Размещено на http://www.allbest.ru/

Опыт реконструкции теплового пункта общественного здания

В.Ф. Гершкович, руководитель Центра энергосбережений КиевЗНИИЭП

Старый теплопункт еще не демонтирован

Несмотря на неудовлетворительное, в целом, теплоснабжение городов из централизованных источников, все же есть еще реальная возможность существенно сократить теплопотребление без какого-либо ущерба для потребителя. Простые расчеты подсказывали, что, если повсеместно уменьшить подачу тепла в общественные здания ночью, то выгоду можно получить немалую.

Хорошо понимая, что расчеты, даже самые простые, убедят немногих, в КиевЗНИИЭПе была предпринята попытка в короткий срок реализовать проект реконструкции теплового пункта нашего главного здания и продемонстрировать на практике возможности эффективного использования энергии, получаемой из тепловой сети.

Проект, несомненно, удался.

До октября 2000 года тепловой пункт главного корпуса КиевЗНИИЭП был оборудован по правилам тридцатилетней давности (рис. 1а) и не удовлетворял современным требованиям по рациональному использованию энергии.

Главный корпус института, присоединенный к тепловой сети 1, состоит из двух зданий разной этажности, обогреваемых до реконструкции системами отопления 2 и 3. Вода, циркулировавшая под действием консольных насосов 5 в независимом от тепловой сети контуре 11-этажного кирпичного здания, подогревалась сетевой водой в водоподогревателе 4, а в 9-этажном крупнопанельном здании - при помощи элеватора 7. Для подпитки независимого контура использовались насосы 6.

В результате реконструкции системы отопления 2 и 3 были соединены последовательно друг другу через регенератор теплоты 8 (рис. 1б) по схеме со ступенчатой регенерацией теплоты (СРТ). На подающем трубопроводе был установлен гидравлический регулирующий клапан 9, управляемый электронным регулятором 10.

Старый теплопункт уже не работает, но он еще не демонтирован. Ржавеющие глыбы старых кожухотрубных теплообменников, консольных и вихревых насосов, замысловатые петли трубопроводов, одетых в лохмотья обветшалой теплоизоляции, облезлые щиты с пустыми глазницами приборов никогда не работавшей автоматики, - все это еще хранит в себе ностальгический шарм привычной техники. Впрочем, техника эта никогда на нашей памяти не была предметом особой гордости.

Теперь в здании совсем другой тепловой пункт, и все параметры систем теплопотребления стали заметно лучше:

* стало теплее в помещениях;

* потребление тепловой энергии существенно сократилось;

* электроэнергия для теплоснабжения не расходуется вовсе;

* освободились площади технических помещений;

* трудоемкость эксплуатации уменьшилась.

Новый теплопункт демонстрирует возможности отечественного оборудования, способного не только эффективно использовать энергию, но обеспечить быстрый возврат средств, затраченных на реконструкцию.

Почему в помещениях стало теплее

сетевой вода теплопотребление теплосъем

Сразу следует оговорить, что расход сетевой воды из системы централизованного теплоснабжения в результате реконструкции теплового пункта не увеличился. Расчетная тепловая мощность систем отопления была и осталась 1,6 Гкал/ч, и расход сетевой воды тоже не изменился, он равен 20 т/ч. Для того, чтобы понять, отчего в помещениях при этом стало теплее, рассмотрим (рис. 2) диаграммы, иллюстрирующие температуры теплоносителя в тепловой сети и в системе отопления.

Обычно принято проводить анализ, опираясь на «расчетные» температуры теплоносителя, которые для тепловой сети равны 150 - 70 °С, а для системы отопления 105 - 70 °С. Фантастическая иллюзорность столь высоких температур для нынешних систем теплоснабжения не оставляет сомнений в бессмысленности проведения основанного на этих температурах любого анализа, который мог бы иметь практическое значение. Причины долговременной живучести, так называемых, «расчетных» температур могли бы Рис.

стать предметом специального обсуждения, если бы это обсуждение могло иметь какие-либо реальные последствия.

Основой для нашего анализа стали температуры воды в теоретической «точке излома» отопительного графика. В этой точке, соответствующей (для климатических условий г. Киева) наружной температуре +4,5 °С, температура воды в подающем трубопроводе тепловой сети равна 70 °С, а в обратном 42,5 °С. Ниже 70 °С температура сетевой воды понижаться не должна, но это - теоретически. Практически, точка излома опустилась сегодня до 60 °С, что, впрочем, для нашего анализа значения не имеет. Важно то, что 70° - это реальная температура воды в подающем трубопроводе тепловой сети, которая поддерживается в нем в течение большей части отопительного периода. Кроме того, эта температура часто отвечает и теоретическому температурному графику тепловой сети, который вполне точно выдерживается тепловыми сетями при положительных температурах наружного воздуха.

Таким образом, реальные температуры теплоносителя на входе в тепловой пункт и на выходе из него в городскую сеть до реконструкции теплового пункта поддерживались, как и положено, на уровне 70 - 42 °С (область ТС на рис. 2а).

При независимом присоединении системы отопления к тепловой сети через теплообменник, как это было до реконструкции, низшая температура воды в системе отопления должна быть на несколько градусов ниже, чем температура уходящей из теплообменника греющей воды. В старом теплопункте рабочая разность температур на холодном конце противоточного теплообменника составляла 4°, а температура воды в обратном трубопроводе системы отопления была 38 °С.

Серьезным недостатком старой системы было применение консольных насосов для циркуляции воды в системе отопления. Отсутствие отечественных низконапорных циркуляционных насосов и недоступность изделий европейских стран вынуждали в свое время проектировщиков применять для систем отопления промышленные консольные насосы, несмотря на то, что развиваемое ими давление на порядок превышало величину гидравлического сопротивления системы. В результате, в системе отопления циркулировало слишком много воды, насос работал с низким КПД при непомерных затратах электрической энергии, разность температур в системе отопления была очень маленькой (область СО на рис. 2а), и потому в помещениях было холодно.

В новом теплопункте применена система со ступенчатой регенерацией теплоты (СРТ). Это - система с зависимым присоединением к тепловой сети, и потому температура воды, возвращающейся в городскую сеть, равна самой низкой в системе отопления температуре и составляет теперь 38 °С (рис. 2б).

В результате исключения насосов, расход воды в системе приблизился к проектному значению, а температура теплоносителя в подающем трубопроводе возросла от 46 до 55 °С, что и обусловило заметное улучшение температурного режима в большинстве помещений.

Как удалось сократить теплопотребление

Внимательный читатель уже обратил внимание на то, что улучшение температурного режима, о котором шла речь в предыдущем разделе, было достигнуто за счет увеличения теплосъема с сетевой воды, как и положено тому быть, согласно закону сохранения энергии. Несмотря на то, что расход сетевой воды в новом теплопункте не стал больше прежнего, разность температур на входе в тепловой пункт и на выходе из него стала больше, а, следовательно, теплопотребление возросло.

Но это только днем, в рабочее время.

Теперь, с окончанием рабочего дня регулирующий клапан 9 (рис. 1б) автоматически закрывает проход теплоносителю, пропуская не более 20% расчетного расхода сетевой воды. До утра регулирующий клапан открывается лишь периодически, поддерживая температуру воды в обратном трубопроводе на заданном уровне, и только за несколько часов до начала работы клапан вновь начинает пропускать расчетный расход теплоносителя, чтобы комнаты прогрелись к приходу сотрудников.

Регуляторы такого рода широко используются в европейских странах, а различные фирмы предлагают широкий выбор приборов и клапанов, способных решить задачу ночного понижения теплопотребления. Специалистам киевской фирмы КИАРМ, работавшим над оборудованием нового теплопункта в тесном сотрудничестве с центром энергосбережения КиевЗНИИЭП и с техническим персоналом института, удалось решить эту задачу достаточно простыми средствами и нетрадиционно.

Первоначально предполагалось использовать в проекте серийно выпускавшуюся КИАРМом арматуру - регулятор перепада давлений, необходимый для стабилизации работы системы отопления и приборов автоматики в условиях нестабильного располагаемого давления на абонентском вводе, и электромагнитный клапан условным проходом 65 мм, способный закрыть проход теплоносителя по команде импортного контроллера. В процессе работы КИАРМом был предложен, изготовлен, установлен и отлажен принципиально новый прибор, выполняющий функции регулятора перепада давлений прямого действия при отсутствии управляющего сигнала и автоматически закрывающийся при поступлении сигнала от регулятора на электромагнитный клапан, установленный на импульсной трубке диаметром 6 мм. Параллельно КИАРМом был разработан, изготовлен и впервые применен в теплопункте электронный регулятор (контроллер), способный управлять клапаном по специально разработанной совместно с центром энергосбережения программе.

Получилось устройство, потенциальные возможности которого представляются столь значительными, что выявить их до конца нам еще предстоит в будущем. Пока можно перечислить лишь бесспорные его достоинства:

* два регулятора совмещены в одном устройстве;

* мощный клапан, установленный на трубопроводе, где давление превышает 10 бар, управляется слабым электромагнитом;

* клапан, управляемый таким образом, закрывается удивительно мягко, в течение 30 - 40 секунд, что не только исключает появление гидравлических ударов, но и открывает возможности его применения в схемах с позиционным регулированием;

* очень простой электронный регулятор дает возможность гибкого управления клапаном в различных режимах, которые могут задаваться в достаточно широких пределах.

Исчезновение монстра

Старый теплопункт занимал помещения площадью более 100 квадратных метров и высотою 4,5 метра (рис. 3а). Новый теплопункт уместился в невысокой (2,5 м) комнате площадью всего 18 м2 (рис. 3б). На рисунках серым цветом выделены площади, занятые оборудованием.

Сокращение производственных площадей произошло вследствие исключения громоздких насосов и применения новых отечественных теплообменников со сверхвысокой плотностью теплового потока.

Теплообменники производства севастопольского предприятия «Теплообмен» с плотным пучком тонкостенных трубок из нержавеющей стали по своим техническим и экономическим показателям превосходят лучшие образцы зарубежной техники в этой области.

В новом теплопункте теплообменники ТТАИ используются в качестве регенератора теплоты и водоподогревателя системы горячего водоснабжения. Изящные односекционные кожухотрубные аппараты установлены на стене и совсем не занимают места в тепловом пункте.

Компактности размещения оборудования способствует также современная арматура, в том числе малогабаритные и удобные в эксплуатации дисковые затворы Львовского предприятия «Техарм».

Безболезненное и быстрое исчезновение технического монстра, еще недавно занимавшего лучшее помещение в нижнем этаже здания, подсказывает возможность кардинального решения давно назревшей проблемы переоборудования великого множества несуразных строений, беспорядочно разбросанных по территориям наших городов. Речь идет о центральных тепловых пунктах (ЦТП), которые можно превратить в торговые заведения, учреждения отдыха или кафе, где на площадях, занятых сегодня бесполезно пожирающими энергию шумными насосами и бойлерами, могли бы себе в удовольствие и не без пользы для общества отдыхать люди.

Альтернатива погодному регулированию

Основной задачей контроллеров, управляющих работой систем отопления западного образца, является реализация погодного регулирования. Сущность погодного регулирования состоит в том, чтобы поддерживать температуру в подающем (или в обратном) трубопроводе системы отопления на уровне, соответствующем текущей температуре наружного воздуха.

При разработке проекта реконструкции теплового пункта было решено отказаться от погодного регулирования в том виде, как оно обычно реализуется контроллерами западного образца. При этом были приняты во внимание такие два фактора.

Во-первых, погодное регулирование должно обеспечиваться тепловыми сетями, которые обязаны выдерживать при качественном регулировании свой температурный график. Строго говоря, качественное регулирование - это и есть регулирование погодное. На Западе в системах районного отопления редко используют качественное регулирование. Поэтому там просто нельзя обходиться без погодных регуляторов в каждом абонентском вводе. У нас, если бы температурный график тепловыми сетями выдерживался, не было бы нужды устанавливать погодные регуляторы в тепловых пунктах.

Во-вторых, никакое погодное регулирование на абонентских вводах не способно обеспечить комфортный тепловой режим в зданиях, если тепловые сети не в состоянии по тем или иным причинам выдерживать температурный график, ими установленный. Было бы неправильно тратить деньги на дорогую автоматику, заставляя ее выполнять невыполнимые задачи, тем более, что, как уже было установлено, потенциал погодного регулирования в реальных условиях недостаточного теплоснабжения не превышает 1,5% величины годового теплопотребления, и никакие устройства, способные этот потенциал реализовать, не будут рентабельными.

Исходной посылкой при разработке алгоритма регулирования теплового пункта здания, присоединенного к системе централизованного теплоснабжения, было поддержание температуры воды в обратном трубопроводе системы отопления на уровне, соответствующем текущей температуре воды в подающем трубопроводе.

Температура воды, возвращающейся из системы отопления в тепловую сеть, - это простой и единственный параметр, интегрированно отображающий реальную информацию о потребительских качествах работающей системы отопления.

Отвечающая реальным условиям теплоснабжения температура обратной воды для рабочего времени t2Р,°C, вычисляется по простой формуле:

t2Р = 0,35t1 + 18 (1)

где t1 - текущая температура воды, °С, в подающем трубопроводе системы теплоснабжения.

Температура t2Р, вычисленная по формуле (1), вполне точно отвечает отопительному температурному графику тепловой сети с расчетными температурами 150 - 70 °С.

Если фактическая температура обратной воды выше величины t2Р, то это определенно свидетельствует об избыточном отоплении, и автоматика в этом случае обязана дать команду на уменьшение расхода сетевой воды. Если величина t2Р фактически не достигнута, автоматика будет стараться увеличить расход, но лимитная шайба тепловой сети не допустит превышения расчетного расхода.

Таким образом, в рабочее время регулятор выполняет простую задачу, - поддерживает, по возможности, температуру t2Р в обратном трубопроводе. Вот такое, удобное для тепловой сети, погодное регулирование.

Ночное понижение температуры

Всеобъемлющую аналитическую зависимость для ночного понижения температуры обратной воды в зданиях дать весьма трудно, потому что зависимость эта должна была бы включать в себя слишком много переменных. Массивность здания, тип отопительных приборов, степень гидравлической устойчивости отопительной системы, направление и скорость ветра, допустимое падение температуры помещений, наличие или отсутствие возможности форсированного натопа перед началом рабочего времени, температура наружного воздуха - вот лишь часть важнейших факторов, способных влиять на правильный выбор температуры обратной воды.

Оптимальный метод выбора алгоритма ночного понижения температуры должен основываться только на опыте. Тот реальный опыт, который накоплен в течение первых месяцев эксплуатации нового теплопункта, показал, что температура наружного воздуха является одним из самых весомых факторов, влияющих на выбор. При сильных морозах, в особенности, при недостаточном теплоснабжении, целесообразно вообще отказаться от уменьшения теплопотребления в ночное время, потому что даже при заблаговременном включении режима рабочего времени комнаты не успевают прогреваться.

В новом теплопункте, работавшем в условиях относительно теплой зимы, в нерабочее время реализовывалась установленная опытом очень простая зависимость желаемой температуры обратной воды t2H,°C, от текущей температуры t1 в подающем трубопроводе:

t2H = 0,46t1 (2)

Использование такой зависимости понижает температуру обратной воды в нерабочее время на 10 °С при текущей температуре подаваемой сетевой воды t1 = 70 °C с уменьшением этой разности по мере повышения температуры в подающем трубопроводе, что, в целом, отвечает логике программного снижения тепловой мощности. Коэффициент в формуле (2) очень легко может изменяться настройкой регулятора, и в условиях более суровой зимы на основании опыта должно быть установлено другое значение коэффициента, предположительно, в пределах от 0,5 до 0,55. С другой стороны, в самом начале и в самом конце отопительного периода, во время устойчивого стояния положительных температур наружного воздуха значение коэффициента можно понижать до 0,4... 0,45.

Первые результаты исследования

Исследование параметров реконструированной системы отопления было предпринято с целью оценки результатов реконструкции.

Объективная и подтвержденная результатами инструментальных измерений оценка должна была бы подтвердить или опровергнуть достижение заранее объявленной цели, которая была сформулирована достаточно парадоксально: средствами отечественной техники повысить температуру в рабочих помещениях при сокращении теплопотребления зданием.

Температура в рабочих помещениях фиксировалась при помощи самопишущих датчиков температуры SMART READER канадского производства. Датчики были установлены в девяти рабочих помещениях, расположенных на разных этажах обоих корпусов здания. Часть датчиков была установлена с возможностью одновременного измерения температур внутри помещения и снаружи. Датчики были настроены на измерение температур с интервалом 10 минут, причем электронные часы датчика фиксировали точное время и результат каждого замера с точностью 0,35 °С.

Температуры считывались переносным компьютером при помощи специальной канадской программы TREND, способной воспроизводить температурный график в графической или в цифровой форме в любом временном диапазоне измерений.

Небольшая часть цифровой информации, полученной благодаря программе TREND, транспонированная в графическую форму при помощи стандартной программы EXCEL, приведена на рис. 4 и 5. Эти данные, относящиеся к периоду стояния тех наружных температур, которые характерны для большей части отопительного периода в Киеве, отражают, в частности, возможность более глубокого регулирования для массивных зданий. Температура воздуха в помещениях кирпичного корпуса с чугунными радиаторами подверглась суточным колебаниям в гораздо меньшей степени, чем в той части здания, которая построена из легких панелей, а обогревается нетеплоемкими конвекторами.

На рис. отображены зафиксированные ультразвуковым расходомером теплосчетчика СЕМПАЛ расходы сетевой воды, постоянно изменяющиеся в часы нерабочего времени в процессе позиционного регулирования.

Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что потенциал позиционного регулирования до сего времени не оценивался должным образом. Относительно небольшие (в особенности, в кирпичном корпусе) колебания температур внутреннего воздуха в нерабочее время обусловлены весьма значительным снижением расхода теплоносителя.

Полные результаты всестороннего исследования найдут отражение в научном отчете, который будет составлен после окончания отопительного периода.

Затраты на реконструкцию окупились за два месяца

До реконструкции теплового пункта система отопления здания за сутки отопительного периода потребляла, в среднем, 16,5 Гкал тепловой и 350 кВт-часов электрической энергии, на оплату которых расходовалось около 1450 грн. ежедневно.

На реконструкцию теплового пункта летом 2000 года было затрачено 28 тыс. грн.

Сейчас для отопления ежедневно расходуется, в среднем, около 11,5 Гкал, а электрическая энергия не потребляется вовсе. Расходы на энергию сократились до 970 грн. за сутки.

Таким образом, ежедневная экономия затрат на энергоносители составляет около 480 грн.

Нетрудно посчитать, что срок окупаемости затрат на реконструкцию теплового пункта не превысил двух месяцев.

Мы здесь намеренно оценивали выгоду дневную, а не годовой экономический эффект, как это обычно принято. И делали это по двум причинам. Во-первых, потому что теплопункт еще не работает в течение года, и, хотя нет никаких сомнений в его продолжительной работоспособности, собственно годовой эффект пока не измерен. И, во-вторых, потому что перемноженные до гигантских значений цифры отрывают читателя от легко воспринимаемого им масштаба величин. Вряд ли кто-нибудь может представить себе, например, тысячу гигакалорий или сто тысяч кубометров природного газа. 480 гривен легко вообразит себе каждый. За сутки.

И все же, чтобы не заслужить упрек в игнорировании общепринятых методик, заполним таблицу технико-экономических показателей, проделав несложные арифметические вычисления (табл. 1).

Опыт, который можно распространять

Общественных зданий, в которых можно и нужно снижать ночную температуру, в городах Украины очень много, примерно 45 тысяч. По предварительной оценке их общая тепловая мощность равна около 10,3 тыс. Гкал/ч, а потребляемая этими зданиями в течение года тепловая энергия оценивается величиной 20 млн Гкал.

Общая стоимость переоборудования существующих тепловых пунктов этих зданий не должна превысить 500 млн грн. После завершения реконструкции только за один отопительный сезон можно будет сберечь 1,1 млрд м природного газа на общую стоимость около 90 млн у.е.

Очень быстрый срок окупаемости затрат на реконструкцию, проведенную в тепловом пункте КиевЗНИИЭП, частично объясняется относительно большой тепловой мощностью системы отопления. В большинстве случаев тепловая мощность будет меньше, и величина экономического эффекта будет не столь внушительна. Можно ожидать, тем нe менее, что затраченные на реконструкцию теплового пункта средства в любом случае вернутся инвестору в течение одного отопительного сезона.

Не упустить бы шанс...

Несмотря на очевидную выгоду широкого распространения нашего опыта, есть опасения, что тепловые сети станут этому активно противиться. Сопротивление со стороны администрации предприятий тепловых сетей будет непосредственно связано со снижением платежей этому ведомству, хотя, скорее всего, эта позиция будет прикрываться ссылками на технические проблемы.

Действительно, после того как позиционное регулирование тепловой мощности систем отопления в нерабочее время станет применяться достаточно широко, давление в тепловой сети начнет расти, в результате чего теплота, сэкономленная в одном доме, будет расходоваться в других зданиях. Чтобы этого не произошло, нужно заблаговременно оборудовать насосные станции теплоснабжения управляемыми двигателями с преобразователями частоты. Только после этого уменьшение доходов теплоснабжающих организаций будет сопровождаться еще более решительным уменьшением их расходов, потому что сократятся затраты на покупку не только газа, но и электроэнергии, расходуемой на привод сетевых насосов.

Если этого не произойдет, будет упущен еще один шанс вывести нашу уникальную по своим масштабам систему централизованного теплоснабжения на тот уровень развития, который позволит ей успешно конкурировать с другими источниками теплоснабжения.

Принято считать, что при отключении здания от тепловой сети и переходе на теплоснабжение от местной газовой котельной можно сократить платежи за энергоносители примерно на треть. Наши платежи тоже уменьшились на треть. Но мы не покупали котлов, не строили котельную и не прокладывали новый газопровод от магистрали, начинающейся из тундры. Мы только усовершенствовали тепловой пункт. Это было сделано в короткие сроки очень простыми средствами, но эффективно.

Централизованное теплоснабжение в Европе выжило в жесткой конкурентной борьбе, потому что постоянно совершенствовалось.

Централизованное теплоснабжение в Украине тоже может работать эффективно. Наш опыт наглядно демонстрирует такую возможность. Нужно только, чтобы модернизация оборудования тепловых сетей, общий технический уровень которого мало изменился за последние полвека, шла в ногу с жизнью.

Размещено на Allbest.ur