Всегда ли минимизация температуры обратного теплоносителя способствует энергосбережению?
В. Г. Барон, канд. техн. наук, профессор, директор ООО «Теплообмен» (Севастополь)
В настоящее время существует жесткое требование: нельзя завышать температуру обратного теплоносителя в системе теплоснабжения. Данное требование обусловлено стремлением нормализовать режим работы генерирующего оборудования, снизить потери энергии как на транспортировку теплоносителя по системам трубопроводов, так и на теплоотдачу в окружающую среду. Также это позволяет сократить материальные расходы, обусловленные необходимостью увеличения диаметров трубопроводов и арматуры.
Традиционный подход к отоплению
Компенсировать это можно:
либо повышением температуры теплоносителя в подающей магистрали отопления, что, однако, приведет к росту теплопотерь со стенок трубопроводов;
либо увеличением расхода теплоносителя, что потребует больших диаметров или приведет к повышенному расходу электроэнергии на привод насосов;
либо одновременным увеличением температуры и расхода теплоносителя.
Поэтому создан императив: не завышать температуру обратки. При традиционном подходе к отоплению, т. е. при пассивной теплоотдаче от приборов отопления, требование минимизации температуры обратки является совершенно обоснованным и требующим неукоснительного выполнения.
Индивидуальные тепловые пункты
Однако в последние годы, в ходе развернувшейся борьбы за энергосбережение, во многих зданиях, как жилых, так и административно-производственных, стали устанавливаться индивидуальные тепловые пункты (ИТП). Одна из функций ИТП – регулирование расхода теплоносителя в зависимости от реальных потребностей здания. Такое регулирование, преследуя цели энергосбережения, обеспечивает сокращение подачи теплоносителя на нужды объекта, обслуживаемого данным ИТП, если температура в его помещениях достигает установленного значения.
Регулирование с помощью ИТП действительно обеспечивает энергосбережение. Потребители теплоты, находящиеся в здании, реально заплатят за отопление меньше, чем заплатили бы в случае отсутствия средств автоматики, сберегающих тепловую энергию.
Если все (или почти все) потребители теплоты, присоединенные к централизованному источнику теплоснабжения (например, квартальной котельной), будут оснащены ИТП, то будет достигнут реальный энергосберегающий эффект. А значит, будет израсходовано меньше первичного топлива: газа, нефти и т. д. Действительно, если автоматика зданий, объединенных в единую систему теплоснабжения, будет оперативно реагировать на изменение потребности зданий в теплоте и снижать расход подаваемого на объекты теплоносителя, а автоматика других объектов будет не допускать его перетекания в соседние объекты, то автоматика котельной, отслеживая температуру на входе и выходе из котельной, столь же оперативно уменьшит расход первичного источника энергии.
Правда, насосы, подающие теплоноситель, окажутся не в лучшем положении: сопротивление сети вырастет по сравнению с расчетным, и насосы, перемещаясь по своей характеристике, окажутся в точке, далекой от оптимальной работы. В результате насос начнет потреблять больше электроэнергии. Кроме того, пострадают его ресурсные показатели. Но если будут использоваться насосы с регулируемым числом оборотов (частотное регулирование), то вопрос энергосбережения можно решить надлежащим образом.
Реальная ситуация в теплоснабжении зданий
С чем приходится сталкиваться реально, когда ИТП оснащены далеко не все объекты, подсоединенные к единой централизованной системе теплоснабжения? В такой ситуации не только не обеспечивается практически никакое интегральное энергосбережение, но может быть получен отрицательный результат. Ведь если на каком-то одном объекте (или некоторой части объектов) автоматика обеспечила снижение подачи теплоносителя, то высвободившийся теплоноситель поступит в большем по сравнению с расчетным количестве в те объекты, где отсутствует соответствующая автоматика. В результате:
во-первых, на объектах, не имеющих ИТП, будет наблюдаться перетоп, и жители начнут сбрасывать теплоту, открывая окна;
во-вторых, насосы котельной будут работать в нерасчетной точке, так как произошла гидравлическая разбалансировка сети.
Следовательно, на фоне отсутствия реального итогового эффекта энергосбережения будут ухудшены финансовые показатели отдельных потребителей. Кроме того, на привод насосов, работающих в неоптимальной точке своей характеристики, потребуется больше электроэнергии, да и ресурс насосов будет вырабатываться быстрее. Можно сделать вывод, что применение точечного энергосбережения путем установки современных индивидуальных тепловых пунктов лишь на части объектов, включенных в общую централизованную систему теплоснабжения, является имитацией (причем дорогостоящей) энергосбережения. Это имеет, возможно, даже обратное интегральное воздействие. Казалось бы, из этого следует, что при централизованном теплоснабжении внедрять ИТП на отдельных объектах не следует, а если внедрять, то одновременно на всех объектах.
В действительности можно не только добиться реального итогового энергосбережения, выгодного и потребителям, и поставщикам теплоты, но и избежать повышенного износа насосов буквально с первого же (и пусть даже единственного) объекта, более того – даже с первого же помещения.
Метод гидравлически устойчивого регулирования
Предлагаемый способ энергосбережения предполагает завышение температуры обратки объекта, т. е. нарушает основное требование. Однако завышение температуры теплоносителя обуславливается не плохим состоянием отопительных приборов, а применением метода гидравлически устойчивого регулирования (далее – метод).
Суть метода проста и достаточно легко реализуема. Для того, чтобы на каком-либо объекте обеспечить энергосбережение без вышеназванных отрицательных последствий, достаточно регулировать (в данном случае – уменьшать) теплопотребление объекта не за счет уменьшения затекания в него теплоносителя, а за счет уменьшения теплосъема с поверхности отопительных приборов при сохранении количества движущегося теплоносителя.
Обеспечить это можно при использовании отопительных приборов с активным, причем регулируемым, теплосъемом с поверхности. В этом случае не происходит гидравлической разбалансировки всей разветвленной системы, благодаря чему:
во-первых, насосы на источнике теплоснабжения работают в своей расчетной, оптимальной рабочей точке;
во-вторых, всем остальным потребителям поступает ровно такое количество теплоносителя, которое было установлено при наладке системы (исключается перетоп).
При этом на котельную поступит вода из трубопровода обратного теплоносителя, например квартальной системы, с повышенной температурой 1 , и автоматика котельной тут же уменьшит расход первичной энергии (газа, нефти и т. д.).
Отопительные приборы с активным и регулируемым съемом теплоты
Отопительные приборы с активным и регулируемым съемом теплоты с поверхности (далее – прибор) могут быть конструктивно выполнены по-разному. Но суть одна: поверхность прибора принудительно обдувается воздухом помещения. Причем расход воздуха, а значит интенсивность съема теплоты с поверхности прибора, регулируется в зависимости от потребностей не столько объекта в целом, сколько каждого конкретного помещения. Это обеспечивает:
достижение в конкретном помещении комфортной (возможно, различной даже для соседних помещений) температуры;
локальное, покомнатное энергосбережение: сочетание максимально достижимого уровня энергосбережения и теплового комфорта.
Прибор может быть установлен открыто в помещениях, если в них не предъявляются повышенные требования к интерьеру (рис.), или зашит декоративными панелями. Прибор конструктивно представляет собой высокоэффективный теплообменник, плотно упакованный трубный пучок которого сформирован из специальным образом профилированных нержавеющих трубок. Внутри трубок движется теплоноситель из системы отопления. Воздух помещения, подаваемый вентиляторами в межтрубное пространство теплообменника, обдувает трубный пучок снаружи.
Пример отопительного прибора с активным и регу- лируемым съемом теплоты с поверхности. Установлен во всех помещениях административно-производствен- ного здания в Севастополе
Регулировать величину теплосъема позволяет использование для обдува теплопередающих поверхностей нескольких компьютерных вентиляторов (кулеров). Регулировка осуществляется практически бесступенчато. Обеспечивается это как наличием нескольких вентиляторов, так и тем, что в этих вентиляторах используются электродвигатели постоянного тока на 12 В, позволяющие плавно изменять число оборотов.
Имея опыт применения отопительных приборов с активным и регулируемым съемом теплоты с поверхности в помещениях административно-производственного здания, мы иногда наблюдаем завышенные значения температуры обратки. Но это свидетельствует не о плохом качестве установленных отопительных приборов, а об обеспечении реального интегрального энергосбережения, выгодного как потребителям, так и поставщикам теплоты.
Комментарий Р. Н. Разоренова, специалиста НП «Российское теплоснабжение» к статье «Всегда ли минимизация температуры обратного теплоносителя способствует энергосбережению?»
Общеизвестно, что при графике качественного регулирования любая энергосберегающая автоматика не нужна при низких температурах наружного воздуха (от точки излома и ниже).
А в осенне-весенние периоды, когда, собственно, и наступают перетопы (температура на улице выше точки излома), такого рода автоматика включается в работу, и весьма эффективно. При этом тепловые сети работают с повышенными тепловыми потерями, если считать в процентном выражении от полезно отпущенной тепловой энергии. Если еще завысить температуру теплоносителя в обратном трубопроводе, то домовой узел учета зафиксирует еще большее снижение полезного отпуска, а узел учета на источнике тепловой энергии – еще большие потери в тепловой сети.
Поскольку в тарифе на тепловую энергию потери жестко зафиксированы на весьма невысоком уровне, то при существующих тарифных правилах завышение обратки просто переложит деньги из одного кармана в другой: то, что сэкономит житель, большей частью ляжет в коммерческие потери владельца тепловых сетей.
Однако описанный в статье метод гидравлически устойчивого регулирования заслуживает более детального анализа результирующего влияния его применения на общие экономические и технические показатели.
Искусственное разделение единой системы теплоснабжения на потребителя и поставщика и отсутствие прозрачных и понятных правил их взаимодействия привело не только к отсутствию мотивации в повышении эффективности системы в целом, но и к лавинообразно растущему количеству взаимных судебных исков.
На всех уровнях власти и в профессиональном сообществе назрела необходимость изменения правил функционирования рынка тепловой энергии. В связи с этим специалистами при активном участии НП «Энергоэффективный город» разработана «Стратегия развития теплоснабжения в Российской Федерации на период до 2020 года». Документ 4 февраля 2016 года одобрен на заседании Экспертного совета при Комитете по энергетике Государственной Думы.
Было предложено в кратчайшие сроки создать рабочую группу из представителей ФОИВ и экспертов профессионального сообщества для доработки положений стратегии и принятия ее в качестве официального правительственного документа. Ознакомиться с текстом документа и оставить комментарии и предложения для разработчиков можно на сайте www.energosovet.ru.
1 Поскольку на каком-то объекте или даже в каком-то помещении теплосъем был уменьшен, т. е. температура обратки от этого объекта выросла.
Управление (алгоритм) системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя
В настоящее время на многих промышленных предприятиях в системах теплоснабжения применяются низкотемпературные графики регулирования отпуска теплоты взамен традиционных высокотемпературных [1] . Считается, что низкотемпературные параметры теплоносителя являются более предпочтительными по причинам пониженного расхода топлива на производство тепловой энергии, низких тепловых потерь при выработке тепловой энергии и транспортировке теплоносителя, повышенного уровня комфортности у потребителей и т.п. Известно, что для грамотного перевода систем теплоснабжения с одних параметров на другие необходимо изменить диаметры тепловых сетей и сетевое оборудование, а также разработать подходящие методы регулирования теплоты при новых температурных графиках [2] . Что касается последнего утверждения, то на сегодняшний день существует множество средств автоматизации, которые помогают осуществлять грамотную наладку систем теплоснабжения на предприятии . Изменение же диаметров теплопроводов и замена оборудования на тепловых сетях являются дорогостоящими и трудоемкими мероприятиями, не приносящими экономического эффекта, поэтому зачастую теплоснабжающие организации и предприятия, вырабатывающие тепловую энергию, стремятся их избегать. Аргументируется это тем, что тепловые сети проектируются с большим запасом, как по прочности, так и по диаметрам, поэтому при снижении температуры теплоносителя его количество увеличивается без каких-либо изменений в конфигурации тепловых сетей . При этом, как правило, неизвестно, достаточно ли такого увеличения количества теплоносителя для того, чтобы обеспечить заданный тепловой поток при сниженных температурах, достаточен ли запас прочности теплопроводов и т.п. Поэтому определение зависимостей основных параметров теплоснабжения — расхода и температуры теплоносителя — друг от друга представляет интересную задачу с этой точки зрения. Зная, как меняется расход теплоносителя при изменении температурного графика и наоборот, можно судить о количестве тепловых потерь при транспортировке теплоносителя , оптимальных диаметрах теплопроводов, расходе электрической энергии на перекачку теплоносителя, допустимой толщине тепловой изоляции теплопроводов и т.п . Полученные данные можно использовать как для оценки состояния уже существующих систем теплоснабжения, так и на стадии их проектирования.
В качестве основной идеи при разработке зависимостей было принято, что температура и расход теплоносителя в подающем теплопроводе, диаметры теплопроводов и тепловые потери при первоначальном температурном графике равны соответственно t, G, D и q. После изменения температурного графика эти же параметры равны соответственно t+∆t, G+∆G, D+∆D, q+∆q. Количество переносимой системой тепловой энергии Q должно быть неизменно при любых температурных параметрах.
1. Изменение расхода теплоносителя при изменении его температуры. Н а первоначальном этапе исследования была поставлена задача определения того, как снижение температуры теплоносителя должно повлиять на увеличение его расхода с тем, чтобы доставляемая тепловая мощность (доставляемый теплоносителем поток теплоты) была бы прежней. В результате решения этой задачи был разработан алгоритм управления расходом теплоносителя с учетом характеристик теплопотребляющего оборудования, который имеет вид:
где KF — произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности эквивалентного отопительного прибора, Вт/ О С; G — расход теплоносителя для предыдущего (базового) режима теплоснабжения, кг/с; ∆G — необходимое изменение расхода теплоносителя для низкотемпературного режима, кг/с; tвн, t,
∆t — температура внутреннего воздуха объекта теплоснабжения, температура теплоносителя в подающем теплопроводе в базовом режиме и изменение температуры теплоносителя при низкотемпературном теплоснабжении соответственно, О С; с — удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг О С); G+∆G — необходимый расход теплоносителя при новом режиме теплоснабжения. Необходимо подчеркнуть, что произведение KF является теплотехническим показателем системы отопления объекта и показывает, какое количество теплоты способен принять объект от системы теплоснабжения. Для удобства в качестве эквивалентного отопительного прибора принимается вся система отопления здания. Чаще всего произведение KF определяется при статистическом наборе фактических данных с тепловых счетчиков и последующем его расчете методом наименьших квадратов. Для наглядности полученных результатов на рис. 1 приведен график зависимости изменения расхода теплоносителя от изменения температуры теплоносителя.
На данном графике представлено изменение расхода теплоносителя в зависимости от изменения его температуры с учетом свойств теплопотребляющего объекта для следующих условий: t=150 О С, KF=7000 Вт/ О С, tвн=20 0 С. Показано, что при снижении температуры на 5, 10, 20, 30, 40, 50%, расход теплоносителя необходимо увеличивать на 6,2, 13,1, 30,2, 53,4, 86,7, 138,3% соответственно.
2. Изменение диаметров при изменении температуры теплоносителя. Н а следующем этапе исследования было выявлено, как должны измениться диаметры теплопроводов, чтобы при прокачке другого (нерасчетного) расхода по тепловым сетям потери давления остались прежними. Зависимость, позволяющая оценить изменение диаметров теплопроводов вследствие изменения температуры теплоносителя (теплопотребляющие характеристики объекта учтены), выглядит следующим образом: Результаты решения данной задачи иллюстрируются на рис. 2 , в частности, для случая снижения температуры теплоносителя в подающем теплопроводе со 150 О С на 95 О С необходимо увеличить диаметр теплотрассы на 23%. Необходимо отметить, что изменение диаметра на указанные величины происходит при условии неизменных удельных потерь давления на трение. В некоторых случаях, когда изначально диаметр тепловых сетей подобран с некоторым запасом прочности, и удельные потери давления не предельные, оптимальный диаметр тепловой сети при изменении температуры может отличаться от того, который получается по зависимости.
3. Изменение тепловых потерь при изменении температуры теплоносителя.
С ледующая задача заключалась в определении изменения тепловых потерь и расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя при снижении его температуры и изменении диаметра изолированных теплопроводов. Итоговая зависимость выглядит следующим образом: где q — линейная плотность теплового потока, при тепловых потерях, Вт; Δq — изменение линейной плотности теплового потока, Вт; tнар — температура наружного воздуха, О С. Для упрощения функции (3) введены следующие обозначения: Δq/q=у; Δt/t=х; 1 — (tнар /t)=а. Тогда последняя зависимость перепишется в виде: Пусть температура теплоносителя равна 150 О С, а температура наружного воздуха равна минус 34 О С, тогда а=1,23. Для данных условий график зависимости изменения линейной плотности теплового потока от изменения температуры теплоносителя представлен на рис. 3. Полученный в результате график показывает, что с уменьшением температуры теплоносителя значение тепловых потерь уменьшается. Теоретически, при значительном снижении температуры тепловые потери начинают возрастать из-за существенного увеличения площади поверхности теплопроводов, о чем свидетельствует экстремум графика. Полученные соотношения позволяют определять изменение основных параметров тепловой сети — диаметра, расхода, линейной плотности теплового потока — от изменения температуры теплоносителяи как следствие, оценить затратность мероприятий по переводу систем на низкотемпературное теплоснабжение и могут быть использованы при формировании критериев для принятия решений.
и на площадь поверхности эквивалентного отопительного прибора, Вт/ О С; G — расход теплоносителя для предыдущего (базового) режима теплоснабжения, кг/с; ∆G — необходимое изменение расхода теплоносителя для низкотемпературного режима, кг/с; tвн, t,
