Технико-экономические показатели систем водяного отопления
Основными технико-экономическими показателями любой отопительной системы являются первоначальная стоимость и эксплуатационные расходы.
Первоначальная стоимость системы водяного отопления с искусственной циркуляцией значительно ниже стоимости системы водяного отопления с естественной циркуляцией. Действительно, при искусственной циркуляции расчетное давление в 10—15 раз больше, чем в системах с естественной циркуляцией, а так как потери давления в трубопроводах пропорциональны квадрату скорости движения воды, то сечения магистральных трубопроводов при искусственной циркуляции получаются в 3—4 раза меньше, чем при естественной циркуляции. Следовательно, можно существенно сэкономить на массе труб, а также на заготовке и монтаже трубопроводов.
Для систем с искусственной циркуляцией воды котельные не заглубляют. Они могут обслуживать из одного центра несколько зданий и позволяют осуществлять центральное регулирование теплоотдачи отопительных приборов в весьма широких пределах. Эксплуатация системы с искусственной циркуляцией обходится не дороже водяного отопления с естественной циркуляцией.
В современном строительстве в зданиях устраивают главным образом вертикальные системы водяного отопления с искусственной циркуляцией, В табл. 11.13 приведены показатели по расходу радиаторов, труб и затраты труда на строительство различных систем отопления.
Из табл. 11.13 видно, что однотрубная система отопления с нижней разводкой, с односторонним присоединением приборов и с трехходовыми кранами (рис. 11.62) наиболее индустриальна и экономична. Расходы радиаторов и труб в ней наименьшие.
В тех случаях, когда по архитектурным или конструктивным особенностям здания не удается или нецелесообразно устраивать системы с нижней разводкой, могут быть применены однотрубные системы с односторонним присоединением приборов и с трехходовыми кранами с верхней разводкой теплоносителя.
Виды и конструкции отопительных приборов и их технико-экономические показатели
ОТОПИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Требования, предъявляемые к отопительным приборам
Теплотехнические требования — приборы должны хорошо передавать теплоту помещениям (коэффициент теплопередачи 4,5 — 17Bт/(м 2 ·K)).
Санитарно-гигиенические требования— конструкция и форма должны не приводить к скоплению пыли и позволять ее легко удалять.
Технико-экономические требования: минимальная стоимость; минимальный расход металла; соответствие конструкции массовому производству; секционность (формирование требуемой площади поверхности).
Тепловое напряжение металла прибора М, Вт/(кг·К) — критерий теплотехнической и технико-экономической оценки металлических отопительных приборов
где Qпр — количество теплоты, отдаваемой прибором, Вт; G — масса прибора, кг; Δt — разность средних температур поверхности прибора и окружающего воздуха (tпp—tв).
Чем больше М, тем прибор выгоднее. У приборов М=0,19 — 1,6Вт/(кг·К).
Архитектурно-строительные требования — сокращение площади, прибора, обеспечение приятного внешнего вида.
Монтажные требования — обеспечение высокой производительности труда при изготовлении и монтаже. Конструкция должна позволять автоматизацию производства и быть удобной в монтаже. Приборы должны быть прочными, удобными для транспортировки и монтажа, а их стенки паро- и водонепроницаемыми, температуроустойчивыми.
Многообразие приборов объясняется невозможностью одновременно удовлетворить всем требованиям.
Виды и конструкции отопительных приборов и их технико-экономические показатели
Отопительные приборы подразделяются:
— по преобладающему способу теплоотдачи — на радиационные (подвесные панели), конвективно-радиационные (приборы с гладкой поверхностью) и конвективные (конвекторы с ребристой поверхностью и ребристые трубы);
— по виду материала — на приборы металлические (чугунные из серого чугуна и стальные из листовой стали и стальных труб), малометаллические (комбинированные) и неметаллические (керамические радиаторы, бетонные панели с заделанными стеклянными или пластмассовыми трубами или с пустотами, вообще без труб);
— по характеру внешней поверхности — на гладкие (радиаторы, панели, гладкотрубные приборы), ребристые (конвекторы, ребристые трубы, калориферы).
Радиаторы чугунные и стальные штампованные. Выпускаются секционные (отдельные секции) и блочные (блоки в две — четыре секции) чугунные радиаторы. Секции радиаторов подразделяют по числу вертикальных каналов на одно-, двух- и многоканальные.
Блоки или секции соединяют ниппелями из ковкового чугуна, имеющими наружную правую и левую резьбу и внутри два выступа для ключа. Ниппели ввертывают одновременно вверху и внизу в две секции или в два блока. Для уплотнения стыков ставят прокладку: при водяном отоплении (tг до 100 °С) — из прокладочного картона, смоченного в воде и проваренного в натуральной олифе; при паре или перегретой воде (tг >100 °С) — из паронита, смоченного в горячей воде. Допускается прокладка из термостойкой резины. Обычную резину не используют.
Чугунные радиаторы МС-140, МС-90, М-90 имеют монтажную высоту (расстояние между центрами ниппельных отверстий радиаторов) h = 500 мм, полную высоту H = 582 — 588 мм, строительную глубину b = 140 мм и строительную длину секции l = 98 — 108мм.
Радиаторы МС-140 и МС-90 рассчитаны на давление до 0,9 МПа, остальные — до 0,6 МПа.
Монтажная высота радиаторов: высокие — 1000 мм, средние — 500 мм, низкие — 300 мм. У радиатора четыре чугунные пробки, две — сквозные, с внутренней резьбой — для присоединения приборов к теплопроводу.
Производство чугунных радиаторов (рис. 6.1) металлоемко, они трудоемки в изготовлении и монтаже. Поэтому, несмотря на достоинства (коррозионная стойкость, простота технологии изготовления и изменения мощности), их вытесняют приборы из стали, алюминия и его сплавов.
Рис. 6.1. Чугунные радиаторы
Стальные панельные радиаторы изготовляют однорядные и двухрядные.
Однорядный стальной штампованный радиатор колончатого типа РСВ1 (рис. 6.2, а) состоит из двух штампованных стальных листов толщиной 1,4—1,5 мм, соединенных контактной сваркой и образующих параллельные вертикальные каналы, объединенные сверху и снизу горизонтальными коллекторами.
Панель стального радиатора штампованного змеевикового типа РСГ2 (рис. 6.2, б), как и РСВ1 состоит из двух стальных листов толщиной 1,4—1,5 мм, соединенных между собой контактной сваркой и образующих ряд горизонтальных каналов для прохода теплоносителя.
Рис. 6.2. Стальные штампованные радиаторы
а — радиатор РСВ1 однорядныйконцевой; б — радиатор РСГ2 четырехходовой однорядный
Рис. 6.3. Ребристая труба
Стальные радиаторы по сравнению с чугунными имеют вдвое меньшую массу, на 25—30 % дешевле, на транспортирование и монтаж требуются меньшие затраты. Малая строительная глубина упрощает открытый монтаж радиаторов под окнами и у стены. Для стальных радиаторов необходима обработанная теплофикационная вода, коррозирующее действие которой незначительно.
Ребристые трубы. Ребристые чугунные трубы изготовляют длиной 0,5; 0,75; 1; 1,5 и 2 м с круглыми ребрами и поверхностью нагрева 1; 1,5; 2; 3 и 4 м 2 (рис. 6.3). На концах трубы предусмотрены фланцы для присоединения их к фланцам теплопровода системы отопления. Оребренность увеличивает теплоотдающую поверхность, но затрудняет очистку от пыли и понижает коэффициент теплопередачи. Ребристые трубы в помещениях с продолжительным пребыванием людей не устанавливают.
Конвекторы— отопительные приборы, передающие теплоту в основном конвективным путем.
Конвектор «Аккорд» (рис. 6.4) — жилые, общественные и производственные здания с температурой теплоносителя до 150 °С и давлением до 1 МПа. Состоит из двух сварных труб диаметром 20 мм и П-образных пластин оребрения, изготовляемых из листовой стали толщиной 0,8мм. Поверхность конвекторов покрывается эмалью ПФ-115. Выпускается восемь типоразмеров конвекторов (проходных и концевых) в однорядном исполнении с площадью поверхности 0,98—3,26 м 2 и восемь типоразмеров конвекторов (концевых) в двухрядном по высоте исполнении с площадью поверхности нагрева 1,95—6,50 м 2 . Высота конвекторов 300 мм (однорядного) и 645 мм (двухрядного).
Рис. 6.4. Конвектор «Аккорд»
В конвекторах «Север» (по конструкции аналогичен «Аккорду») пластины штампуются из дюралюминиевой ленты или листа толщиной 1мм. Это самый легкий прибор, поэтому его применяют в удаленных районах для сокращения транспортных расходов. Выпускается 18 типоразмеров конвекторов «Север» (проходных и концевых).
Конвектор с кожухом напольный низкий «Ритм» (рис. 6.5), используется для общественных зданий. Конвектор островной высокий типа KB (рис. 6.6) используется для отопления общественных и производственных зданий. Конвектор с кожухом типа «Комфорт» предназначен для жилых, общественных и производственных зданий. Площадь поверхности нагрева конвекторов «Комфорт-20» — 0,71 — 4,26 м 2 ., они позволяют воздушным клапаном-заслонкой регулировать тепловой поток в пределах 70 %.
Рис. 6.5. Конвектор «Ритм»
1 — дюбель-винт; 2 — рама с опорами; 3 — нагревательный элемент; 4 —кожух; 5 —съемная решетка; 6 — крепление к полу.
Рис. 6.6. Конвектор напольный высокий типа KB
1 — кран для выпуска воздуха; 2 — панели неподвижные; 3 — панель подвижная; 4 —теплообменник; 5 —решетка; 6 —стенка боковая; 7 — крышка.
Новый конвектор малой глубины «Универсал» (рис. 6.7) и средней глубины «Универсал С» выполнили одно из основных правил установки отопительных приборов — перекрытие не менее 60 % длины подоконника (зарубежные требования — не менее 75— 85%). Это позволяет нейтрализовать ниспадающие от окон холодные потоки воздуха. Конвекторы «Комфорт-20» перекрывали менее 50 % длины подоконника.
У конвекторов «Универсал» присоединительные патрубки расположены друг над другом на высоте 80мм, что сократило объем заготовительных работ на 35—40% по отношению к системами, с конвекторами «Комфорт-20». Тепловой поток конвекторов «Универсал» регулируют воздушным клапаном, привод которого вынесен на верхнюю панель прибора. Остаточный тепловой поток при полностью закрытом клапане составляет менее 50% номинального. Недостаток конвекторов «Универсал» по сравнению с конвекторами «Комфорт» — меньший коэффициент теплоотдачи из-за расположения теплоотдающих трубок одна над другой (верхняя — «экранирует» нижнюю).
Рис. 6.7. Конвектор «Универсал»
а — концевой; б — проходной
Бетонные отопительные панели— змеевик или регистр (реже) из стальных водогазопроводных труб диаметром 15 или 20 мм, заделанный в плоскую бетонную плиту толщиной 40—50 мм. Они изготавливаются приставными к наружной стене с односторонней теплопередачей (рис. 6.8, а), с двусторонней теплопередачей (рис. 6.8, б) и с двусторонней теплопередачей и с приточным каналом (рис. 6.8, в).
В стадии исследования находятся приборы с нагревательным элементом из термостойкого стекла и пластмассы, а также беструбные приборы из водонепроницаемого бетона и обычного бетона с пропиткой каналов водонепроницаемыми составами.
Рис. 6.8. Бетонные отопительные приборы
1 — отопительные приборы; 2 — конвективный канал; 3 — тепловаяизоляция; 4 — приточный канал; 5 — клапан; 6 — металлический экран.
Технико-экономический анализ систем теплоснабжения
Журнал «Новости теплоснабжения» № 6, 2005, www.ntsn.ru
К.т.н. В.А. Клименко, ген. директор, А.И. Егорова, консультант, С.В.Димитров, консультант, ООО «Гипрониигаз-МП», г. Москва
Актуальность расчетов систем теплоснабжения определяется, прежде всего, согласно проекту Закона «О теплоснабжении», необходимостью создания схем теплоснабжения поселений. Задача подробного технико-экономического анализа систем теплоснабжения возникает с одной стороны в связи со сложным устройством самих исследуемых систем, а с другой — со стремлением как можно точнее оценить финансово-экономические и технические показатели их работы для создания систем, обеспечивающих наиболее экономичное бесперебойное теплоснабжение.
В ходе проведения совместных работ по проблемам теплоснабжения с РАО «ЕЭС России», ВНИПИэнергопром и датской компанией Ramboll специалисты ООО «Гипрониигаз-МП» разработали методику модульного технико-экономического расчета схем теплоснабжения. Ниже приведены некоторые результаты такого расчета, где объединены традиционные российские методы проведения технических и экономических расчетов и европейские методы экономического анализа, которые Ramboll применяет для анализа эффективности инвестиций в теплоснабжении. Форма расчета позволяет достаточно оперативно и наглядно получить ответ на вопрос о выборе наилучших вариантов инвестирования в развитие системы ЦТ, оптимизации схемы теплоснабжения.
Технико-экономический расчет естественным образом распадается на техническую и экономическую части, состоящие из ряда программных модулей.
Экономический расчет довольно-таки прозрачен, что обусловлено существованием ряда стандартных методик и универсальных программ для оценки экономической эффективности, а также относительно большими возможностями реализовывать специализированные программы по экономическому анализу систем теплоснабжения.
Методы технико-экономического анализа
Техническая часть. Основную сложность в подобных расчетах, как правило, представляет техническая часть — преобладают единичные расчеты различной сложности ввиду отсутствия универсальной методики технического расчета. Это обусловлено уникальностью схем теплоснабжения городов и существованием большого разнообразия источников (ТЭЦ, котельные, ГТУ и ПГТУ), каждый из которых, по сути, индивидуален. Например, ТЭЦ строится по индивидуальным проектам и характеристики зависят не только от состава основного оборудования, но и от топлива, конфигурации, нагрузки, технического состояния, а энергетические характеристики турбин существуют, как правило, в виде экспериментальных диаграмм.
Методы технико-экономического анализа, существующие на сегодняшний день, можно классифицировать следующим образом:
• точный единичный технический расчет и оценка экономической эффективности для конкретного варианта;
• приближенный общий технический расчет и оценка эффективности проекта на основе разности показателей проектов;
• универсальный модульный расчет.
В отечественной практике в настоящее время используется, в основном, 1 -ый из указанных методов — анализ для конкретной ситуации, как технический, так и экономический, что обусловлено указанными выше трудностями технического расчета и конкретной спецификой экономической ситуации в каждом случае, а также отсутствием универсальной системы расчета.
Второй метод используется в зарубежной практике (в частности, в датской) и пока не нашел широкого применения в нашей стране.
Универсальному модульному расчету, разработанному в ООО «Гипрониигаз-МП», как уже было сказано выше, и посвящена настоящая статья. Модульность заключается в том, что существующие блоки-составляющие программы независимы и могут быть «собраны» в различных комбинациях в зависимости от конкретного расчета и поставленной задачи. После каждого проведенного расчета происходит обогащение базы данных за счет полученных результатов.
Сравнение российского и зарубежного подходов к расчету схем теплоснабжения. Попробуем разобраться, почему западная методика не пользуется у нас особой популярностью. Зарубежный подход к техническому расчету основывается, в основном, на экспериментальных данных и результатах конкретных расчетов.
Сравним подходы с точки зрения вычисления расчетной нагрузки и годового расхода теплоты на отопление и вентиляцию. В российском подходе расчетная тепловая нагрузка определяется по фактической присоединенной нагрузке или точным расчетом жилого фонда (по справке формы 18 ЖКХ и удельным расходам на отопление 1 м 2 из СНиП), затем считается годовое потребление тепла — с учетом климатических данных (повторяемость температур наружного воздуха за отопительный сезон). В подходе Ramboll, напротив, сначала определяется годовое потребление тепла по среднему удельному расходу на отопление 1 м 2 и числу часов максимальной нагрузки. И лишь потом считается расчетная тепловая нагрузка — делением годового потребления на число часов максимальной нагрузки.
Обратимся теперь к расчету годового расхода сетевой воды. В российской практике расход сетевой воды на отопление постоянен на протяжении всего отопительного периода, что соответствует качественному регулированию. Он определяется как расход воды при расчетной нагрузке. К расходу на отопление прибавляется расход воды на ГВС. Зарубежными специалистами годовой расход сетевой воды определяется делением годового отпуска тепла на среднюю величину охлаждения — 50 О С. Такой подход соответствует количественному регулированию, характерному для западных систем ЦТ.
Различается также и расчет потерь тепла через изоляционные конструкции и с утечкой сетевой воды. В нашей стране потери тепла через изоляционные конструкции задаются по фактическим потерям или рассчитываются по нормативам потерь (нормативные потери в тепловых сетях рассчитываются по удельным тепловым потерям для разных видов труб и температурных режимов на основе СНиП и корректируются результатами испытаний выборочных участков труб). Утечка сетевой воды согласно СНиП рассчитывается как доля от объема воды в тепловой сети. На Западе потери тепла через изоляционные конструкции рассчитываются по длине труб с разными удельными тепловыми потерями, а утечка сетевой воды рассчитывается по длине труб с разными удельными потерями теплоносителя, выраженными в м 3 /ч/км.
По-разному происходит и расчет технико-экономических характеристик источника. В российском подходе они рассчитываются на основании расчета тепловой схемы источника тепла (ТЭЦ, котельной или ГТУ), расчетов энергетических характеристик оборудования (котлов, турбоагрегатов, ГТУ) и систем на конкретных режимах с использованием данных об оборудовании. В зарубежном подходе дело обстоит иначе:
• источник описывается электрической мощностью, общим КПД, отношением электрической мощности к тепловой — Cm;
• производство электроэнергии источником определяется по годовому производству тепла и коэффициенту Cm;
• годовой расход топлива на источнике считается по сумме годового производства электроэнергии и тепла и общему КПД.
Экономическая часть. Обратимся теперь к экономической части модульного расчета.
Существует 2 основных подхода к анализу экономической эффективности инвестиционного проекта:
• на основе денежных потоков по каждому варианту отдельно, непосредственное сравнение вариантов с помощью абсолютных показателей эффективности: NPV, IRR и др. (чистая приведенная к сегодняшнему дню стоимость (NPV) — дисконтированная стоимость будущих денежных поступлений минус дисконтированная оценка стоимости инвестиций; данный показатель используется для оценки проектов, требующих капиталовложений. Внутренний коэффициент рентабельности (IRR) -норма внутренней рентабельности инвестиций, рассчитываемая путем нахождения такой ставки дисконтирования, при которой приведенная стоимость будущих денежных поступлений равняется приведенной сумме инвестиций — прим. ред.);
• на основе разницы денежных потоков инвестиционных и базового вариантов проекта, с помощью следующих основных показателей эффективности: NPV разницы вариантов, IRR разницы вариантов и др.
Ниже приведены преимущества каждого из них:
1. Рассмотрение каждого сценария проекта самого по себе дает больше информации по каждому варианту проекта в отдельности. Данный подход представляет интерес для кредитных институтов (а в некоторых случаях является необходимым для предоставления кредитору). Из результатов данного подхода легко получить результаты второго.
2. Второй подход — на основе разностных показателей эффективности — в некоторых случаях позволяет обходить ошибки или отсутствие в данных. Данный подход представляет особый интерес для акционеров. В ряде случаев во многом облегчает сравнительный анализ вариантов проекта.
На конкретном примере ниже показана взаимосвязь этих 2-х методов.
Так, из результатов расчета NPV и IRR по 2-м вариантам проекта в отдельности (первый подход) легко следуют результаты второго подхода
— NPV разницы вариантов, IRR разницы вариантов. Если в отношении NPV все просто (показатель NPV — аддитивная величина), то в отношении IRR такое следствие не совсем очевидно. IRR разницы 2-х вариантов проекта представляет собой ту ставку дисконтирования, при которой NPV обоих вариантов совпадают на заданный момент времени (см. рисунок). На рисунке представлен графический способ (как наиболее наглядный) определения IRR разницы 2-х вариантов проекта из результатов расчета абсолютных показателей эффективности по каждому варианту в отдельности.
Результаты экономических расчетов по ряду проектов.
Проект 1. Сооружение ГТУ-ТЭЦ, продиктованное необходимостью развития электрогенерирующих мощностей в городе.
— электроэнергия покупается у внешних источников и затем перепродается потребителям по более высокой цене;
— вариант, прибыльный для местного АО «Энерго».
— электроэнергия вырабатывается собственным источником — ГТУ-ТЭЦ;
— инвестиционный проект окупается за 11 лет.
• NPV разницы результирующих денежных потоков проектов (инвестиционный вариант минус базовый вариант) на рассматриваемом временном горизонте (16 лет) отрицателен.
• Темп роста NPV инвестиционного варианта выше, чем базового варианта.
Данный пример иллюстрирует случай, когда оценка инвестиционного проекта первым методом (методом расчета абсолютных показателей по каждому варианту в отдельности) приводит к ответу, в принципе, приемлемому со стороны кредитного института:
— предоставляется информация о реализации проекта на заданном горизонте планирования, включая кредитные обязательства, поправки на инфляцию и учет рисков;
— срок окупаемости проекта меньше, чем заданный горизонт планирования;
— наблюдается стабильный рост NPV. Однако сравнение базового и инвестиционного вариантов проекта любым из 2-х методов показывает, что инвестиционный вариант сильно уступает базовому, т.е. с точки зрения акционеров АО «Энерго» базовый вариант предпочтительнее.
Проект 2. Реструктуризация системы теплоснабжения части города с целью оптимального распределения нагрузки источников тепла и рационального использования топлива.
— ТЭЦ работает в неоптимальном режиме неполной тепловой загрузки, в районе ее действия загружены котельные, эффективность выработки тепла в которых ниже, чем на ТЭЦ;
— объединение ТЭЦ, указанных котельных и сетей, подключение котельных к магистрали ТЭЦ, перераспределение тепловой загрузки источников;
— заданный горизонт планирования проекта -5 лет, динамика роста NPV проекта указывает на то, что он окупится через 6 лет;
— расчет инвестиционного варианта производился «с запасом», т.е. при уточнении данных результаты проекта должны улучшиться.
• NPV разницы результирующих денежных потоков проектов (инвестиционный вариант минус базовый вариант) через 3,5 года становится положительным и далее продолжает возрастать.
Данный пример иллюстрирует случай, когда оценка инвестиционного варианта проекта с помощью расчета абсолютных показателей показывает, что инвестиционный вариант не окупается в заданный промежуток времени.
Однако сравнение базового и инвестиционного вариантов проекта любым из двух методов показывает, что инвестиционный вариант — прибыльный, базовый — убыточный. То есть инвестиционный вариант, естественно, предпочтительнее.
Проект 3. Сооружение энергосберегающей газотурбинной теплоэлектростанции (ГТЭС) на газоперерабатывающем заводе (ГПЗ) для выработки электрической и тепловой энергии на основе метана, вырабатываемого на данном ГПЗ. Реализация тепла и большей части электричества на ГПЗ и оставшейся части электроэнергии на других предприятиях организатора проекта:
— инвестиционный проект для данной организации рассматривается как новый проект;
— срок окупаемости проекта — 5 лет;
— в случае реализации проекта ГПЗ ежегодно терпит убытки по сравнению с начальными условиями, но высокие результаты проекта позволяют компенсировать их (например, за счет снижения тарифов на энергию для ГПЗ). Данный пример иллюстрирует случай, когда для организатора проекта оценка эффективности инвестиционного проекта производится первым методом (методом расчета абсолютных показателей по каждому варианту в отдельности), поскольку строительство ГТЭС — новая идея для данного предприятия. Инвестиционный проект приемлем как для организаторов проекта, так и для кредитных институтов.
При оценке эффективности проекта необходимо также учесть интересы ГПЗ. С точки зрения акционеров ГПЗ проект является приемлемым, если будут компенсированы связанные с его реализацией убытки. В данном примере доходы от реализации проекта существенно превосходят потери завода, поэтому данные меры вполне осуществимы.
Учет возможных рисков во всех 3-х проектах проводится методом анализа чувствительности итоговых показателей проекта к изменению ряда управляющих параметров. Из анализа чувствительности определяются факторы, в наибольшей степени оказывающие влияние на результаты проекта. Такими факторами оказываются тарифы на тепловую и электрическую энергию и топливо, объем инвестиций.
