысить температуру внутри помещения, как минимум, на 1÷2 °С.

Замена отопительных приборов на современные биметаллические радиаторы с терморегуляторами

Наличие возможности регулировать температуру в помещении — важный фактор комфорта и уюта. Хорошо, когда в доме тепло, но пышущие жаром батареи вовсе не так комфортны, как могло бы показаться. Ведь кроме того, что они создают духоту в помещении и пересушивают воздух, они могут стать опасными для маленьких детей и животных.

Воздух в помещении постоянно нагревается от отопительных приборов, но так же постоянно и охлаждается, соприкасаясь со стенами, окнами и вылетая в открывающиеся двери. Поскольку температура теплоносителя в радиаторах примерно постоянная, а температура окружающей среды всё время меняется, то нагрев помещений осуществляется неравномерно — в какие-то дни будет жарче, а когда-то — вы будете замерзать.

Установленные на объекте отопительные приборы (радиаторы) имеют высокую степень морального и физического износа. Замена отопительных приборов необходима в силу окончания допустимого срока эксплуатации установленных радиаторов и должна осуществляться за счет средств капитального ремонта.

Химическая промывка системы отопления

Мероприятие предназначено для сокращения бесполезных потерь тепла отопительными приборами за счет образования нерастворимых отложений на отопительных приборах.

Эксплуатация оборудования без системы подготовки воды могла привести к образованию нерастворимых отложений на внутренних поверхностях приборов системы отопления. Что приводит к ухудшению процесса теплопередачи от теплоносителя к воздуху в помещении.

Предлагается проведение химической промывки системы теплоснабжения объекта. Проведение данного мероприятия позволит повысить эффективность работы системы теплоснабжения в целом. Промывка осуществляется раствором специального реагента и позволяет удалить: карбонаты (накипь), сульфаты (мин. отложения), окислы железа (ржавчина).

Химический способ очистки является более эффективным, чем механический, при этом реагент не разрушает прокладки, уплотнители, детали узлов. Реагент превращает отложения в растворимые вещества, и они удаляются вместе с реагентом.

Примерный перечень работ при проведении химической промывки включает в себя:

— Слив теплоносителя из системы;

— Очистка грязевого фильтра;

— Подключение автоматического насоса, заполнение системы раствором реагента в требуемой пропорции, промывка прямым и реверсным потоком (от 2-х до 12-ти часов);

— Слив раствора реагента из системы, нейтрализация остатков раствора реагента;

— Очистка грязевого фильтра;

— Заполнение системы теплоносителем (с добавлением или без добавления ингибиторов коррозии);

Энергосбережение достигается за счёт сокращения потребности в теплоте для отопления помещений. При проведении химической промывки системы экономия от потребления тепла составит около 3-5%.

Утепление ограждающих конструкций

Снижение тепловых потерь существующих зданий технически можно решить путем утепления ограждающих конструкций. На основе накопленного в этой области опыта можно сказать, что устройство дополнительной теплоизоляции снаружи здания (которое наиболее эффективно) выполняет следующие функции:

— защищает стену от переменного замерзания и оттаивания и других атмосферных воздействий;

— выравнивает температурные колебания основного массива стены, благодаря чему исключается появление в нем трещин вследствие неравномерных температурных деформаций, что особенно актуально для наружных стен из крупных панелей;

— благоприятствует увеличению долговечности несущей части наружной стены;

— сдвигает точку росы во внешний теплоизоляционный слой, благодаря чему исключается появление сырости на внутренней части стены;

— создает благоприятный режим работы стены по условиям ее паропроницаемости;

— формирует более благоприятный микроклимат помещения;

— позволяет в ряде случаев улучшить оформление фасадов реконструируемых или ремонтируемых зданий;

— не уменьшает площадь помещений;

— обеспечивает возможность утепления зданий без создания дискомфортных условий для пребывания.

Для соблюдения нормативных значений сопротивления теплопередаче применяются многослойные ограждающие конструкции с утеплителем. В качестве утеплителя могут применяться минераловатные плиты, пенополистирол, эковата и другие материалы, обладающие низкой теплопроводностью.

Для утепления наружных стен существующих зданий применяется конструкция навесного вентилируемого фасада со слоем утеплителя. В конструкции вентилируемого фасада допускается использование только негорючего утеплителя (плит из стекловолокна или базальтового волокна).

Особая конструкция фасада, которая состоит из облицовочного материала, фиксирующегося при помощи креплений на металлическом каркасе. Вентилируемые фасады подразумевают зазор между стеной и облицовочным материалом, что и позволяет воздуху циркулировать внутри и способствовать естественной вентиляции, благодаря чему вентилируемые фасады позволяют избавиться от конденсата и влаги. В отличие от всех остальных типов фасадов, а в особенности по сравнению со штукатурными фасадами, навесные вентилируемые фасады обладают массой преимуществ.

Утеплитель для вентилируемых фасадов по своей сути является многослойным теплоизоляционным материалом. Он состоит из мягкого внутреннего слоя, который плотно прилегает к стене, тем самым препятствуя её отсыреванию и промерзанию, защищая от лишней влаги и конденсата, и Наружного слоя. Наружный слой утеплителя гораздо более плотный и устойчивый, поскольку его основное предназначение – сохранить и усилить функции внутреннего утеплителя, а также сберечь его и обеспечить более длительный срок службы.

Замена оконных блоков на энергоэффективные

Преимущества замены деревянных окон на окна ПВХ:

Основной объем тепловых потерь происходит через стены и окна зданий. Из них потери через окна могут достигать до 35 % в зимний период.

Утеплить стены достаточно проблематично, а произвести замену окон это достаточно простой и очень эффективный способ утеплить здание и оградить его от поступления холода.

Основной параметр, который характеризует теплоизоляционные свойства окон, является приведенное сопротивление теплопередаче. Для окон старой конструкции значения этого показателя, как правило, составляют 0,35 – 0,4 м2*°С/Вт, в то время как по новым нормативным требованиям эти значения должны быть на 35-40% больше.

1. Шумоизоляция.
2. Пылеизоляция.
3. Надежность и долговечность.

Современные оконные системы имеют более значительный срок службы, а именно до 40 лет. Деревянные же окна рассыхаются и деформируются значительно раньше.

Уход за современными окнами в разы проще, чем за деревянными оконными конструкциями.

К тому же установленные на объекте окна имеют высокую степень морального и физического износа. Замена окон необходима в силу окончания допустимого срока эксплуатации установленных рам и должна осуществляться за счет средств капитального ремонта.

Установка климатических клапанов на окна ПВХ.

Мероприятие предназначено для сокращения бесполезных потерь тепла при проветривании помещений с установленными окнами ПВХ путем открывания окон.

При установке окон ПВХ стоит учесть возможность ухудшения нормального уровня воздухообмена, заложенного по проекту. Это может привести к:

— увеличению влажности в помещении;

— ухудшению качества воздуха;

— возрастанию вероятности появления грибковых поражений конструкций.

Проветривание помещений путем открывания окон сводит к минимуму все преимущества герметичных окон ПВХ, приводит к увеличению шумов в помещениях, к увеличению потерь тепла.

Предлагается при установке окон ПВХ установить также климатические клапаны.

Работая автоматически и непрерывно, климатический клапан обеспечивает воздухообмен при закрытом окне. Воздухопроницаемость через климатический клапан небольшая, что в соответствии со СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» составляет не более 5,0 куб.м./час. Тем не менее, он позволяет полностью обновить воздух в помещении за 6-8 часов, при этом исключаются потери тепла.

Климатический клапан с лёгкостью монтируется в уже установленные окна и не требует сервисного обслуживания.

Принцип работы климатического клапана основан на общеизвестных физических принципах.

Свежий воздух с улицы попадает в канал между рамой и створкой в местах замены фрагментов типовых уплотнителей на специальные (А на рисунке 1)

Рисунок 1 – Места установки системы клапанов

По мере прохождения вверх по каналу, воздух подогревается за счет теплообмена с окном, что не приводит к обледенению устройства в холодное время года.

Затем через систему клапанов, установленную в верхней части рамы (Б на рисунке 1), примыкающей к створке окна, воздух попадает в помещение (рисунок 1).

Рисунок 2 – Внешний вид подвижных воздушных заслонок

Регулирование прохождения потока воздуха через систему осуществляется с помощью подвижных воздушных заслонок. По мере усиления ветра, заслонки прикрываются, сокращая поступление воздуха в помещение, либо закрываются полностью, прекращая поступление воздуха, тем самым, исключая возможность возникновения сквозняков (рис.3).

Рисунок 3 – Работа подвижных воздушных заслонок

За счет разной калибровки срабатывание каждой из заслонок происходит при определенном воздушном потоке, обеспечивая плавное регулирование притока воздуха.

Работа климатических клапанов имеет следующие положительные стороны:

1. Автоматическое и непрерывное обеспечение воздухообмена при закрытом окне;
2. Воздухопроницаемость через климатический клапан соответствует СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»;
3. Позволяет полностью обновить воздух в помещении за 6 – 8 часов;
4. Исключаются потери тепла при проветривании;
5. Не требуют сервисного обслуживания.

При установке климатических клапанов экономия тепловой энергии ориентировочно составит 3 – 5% от потребления тепловой энергии.

Установка на светопроемах энергосберегающих пленок

Установка энергосберегающих пленок позволит снизить потери тепла через оконные проемы здания путем отражения вовнутрь конструкции инфракрасного излучения.

Энергосберегающая пленка, благодаря своей структуре, отражает лучи в летнее время, предохраняя помещение от чрезмерного перегрева, и сохраняет тепло зимой, отражая лучи вовнутрь.

Также не секрет, что солнечный спектр далеко не однороден по составу. Он содержит ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, а так же видимый свет. Каждый диапазон солнечной энергии по-своему влияет на человеческий организм, и не удивительно, что существует необходимость пропускать лишь некоторые виды излучения. Для этого создаются различные виды энергосберегающих пленок. Чтобы не допустить чрезмерного проникновения в помещение инфракрасных и ультрафиолетовых лучей, была создана теплоотражающая пленка для окон.

Принцип действия данной пленки заключается в том, что она отражает инфракрасные лучи, пропуская при этом видимый свет. Эта пленка имеет многослойную композитную структуру. На каждый слой пленки, толщина которых всего несколько микрон, наносится микроскопический слой керамики или металла. В качестве налагаемого элемента используются цветные и драгоценные металлы, наподобие золота или никеля.

В отличие от специальных энергосберегающих стекол “И” и “К” класса, энергосберегающая пленка отличается большей практичностью и удобством, а главное не оказывает негативное влияние на прозрачность стекла в любом диапазоне. Установив такую пленку на окно в доме, вы сможете наслаждаться оптимальной температурой целый год и будете надежно защищены от вредоносного излучения Солнца.