Исследование эффективности термоблоков с «Закрытой» топкой в поквартирных системах теплоснабжения

УДК 628.81

П.А. Хаванов, Ю.Г. Маркевич

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМОБЛОКОВ С «ЗАКРЫТОЙ» ТОПКОЙ В ПОКВАРТИРНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Рассмотрены и проанализированы результаты натурных испытаний настенного двухкон-турного котла с «закрытой» топкой при различных режимах работы в автономной поквартир-ной системе теплоснабжения. Выявлены основные закономерности и дана количественная оценка изменения теплотехнических характеристик теплогенератора при модулировании горелки в широком диапазоне изменения нагрузки.

Ключевые слова: поквартирное отопление, термоблок, режим работы, эффективность.

Поквартирные системы теплоснабжения используются как при реконструкции существующего жилого фонда, так и на объектах нового строительства. Основанием для их применения является технико-экономическая целесообразность их применения или отсутствие возможности централизованного теплоснабжения объекта. Естественно, что технико-экономическое обоснование поквартирного теплоснабжения должно производиться по инвестиционным (капитальным) и эксплуатационным затратам. Для теплогенерирующего оборудования систем теплоснабжения наиболее важной статьей эксплуатационных затрат является топливная составляющая, которая зависит как от эффективности теплогенератора, т.е. КПД, так и от режимов его эксплуатации. В странах Евросоюза эффективность теплогенератора определяется на основании требований норм DPR 412/93 для нескольких эксплуатационных режимов с учетом изменения нагрузки на теплогенератор. В России аналогичная методика не используется и эффективность теплогенератора в проекте или ТЭО закладывается через его КПД при номинальной нагрузке [1—3].

Для поквартирного теплоснабжения преимущественно используются проточные двухконтурные (отопление и ГВС) настенные газовые котлы с атмосферной газовой горелкой низкого давления и «закрытой» (герметичной) топкой (обязательно для зданий пяти и более этажей). Этот тип котлов и представляет наибольший интерес для исследования режимов эксплуатации [4, 5].

Расчетная мощность двухконтурных котлов для многоэтажных зданий практически всегда определяется по максимуму нагрузки на горячее водоснабжение, значение которой для квартиры в зависимости от числа санузлов находится в диапазоне 20.. .30 кВт. Это обусловлено тем, что нагрузка отопления, хотя и зависит от площади квартиры, наличия угловых комнат, этажа расположения (первый и последний этажи), площади и конструкции остекления, редко превышает 5.9 кВт для климатической зоны с tот не ниже -30 °С. р

При таких режимах эксплуатации имеют место длительные периоды работы котлов с частичными отопительными нагрузками и кратковременными периодами работы с максимальной мощностью при пиковых нагрузках горячего водоснабжения. Важно также отметить, что характерна длительная работа мощного теплогенератора в ночных режимах отопительного периода, когда относительная мощность теплогенератора даже при расчетной нагрузке отопления составляет QOT/QTT = 0,25...0,3, и значительно ниже при работе в периоды более низких (относительно расчетных) нагрузок на отопление.

© Хаванов П. А., Маркевич Ю.Г., 2012

199

ВЕСТНИК

МГСУ.

12/2012

Требуемая глубина регулирования не может быть осуществлена за счет модуляции мощности атмосферной горелки в теплогенераторах с «закрытой» топкой.

Подавляющее большинство производителей ограничивают глубину регулирования мощности не ниже 40 % от номинального значения. Поэтому теплогенератор переходит в режим работы позиционного регулирования по минимальной мощности — «включено-выключено», что существенно изменяет эксплуатационные и теплотехнические характеристики теплогенератора. Такие режимы эксплуатации теплогенераторов в по-квартирных системах теплоснабжения приводят к изменению эффективности их работы, и в первую очередь это связано с изменением условий горения в генераторах с «закрытой» топкой. Так снижение (модуляция) мощности горелки за счет снижения расхода газа у всех производителей теплогенераторов не сопровождается соответствующим изменением режима работы дымососа (например, изменением числа оборотов), что приводит к разбавлению продуктов сгорания избыточным наружным воздухом, забираемым по воздухоподающему тракту из-за пределов помещения. Последнее обстоятельство вызывает существенное увеличение потерь теплоты с уходящими газами и, как следствие, снижение КПД теплогенератора даже при непрерывной работе без учета потерь на нестационарность в режимах «включено-выключено».

Режимные испытания проводились на двухконтурном настенном котле1 номинальной мощностью 30 кВт с «закрытой» камерой сгорания на природном газе. Температура воздуха /нв, забираемого на горние, равнялась 15 °С. Расчеты осуществлялись по методике и данным [6] для пяти режимов работы в диапазоне изменения мощности N/N =1 ...0,475, т.е. от 100 до 47,5 %.

ном ' ' '

При расчетах КПД теплогенератора принято допущение, что эффективность горения, т.е. потери теплоты от химической неполноты горения q3, и потери от внешнего охлаждения теплогенератора q5 , во всех режимах могут быть приняты постоянными и соответственно равными: q3 = 0,5 %, а q5 = 1 %.

Результаты измерений и расчета значений потерь теплоты с уходящими газами q2 и КПД теплогенератора приведены в сводной таблице, в которую включены и некоторые промежуточные расчетные величины. Расчет значения q2, %, произведен по методике М.Б. Равича с использованием характеристики Z [6] при сжигании природного газа:

q = 0,01Z ( - txB).

Исходные данные и результаты расчета

Режим Мощность* Давление газа* Температура воды* Газовый состав продуктов сгорания* Температура уходящих газов* Коэффициент избытка воздуха Характеристика Z Потери теплоты с уходящими газами КПД теплогенератора

N, кВт N/N Н P, ммбар Р/Рн t , вх' °С t, вых' °C % CO, рцрт NO , X5 ррт t ух °C 0 5 /б р/ ю q2, % Л, %

1 30,19 1 21,4 1 52,8 68,4 7,5 44 52 141,0 1,53 5,85 7,37 91,13

2 25,72 0,85 10,3 0,469 63,4 50,0 6,15 19 43,1 134,5 1,84 7,0 8,37 90,13

3 22,34 0,74 7,77 0,363 59,0 47,4 5,3 16 36,8 127,1 2,1 7,95 8,91 89,59

4 19,08 0,632 6,0 0,28 54,8 45,0 4,41 19 30,1 118,9 2,68 9,35 9,72 88,78

5 14,3 0,475 3,75 0,177 49,3 42,9 3,0 28 25,7 106,6 3,65 13,2 12,09 86,41

* Результаты измерения параметров в натурных испытаниях котла.

Графическая интерпретация полученных результатов приведена на рисунке.

Изменение теплотехнических характеристик работы теплогенератора в зависимости от относительного давления газа Р/Рн перед соплами атмосферной горелки: Ы/Ын — относительная мощность; КПД — коэффициент полезного действия; X — температура уходящих газов, °С; а^ — коэффициент избытка воздуха в уходящих газах; д2 — потери теплоты с уходящими газами, %

Результаты позволяют констатировать, что при снижении мощности теплогенератора происходит увеличение потерь теплоты с уходящими газами, вызванное существенным ростом коэффициента избытка воздуха. Так, снижение мощности теплогенератора до N/N = 0,475 приводит, несмотря на уменьшение температуры уходящих газов, к росту потерь q2 в 1,64 раза, что снижает КПД теплогенератора в стационарном режиме работы с 91,13 до 86,4 %. Отмечая, что нерасчетные (неноминальные) режимы работы теплогенератора в течение отопительного периода являются по времени основными и эти режимы наиболее продолжительные, не учет снижения эффективности применения теплогенераторов приводит к искажению реальной картины их работы [7, 8].

Важно отметить также тот факт, что работа теплогенератора в режимах «включено-выключено» на минимальных нагрузках, превышающих расчетную отопительную, на что указывалось ранее, приводит к значительным расходам теплоты q7 на нестационарность: разогрев-охлаждение теплогенератора. Учет последнего, а также расход теплоты на защиту от «размораживания», что необходимо в периоды выключения горелки при отрицательных температурах наружного воздуха, может увеличить потери на нестационарность в тепловом балансе теплогенератора до значений q7 = 6.9 % .

Таким образом, при определении технико-экономических показателей работы поквартирных систем теплоснабжения, учитывая реальные эксплуатационные условия их работы, для неконденсационных двухконтурных котлов с закрытой топкой, их энергетическую эффективность следует оценивать не по номинальным характеристикам теплогенераторов, как, например, в [9]. Индивидуальная поквартирная система теплоснабжения на базе двухконтурных газовых котлов с закрытой камерой сгорания) 0,92.0,95, а по фактическим эксплуатационным, на 7.10 % ниже, т.е. не выше 0,8.0,85.

В заключение следует отметить, что реальные показатели технической эффективности поквартирных децентрализованных систем теплоснабжения ни в коей мере не

ВЕСТНИК 12/2012

МГСУ_12/2012

умаляют достоинств и положительных качеств таких систем, а лишь обосновывают рациональную область их применения при объективной оценке.

Библиографический список

1. Постановление Правительства Москвы от 9 июня 2009 года № 536-ПП «О городской программе «Энергосберегающее домостроение в городе Москве на 2010—2014 гг. и на перспективу до 2020 года. Режим доступа: http://mosopen.ru/document/536_pp_2009-06-09. Дата обращения: 30.09.2012.

2. Энергосбережение в жилищной и коммунальной сфере : учебник / П.Г. Грабовый, Л.Н. Чернышов, И.Г. Лукманова и др. М. - Екатеринбург, 2008. 426 с.

3. Колесников А.И., Михайлов С.А. Энергоресурсосбережение. М. : АНО «МРАИ ЭЕМ», 2009. 232 с.

4. О техническом регулировании» № 184-ФЗ от 27.12.2002 г Режим доступа: http://www. consultant.ru/popular/techreg/45_1.html. Дата обращения: 30.09.2012.

5. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» № 261-ФЗ от 23.11.2009. Режим доступа: http:// www.rg.ru/2009/11/27/energo-dok.html Дата обращения: 30.09.2012г.

6. Равичь М.Б. Топливо и эффективность его использования. М. : Наука, 1971. 697 с.

7. Рекомендации по оценке экономической эффективности инвестиционного проекта теплоснабжения // Р НР «АВОК». 2006. 39 с.

8. Постановление правительства Москвы от 5 октября 2010 года № 900-ПП «О повышении энергетической эффективности жилых, социальных и общественно-деловых зданий в городе Москве и внесении изменений в постановление правительства Москвы от 9 июня 2009 года № 536-ПП» Режим доступа: http://mosopen.ru/document/900_pp_2010-10-05 Дата обращения: 30.09.2012.

9. ТСН ИПСТ—2004. МО (ТСН 41-312 — 2004 МО) Индивидуальная поквартирная система теплоснабжения на базе двухконтурных газовых котлов с закрытой камерой сгорания. Министерство строительного комплекса Московской области. 2005 г Режим доступа: http://files. stroyinf.ru/Data1/45/45572/ Дата обращения: 30.09.2012.

10. Дмитриев А.Н., КовалевИ.Н., ТабунщиковЮ.А. Руководство по оценке эффективности инвестиций и энергосберегающие мероприятия М. : АВОК-ПРЕСС, 2005. 120 с.

Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.

Об авторах: Хаванов Павел Александрович — доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-26-92;

Маркевич Юлия Геннадьевна — старший преподаватель, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-34-65, jukram@mail.ru.

Для цитирования: Хаванов П.А., Маркевич Ю.Г. Исследование эффективности термоблоков с «закрытой» топкой в поквартирных системах теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2012. № 12. С. 199—203.

P.A. Khavanov, Yu.G. Markevich

RESEARCH OF EFFICIENCY OF WALL-MOUNTED BOILERS WITH SEALED CHAMBERS USED

AS FLAT HEATING SYSTEMS

The research encompasses the field testing of wall-mounted boilers with sealed chambers integrated into flat-heating systems operating in different modes. Results of field tests of items without the indication of their producers and equipment brands are provided. The testing procedure involved a double-circuit wall-mounted boiler. Its capacity was 30 kW, and it had a sealed natural gas combustion chamber. The main regularities of its operation were identified and boiler heating parameters were assessed when the boiler was in operation at full capacity.

The findings make it possible to state that the reduction of capacity of the heat generator causes an increase in the heat loss. Besides, the results of calculations make it possible to perform

the heating system analysis and to define the area of application of various systems of heat supply.

The principal decision based on the basis of the above analysis is the decision to install an independent or a centralized system of heat supply.

Key words: flat heating, wall-mounted boiler, operation mode, efficiency.

References

1. Postanovlenie Pravitel'stva Moskvy ot 9 iyunya 2009 goda № 536-PP «O gorodskoy programme «Energosberegayushchee domostroenie v gorode Moskve na 2010—2014 gg. i na perspektivu do 2020 goda. [Moscow Government Decree of June 09, 2009 no. 536-PP "About the Urban Programme "Energy-saving Construction of Residential Housing in Moscow in 2010—2014 and until 2020"]. Available at: http:// mosopen.ru/document/536_pp_2009-06-09. Date of access: 30.09.2012.

2. Grabovyy P.G., Chernyshov L.N., Lukmanova I.G. Energosberezhenie v zhilishchnoy i kommunal'noy sfere [Energy Saving in the Housing and Public Utilities Sectors]. Moscow - Ekaterinburg, 2008, 426 p.

3. Kolesnikov A.I., Mikhaylov S.A. Energoresursosberezhenie [Saving of Energy and Other Resources]. Moscow, ANO «MRAI EEM» Publ., 2009, 232 p.

4. Federal'nyy zakon "O tekhnicheskom regulirovanii» № 184-FZ ot 27.12.2002 g. [Federal Law "On Technical Regulations" no. 184-FZ of 27.12.2002]. Available at: http://www.consultant.ru/popular/ techreg/45_1.html. Date of access: 30.09.2012.

5. Federal'nyy zakon "Ob energosberezhenii i o povyshenii energeticheskoy effektivnosti i o vnese-nii izmeneniy v otdel'nye zakonodatel'nye akty RF» № 261-FZ ot 23.11.2009. [Federal Law "On Energy Saving and Improvement of Energy Efficiency and on Amendments into Specific Legal Acts of the Russian Federation"]. Available at: http://www.rg.ru/2009/11/27/energo-dok.html Date of access: 30.09.2012.

6. Ravich' M.B. Toplivo i effektivnost' ego ispol'zovaniya [Fuel and Efficiency of Its Consumption]. Moscow, Nauka Pub., 1971, 697 p.

7. Rekomendatsii po otsenke ekonomicheskoy effektivnosti investitsionnogo proekta teplosnabzheni-ya [Recommendations concerning the Assessment of the Economic Efficiency of the Project on Investments into Heat Supply]. R NR «AVOK» Publ., 2006, 39 p.

8. Postanovlenie pravitel'stva Moskvy ot 5 oktyabrya 2010 goda № 900-PP «O povyshenii energeticheskoy effektivnosti zhilykh, sotsial'nykh i obshchestvenno-delovykh zdaniy v gorode Moskve i vnesenii izmeneniy v postanovlenie pravitel'stva Moskvy ot 9 iyunya 2009 goda № 536-PP» [Moscow Government Decree of October 5, 2010 no. 900-PP "On Improvement of the Energy Efficiency of Residential, Social Security and Office Buildings in Moscow and on Amendments into Moscow Government Decree of June 9, 2009 no. 536-PP"]. Available at: http://mosopen.ru/document/900_pp_2010-10-05 Date of access: 30.09.2012.

9. TSN IPST—2004. MO (TSN 41-312—2004 MO) Individual'naya pokvartirnaya sistema teplosnabzheniya na baze dvukhkonturnykh gazovykh kotlovs zakrytoy kameroy sgoraniya. Ministerstvo stroitel'nogo kompleksa Moskovskoy oblasti. 2005 g. [TSN IPST—2004. MO (TSN 41-312—2004 MO) Individual System of Heat Supply Based on Double-circuit Gas Combustion Boilers That Have Sealed Gas Combustion Chambers. Ministry of Construction of the Moscow Region. 2005.]. Available at: http:// files.stroyinf.ru/Data1/45/45572/ Date of access: 30.09.2012.

10. Dmitriev A.N., Kovalev I.N., Tabunshchikov Yu.A. Rukovodstvo po otsenke effektivnosti inves-titsiy i energosberegayushchie meropriyatiya [Guide for Assessment of Efficiency of Investments and Power Saving Actions]. Moscow, AVOK-PRESS Publ., 2005, 120 p.

About the authors: Khavanov Pavel Aleksandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Thermal Engineering, Heat and Gas Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; tku@mail.ru; +7 (499) 183-26-92;

Markevich Yuliya Gennad'evna — Senior Lecturer, Department of Thermal Engineering, Heat and Gas Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; jukram@mail.ru; +7 (499) 183-34-65.

For citation: Khavanov P.A., Markevich Yu.G. Issledovanie effektivnosti termoblokov s «zakrytoy» topkoy v pokvartirnykh sistemakh teplosnabzheniya [Research of Efficiency of Wall-mounted Boilers with Sealed Chambers Used as Flat Heating Systems]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 199—203.