Практика регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя

Размещено на http://allbest.ru

Практика регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя

Несмотря на то, что во всех городах Украины системы централизованного теплоснабжения подают в последние годы недостаточное для нормального обогрева зданий количество тепловой энергии, все еще существует возможность существенного уменьшения теплопотребления без ухудшения и без того неудовлетворительного температурного режима зданий. Эта возможность может быть реализована при оборудовании тепловых пунктов общественных зданий средствами программного уменьшения тепловой мощности в нерабочее время.

Для решения этой задачи необязательно оснащать тепловые пункты сложной зарубежной техникой. Можно использовать имеющиеся в Украине технические средства и микропроцессорные приборы, способные реализовать прерывистое отопление зданий.

После реализации программного уменьшения тепловой мощности в общественных зданиях Украины потребление природного газа сократится на 1,5 млрд. куб. м в год, что равно годовому потреблению газа всеми теплоснабжающими организациями города Киева.

Реализация полномасштабной программы модернизации тепловых пунктов общественных зданий по Украине в целом потребует 250 млн. долларов со сроком окупаемости около 2 лет.

Немного теории

Теория прерывистого отопления восходит ко временам [1], когда непрерывное водяное отопление было редкостью, а печи топили обычно только поутру, хотя в стужу приходилось топить и под вечер. Проблемы нестационарного теплообмена применительно к отопительным системам современных зданий также не оставались без внимания исследователей, а метод прерывистого отопления, или регулирования пропусками всегда упоминался в учебниках [2] как возможный для применения, однако реально этот метод практически не применялся.

Если прекратить на время подачу теплоносителя в систему водяного отопления, то помещения начнут остывать. Темп остывания зависит от теплоемкости строительных конструкций, термического сопротивления наружных ограждений, температуры наружного воздуха, скорости ветра. Остывание происходит по экспоненте. Температуру воздуха в помещении t через z часов остывания можно определить по уравнению [3]

(-z/B)

t = tn + (tвн.р - tn)^e

где tn - температура наружного воздуха во время отключения системы отопления,

tвн.р - температура внутреннего воздуха перед отключением,

В - коэффициент аккумуляции тепловой энергии отапливаемым помещением. Этот коэффициент имеет размерность (час), и потому его называют еще постоянной времени помещения.

Значение коэффициента аккумуляции для каждого здания или помещения может определяться опытным путем или расчетом. В этой работе не ставится задача определения величин В. Для нас важно знать лишь возможный диапазон, внутри которого находятся эти величины, с тем, чтобы, принимая во внимание характерные значения, оценить возможности реализации регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя. Из литературы [4] известно, что постоянная времени для жилых и общественных зданий массового строительства, построенных по нормативам теплозащиты 60 - 80-х годов, находится в интервале значений 50<B<150 часов, причем меньшему значению В соответствует здание из легчайших строительных конструкций, а массивные дома характеризуются более значительными величинами постоянной времени.

На рис. 1 построены кривые охлаждения воздуха в помещениях из легких конструкций, характеризующихся значением В 162 ч.

Рисунок показывает, что при нулевой температуре на улице воздух помещения охладится от начальной температуры + 18 ОС до + 10 ОС почти за десять часов, и примерно столько же времени потребуется для охлаждения внутреннего воздуха до отрицательной температуры при двадцатиградусном морозе.

Резерв энергосбережения, реально у нас пока не задействованный

В большинстве общественных зданий рабочий день начинается в 9, а заканчивается в 18 часов. Ночью и в выходные дни там никого нет, а отопление работает, как днем.

Контроллеры, обеспечивающие программное уменьшение тепловой мощности систем теплопотребления в нерабочее время, на западе применяются повсеместно. Некоторое количество систем с возможностью автоматического ночного понижения температуры смонтировано и у нас. Вместе с тем, можно предположить, что системы эти практически не задействованы, потому что куплены они за немалую цену богатыми заказчиками, которые не станут экономить деньги на тепло, если при этом предполагается возможность некоторого дискомфорта, пусть и во внеурочный час.

Стоимость современного теплового пункта со смесительными насосами системы отопления, современной регулирующей и запорной арматурой, пластинчатыми водоподогревателями горячего водоснабжения и автоматикой составляет от 10 до 15 тыс. долларов. Потребитель массовый (школы, детские сады, поликлиники, клубы, проектные организации, районные и городские администрации, различного рода конторы и пр.) не в состоянии приобрести столь дорогое оборудование, и по этой причине возможность реализации программного снижения теплопотребления общественных зданий массовой застройки в ближайшие годы становится маловероятной.

А между тем, другой возможности существенно уменьшить теплопотребление существующих зданий у нас практически не осталось. Еще недавно надежды на достижение заметной экономии топлива связывались у нас с погодным регулированием. Предполагалось, что тепловые сети не успевают следить за погодой и временами подают теплоноситель с более высокой, чем нужно для отопления температурой. Теперь, после административного понижения температурного графика тепловой сети, когда предельно высокая температура в подающем трубопроводе уствилась на уровне 80 ОС вместо положенных 150 ОС, а фактическая продолжительность отопительного сезона сократилась на 2-3 недели по сравнению с нормативом, возможности погодного регулирования сведены практически к нулю.

На рис. 2 показаны фактические и расчетные температуры теплоносителя в подающем трубопроводе Киевской ТЭЦ - 5 за 1999 год.

Синей линией обозначены среднесуточные температуры наружного воздуха, значения которых для города Киева приняты по данным Гидрометцентра Украины за 1999 год. Зима в том году не была суровой, однако большая часть отопительного сезона пришлась на область недостаточного отопления, при котором температура теплоносителя была ниже расчетного значения. И только в течение нескольких дней в марте и октябре шел перегрев, который можно было бы устранить средствами погодного регулирования. В то же время, в эти несколько теплых дней, несмотря на перетоп, тепло расходовалось в небольших количествах, и погодное регулирование могло бы сэкономить совсем немного тепловой энергии. Это хорошо видно на графике, в котором функцией является не температура, а величина теплопотребления одного из общественных зданий, присоединенных к Киевской ТЭЦ - 5 (рис. 3).

Из рисунка видно, что в области избыточного отопления расположена лишь незначительная часть общего теплопотребления. Применительно к исследуемому зданию, для отопления которого было израсходовано 2294 Гкал в год тепловой энергии, область избыточного отопления вмещает в себя лишь 32,5 Гкал, что составляет только 1,4 % от общего теплопотребления. Как видим, немного можно было бы сэкономить средствами погодного регулирования тепловой мощности.

Значительно больше можно было бы сэкономить энергии, если бы осуществить в рассматриваемом здании программное снижение тепловой мощности в нерабочее время. Если допустить ночное понижение температуры помещений до + 10 ОС, то относительно этой температуры область избыточного отопления существенно расширилась бы. Даже несмотря на недостаточную температуру теплоносителя. Расчеты показывают, для того же общественного здания можно было бы сэкономить 360 Гкал за отопительный сезон, что составляет 15,7 % от годового теплопотребления (рис. 4). На рисунке зафиксированы величины суточного, то есть суммарного дневного и ночного теплопотребления. График показывает, что тепло можно экономить почти ежедневно, точнее еженочно. Это не исключает однако проблем, связанных с недостаточностью дневного отопления, вызванного низкой температурой теплоносителя. Если бы рисунок отражал величины дневного теплопотребления, то область недостаточного отопления была бы столь же обширна, как и на рис. 3. Эта область и на рис. 4 достаточно заметна, - она покрывает ту зону, в которой внутренние температуры реально не превышали + 10 ОС. Тут и ночью ничего сэкономить невозможно.

Тем не менее, в течение большей части отопительного периода суточное теплопотребление в общественных зданиях может существенно снижаться даже при нынешнем недостаточном теплоснабжении. Если к вычисленному по графикам рис. 4 потенциалу ночного снижения внутренних температур (15,5%) добавить потенциал возможного снижения темпера тур в выходные дни, то общий энергетический потенциал программного уменьшения тепловой мощности в общественных зданиях может быть оценен величиной18 - 20 %.

Динамика ночного теплопотребления

Средняя наружная температура в течение отопительного периода для большинства районов Украины близка к 0 ОС. Это дает основание воспользоваться кривой охлаждения tn = 0 ОС. (рис. 1) в качестве исходной для построения температурного графика в помещении общественного здания, отапливаемого нестационарно с возможностью ночного понижения температуры до значения + 10 ОС (рис. 5).

Если отключить систему отопления нетеплоемкого здания в 17 часов при нулевой наружной температуре, то температура в помещениях понизится до + 10 ОС только к двум часам ночи.

К этому времени в систему нужно подать на 10 - 15 минут расчетное количество теплоносителя, чтобы поднять температуру до 10,5 -11 ОС, после чего система должна быть снова отключена на 45 - 55 минут. В таком режиме прерывистого отопления система должна работать примерно до 6 часов утра, когда ее нужно включить для непрерывной работы с целью повышения температуры внутреннего воздуха к началу рабочего дня. Вначале эта температура будет повышаться быстро при подаче в систему расчетного количества теплоносителя, потому что тепловая мощность отопительных приборов будет превышать расчетное значение из-за более низкой температуры воздуха, однако с повышением температуры скорость возрастания температуры будет уменьшаться, и до расчетного (18 ОС) значения эта температура теоретически будет возрастать бесконечно долго, если процесс нагревания искусственно не форсировать, подав в систему, начиная с 7 часов 30 минут, увеличенный по сравнению с расчетным значением расход теплоносителя. К 9 часам утра, то есть к началу рабочего дня температура внутреннего воздуха достигнет 18 ОС, и расход теплоносителя должен быть вновь понижен до расчетного значения.

Характер относительного (в долях от расчетных значений) изменения расхода теплоносителя и теплопотребления по часам суток приведен на рис. 6.

Практически полностью прекращать подачу теплоносителя в ночное время было бы неправильно, потому что в этом случае температура воды в обратном трубопроводе системы отопления никак не отражала бы фактическое ее состояние, а это не позволило бы использовать этот важный параметр в качестве сигнала управления работой автоматики. Поэтому минимальный расход теплоносителя должен быть на уровне от 5 до 10% от расчетного значения. Тогда кратковременный максимальный, в период активного натопа расход воды не превысит 140% расчетной величины.

Относительные величины часового теплопотребления будут близкими величинам расхода, однако они не будут в точности равны им из-за того, что температура воды в обратном трубопроводе будет изменяться вместе с изменением расхода. Так, если минимальный расход теплоносителя будет установлен на уровне 5% от расчетного значения, то минимальное теплопотребление составит около 8%. С учетом этой разницы уменьшение суточного теплопотребления при минимальной ночной температуре внутреннего воздуха 10 ОС оценивается величиной 18-20%.

Тепловой пункт

Основным и бесспорным критерием качества современной отопительной системы является ее способность адекватно реагировать средствами автоматического регулирования на изменяющиеся потребности в тепловой энергии отапливаемого здания независимо от того, меняется ли потребность в результате внешних воздействий на здание или в последствие внутренних факторов. В современных тепловых пунктах адекватное реагирование обеспечивается средствами пропорционального качественного регулирования, при котором плавно меняется температура теплоносителя, в то время как расход воды в системе отопления остается неизменным.

Для реализации пропорционального регулирования в тепловом пункте устанавливают циркуляционные насосы, а смешение воды из подающего трубопровода тепловой сети с водой из обратного трубопровода системы отопления обеспечивается регулирующим клапаном, устанавливаемом на подающем трубопроводе, или трехходовым регулирующим клапаном, устанавливаемом в точке смешения. При применении микропроцессорной автоматики можно обеспечить таким способом достаточно эффективное центральное регулирование отопительных систем, хотя, следовало бы отметить, любое центральное регулирование многокомнатного здания не способно в полной мере решить задачу экономного расходования энергии столь же эффективно, как это можно было бы реализовать средствами регулирования местного.

На Украине бесшумные циркуляционные насосы, которые могли бы устанавливаться в тепловых пунктах зданий, не производятся, и потому практически все существующие здания, присоединенные к системам централизованного теплоснабжения, оборудованы элеваторным тепловым вводом. В отличие от электрического циркуляционного насоса насос водоструйный (элеватор) не способен обеспечить пропорциональное регулирование тепловой мощности, потому что при неизменяющемся сопле в нем происходит смешение при неизменной пропорции смешивающихся сред, в то время как процесс регулирования предполагает возможность изменения этой пропорции или, как принято называть, коэффициента смешения. По этой причине на Западе элеватор напрочь отвергнут как устройство для тепловых пунктов. Быть может это произошло еще и потому, что с бесшумными насосами там уже давно проблем никаких не возникает.

Несмотря на то, что современные бесшумные насосы сегодня свободно предлагаются иностранными фирмами на внутреннем рынке Украины, у нас проблем с этим оборудованием будет немало, если оценивать эти проблемы, глядя из темных подвалов и непролазных технических подполий миллионов построенных за последнее десятилетие жилых домов, детских садов, школ и других зданий. Поэтому стоит внимательнее присмотреться к знакомому всем элеватору, которому иногда приписывают недостатки, вовсе не свойственные.

Говорят, что у элеватора низкий КПД, и это было бы справедливо, если бы для его работы необходимо было бы расходовать энергию. На самом деле для работы смешения используют имеющуюся разность давлений в трубопроводах теплоснабжения. Если бы не элеватор, то пришлось бы дросселировать поток теплоносителя, а дросселирование, как известно, - это чистая потеря энергии. Поэтому применительно к тепловым вводам элеватор - это не насос с низким КПД, а устройство для вторичного использования энергии, затраченной на привод циркуляционных насосов ТЭЦ или районной котельной.

Говорят, что элеватор - это устройство, не способное обеспечить заданный коэффициент смешения, потому что сопло должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление в трубопроводах тепловой сети, а коэффициент смешения при этом будет такой, какой получится. К сожалению, на практике часто так и поступают, но это неправильная практика. Сопло не должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление. Избыточное давление должно устраняться регулятором перепада давления или дроссельной шайбой, а сопло элеватора должно подбираться таким образом, чтобы обеспечивался заданный расход воды в системе отопления. Хуже, когда на вводе нет достаточного для работы элеватора располагаемого давления. Так иногда бывает, но тогда и применять элеватор не следует.

Неспособность обеспечить пропорциональное регулирование - это единственный недостаток элеватора, устройства, в целом, очень простого, надежного и непритязательного в эксплуатации.

Посмотрим теперь вновь на характер изменения расхода теплоносителя при программном регулировании тепловой мощности (рис. 6). Здесь не нужно никакого пропорционального изменения расхода сетевой воды, то есть не нужно ничего такого, с чем бы не справился элеватор. Это сразу открывает реальные возможности уменьшить теплопотребление в общественных зданиях, не прибегая к полной и дорогостоящей реконструкции имеющихся тепловых пунктов, которые могли бы быть оснащены так, как показано на рис. 7.

На тепловом вводе устанавливается теплосчетчик (поз. 1-3). Сопло существующего элеватора 4 рассчитывается на обеспечение проектного смешения, а дроссельная шайба 5 -на погашение избыточного давления. В конце рабочего дня должен закрыться электромагнитный клапан 6, имеющий калиброванное отверстие для пропуска 5% теплоносителя при закрытом положении клапана. Одновременно закроется электромагнитный клапан 7, отключающий на часы нерабочего времени систему горячего водоснабжения от источника тепла. Электромагнитный клапан 8 откроется на короткое время перед началом рабочего дня для того, чтобы интенсивно нагреть помещения, остывшие за ночь. Проток теплоносителя через открытый клапан 8 лимитируется установленной рядом с ним дроссельной шайбой.

Датчики температуры теплоносителя 9 и воздуха 10 дают информацию для электронного регулятора 11, имеющего встроенные часы (таймер). Регулятор командует открытием и закрытием электромагнитных клапанов 6, 7 и 8. Команды могут формироваться на основе информации, полученной от датчиков температуры, установленных в двух контрольных помещениях, расположенных на различных фасадах здания, причем должна приниматься во внимание информация о температуре в самом холодном контрольном помещении, что весьма важно для тех случаев, когда один из фасадов обдувается сильным ветром. Можно воспользоваться также информацией о температуре воды в обратном трубопроводе, с тем, чтобы вычислять продолжительность возможного отключения системы отопления. Например, при температурах наружного воздуха выше +5 ОС регулятор может отключить систему отопления на всю ночь, а при температурах --15 ОС и ниже режим ночного программного регулирования можно отключить.

Тепловой пункт включает в себя также обычные устройства (поз. 12-17) для горячего водоснабжения. К числу этих устройств отнесен также воздухосборник 15 с краном 16 для автоматического выпуска воздуха.

Известно, что в системах горячего водоснабжения большую опасность представляет собой кислородная коррозия. Применяется много устройств, способных подавить эту коррозию (напр. катодная защита, силикатная обработка воды и др.), однако простейшим из таких устройств является воздухосборник с краном, установленные непосредственно после водоподогревателя. Кислород, выделившийся из подогретой воды, выходит в атмосферу до того, как он поступит в трубопроводы.

Применение относительно емкого воздухосборника играет еще одну положительную роль. Если расположить датчик температуры системы горячего водоснабжения за воздухосборником так, как это показано на рис. 7, то система регулирования приобретает некоторую аккумулирующую способность, и это дает возможность применить электромагнитный клапан 8 не только для отключения водоподогревателя в нерабочее время, но и для поддержания температуры горячей воды на заданном уровне. Имеющийся опыт подтверждает такую возможность.

Электромагнитный клапан открывался по команде электронного регулятора при температуре горячей воды в тот момент, когда она опускалась ниже 52 ОС, и закрывался тогда, когда эта температура превышала 55ОС, такой разброс температур вполне допустим для большинства потребителей в жилых и общественных зданиях, и не всегда более сложные регуляторы способны поддерживать температуру горячей воды с большей степенью точности в системе, где водопотребление меняется непрерывно и непредсказуемо.

Положительный опыт использования позиционного регулятора для пропорционального регулирования системы горячего водоснабжения дает основания для оптимизма при оценке возможности реализации погодного регулирования в системе отопления, обладающей еще большей инерционностью по сравнению с системой горячего водоснабжения. Если в нашей схеме (рис. 7) регулятор 11 будет поддерживать требуемую температуру воды в обратном трубопроводе системы отопления при помощи электромагнитного клапана 6, то можно будет уменьшать теплопотребление не только ночью, но и в часы рабочего времени. Для того, чтобы в процессе погодного регулирования обеспечить 10-ти процентную экономию тепловой энергии, достаточно через каждую минуту прерывать поток теплоносителя на 6 секунд. В емкой водяной системе отопления такая пульсация теплового потока обусловит температурную пульсацию с амплитудами, которые останутся практически незамеченными.

Техника для модернизации теплопунктов

Элеватор. Существующий элеватор, если он правильно подобран, не должен заменяться. Правильно подобранный элеватор должен обеспечивать проектный коэффициент смешения.

Регулирующий клапан. Электромагнитные клапаны диаметром условного прохода от 25 до 55 мм выпускаются предприятиями КИАРМ (г. Киев) и «Армапром» (г. Миргород). По информации КИАРМ клапаны могут быть изготовлены с калиброванным отверстием, рассчитанным на пропуск минимального (ночного) расхода теплоносителя, величина которого может составлять 5 - 10% от расчетного значения. Клапаны могут быть снабжены устройством, замедляющим процесс закрытия прохода теплоносителя, с тем, чтобы исключить возможность гидравлического удара.

Регулятор. В качестве регуляторов могут быть использованы контроллеры ФУТ (формирователь управляющего тока) производства КЦКБА (г. Киев), способные реализовать уменьшение теплопотребления по любой заданной программе.

Теплообменник. Существующий теплообменник горячего водоснабжения, выполненный из кожухотрубных 4-метровых (или 2-метровых) водоподогревателей с латунными трубками может не заменяться, если он:

присоединен к тепловой сети в соответствии с действующими нормами;

находится в удовлетворительном техническом состоянии;

выполняет свои функции должным образом;

-не занимает место, которое по мнению администрации могло бы использоваться более эффективно.

Если хотя бы по одной из этих позиций выявлено несоответствие, теплообменник должен быть заменен на новый.

В случае, если в существующем пункте здания нет теплообменника, и горячее водоснабжение обеспечивается из центрального теплового пункта, расположенного за пределами здания, то целесообразно установить новый водоподогреватель в индивидуальном тепловом пункте здания.

При выборе типа теплообменника следует исходить из возможности применения:

кожухотрубного теплообменника старой конструкции с латунными трубками;

пластинчатого теплообменника, например, типа ТОПР, выпускаемого Центром тепло- и водоснабжения(г. Киев);

теплообменника ТТАИ с высокой плотностью теплового потока, выпускаемого предприятием «Теплообмен» (г. Севастополь).

Сопоставление этих типов теплообменников, выполненное по определяющим параметрам (рис. 8), не оставляет сомнений в том, что новая конструкция теплообменника с высокой плотностью теплового потока является несомненным лидером.

Потенциал программного регулирования

Возможности уменьшения теплопотребления общественными зданиями средствами программного регулирования определяется количеством зданий, в которых такое регулирование целесообразно реализовать, а также числом нерабочих дней в неделе, в течение которых возможно сократить теплопотребление. Оценка величины возможной экономии выполнена на примере одного из областных центров Украины. Анализ был выполнен раздельно по каждой из групп общественных зданий с учетом этажности (1-2 этажные здания, 3-4 этажные и дома высотой 5 этажей и более рассматривались отдельно) и времени их постройки (до 1958 года, в период от 1958 до 1980 и после 1980 года), полагая, что эти факторы влияют на величину удельного теплопотребления.

Результаты анализа представлены в таблице 1.

Потенциал энергосбережения, равный 34 тыс. Гкал в год, относится к областному центру, в котором имеется 869 жилых домов общей площадью 3,26 млн. кв.м. Если пересчитать потенциал областного центра на Украину в целом, где городской жилой фонд составляет 580 млн. кв.м, то средствами программного регулирования можно было бы сократить теп-лопотребление на 6 млн. Гкал в год.

На выработку 1 Гкал тепловой энергии в среднем по Украине расходуется 185,8 кг условного топлива [5], и экономия могла бы составить 1,7 млн. т, что эквивалентно 1,5 млрд. куб. м природного газа. Такое количество газа потребляют за целый год все ТЭЦ и районные котельные города Киева, чтобы обеспечить его теплом. Цена этому газу - 120 млн. долларов.

Необходимые затраты

Чтобы модернизировать тепловой пункт среднего общественного здания, установив в нем необходимое для программного регулирования системы отопления оборудования, достаточно одной тысячи долларов (табл. 2).

Таким образом, для среднего областного центра с его 442 общественными зданиями хватило бы 0,5 млн. долларов для реализации программы модернизации элеваторных узлов тепловых пунктов общественных зданий, а для Украины, в целом, потребовалось бы примерно 90 млн. долларов со сроком окупаемости капитальных затрат около 2 лет.

Через два года после завершения первого этапа модернизации тепловых пунктов, то есть после того, как начнется процесс накопления средств, сэкономленных на покупке газа, можно было бы приступить ко второму этапу, в результате которого необходимо:

- установить во всех индивидуальных тепловых пунктах зданий водо-подогреватели горячего водоснабжения с высокой плотностью теплового

потока с тем, чтобы постепенно ликвидировать центральные тепловые пункты, занимающие площади дорогих земельных участков в городах, и вывести из эксплуатации ненадежные четырехтрубные тепловые сети;

установить эффективные регуляторы на системах горячего водоснабжения, способные экономить тепловую энергию, в том числе за счет средств программного регулирования;

заменить в тепловых пунктах зданий физически и морально изношенную арматуру старого образца новыми современными;

установить на сетевых насосах

всех районных котельных преобразователи частоты электрического тока с тем, чтобы тепловые сети были способны адекватно и энергетически рационально реагировать на колебания расхода теплоносителя в системе теплоснабжения, вызванные местным регулированием на индивидуальных тепловых пунктах.

Стоимость этих мероприятий для Украины оценивается величиной 250 млн. долларов со сроком окупаемости около 2 лет.

Литература

отопление энергосбережение теплопункт

Л.А.Семенов. Теплоустойчивость и печное отопление жилых иобщественных зданий. Машстройиз-дат, Москва, 1950.

В.Н.Богословский. Тепловойрежим здания. Стройиздат, Москва,1079.

В.Н.Богословский, А.Н.Скана-ви. Отопление. Стройиздат, Москва,1991.

Н.М.Зингер, В.Г.Бестолченко,А.А.Жидков. Повышение эффективности работы тепловых пунктов.

Энергетика и электрофикация.№ 6, Киев, 1999.

Размещено на Allbest.ru