О комплексной оценке эффективности отопительных систем зданий в нерасчетных режимах

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИК

I

УДК 621.311

О КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТОПИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЗДАНИЙ В НЕРАСЧЕТНЫХ РЕЖИМАХ

Е.Г. ГАШО, А.В. КОЗЫРЬ

Рассмотрена проблематика оценки эффективности систем отопления зданий в нерасчетных режимах. Приведен пример энергетических обследований нескольких групп зданий, результаты анализа режимов работы отопительным систем зданий разных групп. Предложена методика оценки функциональной эффективности отопления с помощью дипольной балансовой диаграммы.

Задача оценки эффективности отопительных систем жилых и общественных зданий является весьма актуальной как с точки зрения энергосбережения в коммунальном теплоснабжении, так и обеспечения необходимого микроклимата [1]. Основные характеристики системы отопления - её расчетная мощность, площади отопительных приборов, номинальный расход сетевой воды, рабочий перепад давлений здания не нашли отражения в существующем энергетическом паспорте здания, что привело к методической неразберихе и невозможности корректного сравнения вариантов теплообеспечения населения.

Существующие показатели оценки энергетической эффективности зданий базируются, в основном, либо на удельной отопительной характеристике, по которой проводится грубый расчет теплопотребления зданием, либо на отраслевых (региональных) показателях удельного расхода теплоты на единицу объёма или на одного человека [2]. Практические оценки эффективности энергоиспользующих систем заканчиваются «на входе в здание». Энергетики, рассматривая теплофикационные системы, не проявляли должного интереса к совокупной эффективности распределения теплоты непосредственно внутри здания, а специалисты по отоплению, в свою очередь, оставляли в стороне вопросы оптимизации параметров теплоэнергетического оборудования зданий в течение отопительного периода.

В ряде случаев нормирование расходов ТЭР, удельные расходы теплоты на отопление зданий проектировщики связывают только с теплофизическими свойствами ограждающих конструкций, не обращая внимания на конфигурацию и режимные параметры отопления. Достаточно часто в течение отопительного периода теплопотери зданиями не совпадают с реальной мощностью отопления, при этом население осуществляет дополнительное «регулирование и поддержание тепловлажностного баланса» форточками или электронагревательными приборами.

Существенной особенностью отопительного комплекса является то, что нагрузки систем отопления варьируются от 15-20% до 90-100% в течение отопительного сезона [3]. В качестве наиболее общих параметров оценки энергоэффективности зданий, в лучшем случае, используют удельную

© Е.Г. Гашо, А. В. Козырь Проблемы энергетики, 2003, № 3-4

отопительную характеристику или величины приведенных тепловых сопротивлений ограждений. Применение для этих целей удельных затрат топлива на единицу отапливаемой площади дает, в известной степени, обобщенное представление о совершенстве здания.

Однако при этом остаются нерешенными вопросы функциональной эффективности инженерных систем зданий и проблема выбора базового направления по оценке энергоэффективности комплекса энергообеспечения зданий, отражающая потребности кардинального изменения самой идеологии повышения энергоэффективности [4]. Воспользуемся для оценки энергетической эффективности здания балансовым подходом [5]. В качестве объекта выберем существующие здания с различным тепловым сопротивлением ограждений и различной мощностью отопления (табл.1).

Таблица 1

Теплофизические характеристики зданий

Параметры зданий Первая группа Вторая группа Третья группа

Год постройки 1912 1930 1975

Толщина стен, м 0,76 0,55 0,25/0,5

Тепловое сопротивление ограждений И, м2*К/Вт 1,49 1,15 0,55

Скорректированное значение удельной отопительной характеристики q, Вт/м2*К 0,15 0,29 0,45

Расчетная удельная мощность отопления, Вт/м 13,3 12,5 10,5

Расчет теплопотерь производился по удельным отопительным характеристикам, по тепловым сопротивлениям ограждений и с помощью инструментальных замеров и теплосъёмки. Определение теплопотерь зданием по удельной отопительной характеристике целесообразно только в качестве предварительного расчета с обязательным уточнением полным теплотехническим расчетом или экспериментальным путем [2]. Дополнительный расчет теплопотерь зданиями производился по тепловым сопротивлениям элементов ограждений. При этом были получены скорректированные значения удельных отопительных характеристик, по которым составлялся полный тепловой баланс всего микрорайона в целом.

Отметим, что коррекция удельных отопительных характеристик снизила их в среднем на 30% от расчетных значений. Скорректированные значения согласуются с измеренными параметрами. Здания 1-ой и 2-ой группы располагаются в самом центре Москвы, 20 зданий составляют микрорайон «Скатертный», в котором по заказу Префектуры Центрального округа Москвы специалистами МЭИ создана демонстрационная зона высокой энергетической эффективности. Здания оборудованы счетчиками тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение, счетчиками расходов холодной воды, системой телеметрии и мониторинга энергопотребления [6].

Здания старой постройки, в особенности здания 1-ой группы, отличаются повышенным тепловым сопротивлением ограждений, тепловизионный контроль зданий подтвердил адекватность расчетов и необходимость коррекции отопительных характеристик по сравнению с первоначально принятыми расчетными значениями.

Хотя по новым нормам СНиП 11-33-79* для Москвы и области рекомендуемые значения тепловых сопротивлений должны быть не ниже 2-2,5 м2*К/Вт, здания первой группы уже достаточно хорошо сохраняют температурный режим. По-видимому, критическим диапазоном И, ниже которого энергопотери зданием зимой растут слишком быстро, являются значения 0,9-1,0 м2*К/Вт. Так как здания обладают неплохими теплотехническими характеристиками, то главный резерв экономии энергии сосредоточен в «перетопах» из-за отсутствия гибкой системы регулирования теплопотребления.

Здания отапливаются от единого центрального теплового пункта (ЦТП) 739/015 ГУП «Мосгортепло». Максимальная часовая нагрузка зданий микрорайона по договору ГРЭП с «Мосгортепло» составляет около 3 Гкал/час.

Общий тепловой баланс всего микрорайона сведен в табл. 2.

Таблица 2

Тепловой баланс микрорайона

Статьи прихода тепловой энергии % Величина Статьи расхода тепловой энергии % Величина

Фактический приход на отопление микрорайона по показанию теплосчетчика 76,4 1,513 Гкал/час Расчетные теплопотери ограждающими конструкциями зданий микрорайона 61,9 1,2247 Гкал/час

Фактический приход теплоты с системой горячего водоснабжения 16 0,317 Гкал/час Теплопотери со стоками канализации 11,2 0,2219 Гкал/час

Теплопоступ-ления от людей, бытовой и кухонной техники, солнечной радиации 7,6 0,15 Гкал/час Теплопотери на инфильтрацию и вентиляцию 6,2 0,1225 Гкал/час

Потери теплоты в ЦТП 2 0,0396 Гкал/час

Потери теплоты в сетях 5 0,099 Гкал/час

Прочие теплопотери («перетопы») 13,7 0,2723 Гкал/час

Итого 100 1,98 Гкал/час Итого 100 1,98 Гкал/час

Общие тепловые нагрузки зданий микрорайона не совпадают с максимальными договорными значениями (рис.1). Исходя из показаний счетчика на ЦТП № 739/015, средняя отопительная нагрузка составила 1,513 Гкал/час против 3,01 Гкал/час в договоре. Кроме того, и это количество теплоты приводит в определенное время года к «перетопу» в размере около 13-15%.

Таким образом, по результатам обследования необходима коррекция договорных величин теплопотребления зданиями практически на 50%. Кроме того, установка узлов учета тепловой энергии приведет к тому, что оплата за потребляемые ТЭР будет осуществляться в соответствии с показаниями приборов.

В процессе создания демонстрационной зоны в ЦТП установлено оборудование частотного привода насосов, резко снизившее потребление электроэнергии электродвигателями насосов.

годовые нагрузки по договору, Гкал Шгодовые нагрузки по счетчику тепловой энергии 18000

16000

14000

12000

10000 ал10000

к

Г 8000

6000

4000

2000

0

Непосредственно главные распределители (дистрибьютеры) теплоты -отопительные батареи. Это водовоздушные теплообменники,

теплопроизводительность которых, в первую очередь, определяется разницей температур между теплоносителем и воздухом в помещении [7]. Критической величиной, определяющей эффективность отопительной системы, является потенциал, то есть температура прямой сетевой воды, поступающей в здание.

Помимо регулирования температуры на источнике и непосредственно в ЦТП, отопительные системы зданий снабжаются различными устройствами, которые тоже регулируют температуру воды. При этом смесительные устройства -элеваторы - устанавливаются непосредственно на входе в здание, выполняя важную гидравлическую функцию стабилизации давления. Вместе с тем, элеваторы, подмешивая к прямой сетевой воде обратную, существенно снижают температуру теплоносителя в батареях и, соответственно, эффективность отопления.

Температура прямой сетевой воды определяется температурой наружного воздуха, и при небольших отрицательных температурах воздуха она поддерживается в диапазоне 60-65оС. Непосредственно к батареям теплоноситель уже приходит с температурой около 50-55оС, при которой невелик и коэффициент теплопередачи, и общее количество передаваемой теплоты. Это в идеальном

16306

9442

6993 6273

3 169

отопление ГВС Общая

Рис.1. Сравнение результатов расчетных данных и замеров по суммарной тепловой нагрузке микрорайона

случае, а реально необходимо учитывать ещё состояние труб, места установки батарей и пр. Понижение температур теплоносителя в отопительной системе на 20-25оС приводит к падению тепловой производительности батарей практически вдвое.

Теплоприток в здания выбранного микрорайона обеспечивается стандартными отопительными приборами (алюминиевые конвекторы, чугунные батареи) с коэффициентом теплопередачи К=9-11Вт/м2*К. Отопительные устройства в целом находятся в хорошем состоянии. Тепловыделения от бытовых приборов, освещения, людей принимались в пределах 10%. Так как ограждения зданий обеспечивают удовлетворительный температурный режим, мощность отопительных систем определялась, исходя из натурных замеров расходов тепла на входе в здания [6].

Рассмотрим совокупность режимов отопительной системы реального здания микрорайона в центре Москвы объемом 12000 м3, площадью отопительных приборов около 400 м2 (табл.3). Тепловой сопротивление ограждений И, как показано в Табл.1, составляет 1,49 м2*К/Вт, удельная отопительная характеристика q=0,15 Вт/м3*К. В качестве номинального выбран режим №2 с реальными значениями температур сетевой воды, измеренных в ходе проведения энергетических обследований зданий.

Таблица 3

Режимные характеристики отопительной системы здания

Основные режимы отопительной системы здания 1 2 3

Температура сетевой воды на входе в здание, оС 50о 60о 70о

Площадь отопительных приборов здания, м2 400 м2 400 м2 400 м2

Базовый расход сетевой воды в отопительной системе, м3/час 2,6 2,6 2,6

Коэффициент теплопередачи отопительных приборов, Вт/м-К 4,5 5 5,9

Удельный тепловой поток с поверхности отопительных приборов, Вт/м2 100 150 250

Суммарная мощность системы отопления, кВт 40 60 96

Удельная мощность системы отопления на единицу объёма здания, Вт/м3 3,3 6 8

Температуры сетевой воды на выходе из здания, оС 36 оС 40 оС 38 оС

«Сработанный» температурный перепад сетевой воды в системе отопления, оС 14 оС 20 оС 32 оС

Удельный расход сетевой воды на единицу мощности отопления, кг/МДж 18 11,7 7

Расход сетевой воды, необходимый для передачи номинальной мощности (60 кВт), м3/час 3,4 2,6 1,6

Условная эффективность отопительной системы* 0,28 0,33 0,45

“Условная эффективность отопительной системы определяется в этом случае как отношение отданного батареями количества теплоты к общему количеству подведенной тепловой энергии.

Из таблицы 3 видно, что при изменении температуры сетевой воды в подающей магистрали довольно значительно изменяются значения расхода сетевой воды, обеспечивающие номинальную мощность. Удельный расход сетевой

воды на единицу отданной мощности существенно возрастает при падении температуры прямой сетевой воды на 20-25оС.

Таким образом, отопительная система снимает в среднем «верхнюю треть» отопительного потенциала сетевой воды, приходящей в здание, в зависимости от ряда факторов:

- температуры прямой сетевой воды;

- перепада давления на элеваторах;

- площади отопительных приборов;

- скорости воды в отопительной системе;

- состояния отопительной системы в целом.

Уверенно говорить об эффективности отопительной системы можно только в сочетании с тем, насколько эффективно генерируемая энергия сохраняется самим зданием. Иначе при недостаточном тепловом сопротивлении ограждений тепло будет теряться и это приведет к дополнительным затратам энергии населением на обогрев помещений. Или, наоборот, приведет к перетопам, о чем уже отмечалось выше.

Для прояснения этих вопросов в зданиях были проведены дополнительные исследования связи тепловлажностных режимов в помещениях с особенностями функционирования отопления в течение зимнего периода. Результаты анализа затрат тепловой энергии зданиями микрорайона, полученных с помощью установленных узлов учета, не выявил существенных различий удельных затрат на отопление по выделенным группам зданий (Табл.4). В то же время реальные наблюдения показали существенные значения «перетопов» при невысоких отрицательных температурах воздуха в зданиях обеих групп.

Таблица 4

Удельные энергозатраты на отопление зданиями микрорайона

Объекты Здания первой группы Здания второй группы

2/3-2 6 5 5а 11 15 5/1 10 17

Энерго- затраты, Мкал/м3 14 21 12 9 8 5 2-3 16 10,5

Большой разброс в полученных значениях удельных отопительных затрат лишний раз свидетельствует о несбалансированной работе системы как в отдельных домах, так и по всему микрорайону в целом. Тепловой баланс зданий с точки зрения энергетической эффективности наглядно иллюстрируется в функциональной балансовой диаграмме (рис.2), где по оси абсцисс указывается значение "стока" тепла - тепловое сопротивление здания - И, К*м2/Вт; по оси ординат - "генерация" , Вт/м3, то есть удельная расчетная мощность

отопительных устройств. Положение здания на пересечении соответствующих значений ясно показывает, какую предельную температуру наружного воздуха способна обеспечить отопительная система при данных ограждениях.

Рис.2. Энергофункциональная балансовая диаграмма для зданий выделенных трех групп

Отметим, что положение здания на диаграмме обусловлено, в первую очередь, практически постоянным значением Когр, значения же удельной

тепловой мощности q варьируются в зависимости от температуры сетевой воды. Предельное значение qv определяется исходя из температурного графика и количества отопительных устройств. Из этих соотношений можно ориентировочно определить оптимальную площадь батарей отопления для заданного объема зданий. Недостаточная площадь отопительных устройств, безусловно, затруднит любое регулирование тепловой нагрузки.

Использование функционального подхода целесообразно в качестве адекватного системного инструментария анализа энергетической эффективности, а графическое представление результатов позволяет наглядно оценивать качественную и количественную сторону проблематики повышения энергоэффективности здания как распределенного объекта. Применение комплексной балансово-функциональной диаграммы для всесторонней оценки энергоэффективности здания позволяет получить ряд других важных результатов:

- демонстрирует положение здания относительно типовых, стандартных значений, показывает необходимое тепловое сопротивление ограждений для данной мощности отопления при данных температурах отопительного периода, определяет динамику условий по степени комфортности в течение отопительного периода;

- показывает необходимую мощность системы отопления для данных значений теплового сопротивления ограждений при данных температурах отопительного периода, позволяет определить интегральное состояние микроклимата в здании для каждой температуры отопительного периода при данных сочетаниях мощности отопления и теплосопротивления ограждений;

- определяет реальные затраты энергии на обеспечение необходимого комфорта в здании при данных температурах наружного воздуха и мощности отопления, дает зависимость регулирования отопительной мощности от температуры наружного воздуха при данных значениях теплового сопротивления ограждений;

- показывает наиболее эффективные способы повышения тепловой эффективности здания, позволяет определить оптимальные значения тепловых сопротивлений стен для данных температур наружного воздуха и мощности отопления, указывает зону оптимальных лимитов теплопотребления, определяет температуру наружного воздуха, до которой реальные лимиты обеспечивают покрытие тепловой нагрузки зданием.

Визуальное представление зданий 1-ой и 2-ой групп на диаграмме демонстрирует предельные температуры наружного воздуха, диапазоны возможного регулирования тепловой нагрузки. Вместе с тем, видно, что для зданий 3-ей группы с недостаточным тепловым сопротивлением ограждений даже максимальная мощность отопления едва обеспечит компенсацию теплопотерь при -5°...-10°С.

Именно в таких координатах целесообразно построение функциональной типологии зданий, опирающейся на понимание модели здания как распределенного объекта. Объемы современных жилых и общественных зданий приводят к тому, что различия в параметрах разных частей здания весьма велики, и обеспечить эффективное регулирование отопительно-вентиляционной нагрузки в таких зданиях возможно с помощью распределенной системы, сочетающей качественное регулирование температуры магистральной сетевой воды на источнике, регулирование нагрузки ЦТП и регулирование в зданиях.

Мы не рассматриваем поквартирное отопление и регулирование как распространенную систему отработанных инженерных решений, хотя это может также быть дополнительным элементом распределенной многоуровневой системы регулирования. Отдельной проблемой оценки эффективности отопительной системы является и пространственная неравномерность ее функционирования, обусловленная самыми различными причинами, что требует отдельного исследования. Кроме того, применение систем лучистого или воздушного отопления также требует определенной коррекции масштабов используемых показателей.

Неравномерность, нестабильность работы отопления может быть обусловлена и гидравлической разбалансированостью системы. Гидравлический дисбаланс может привести к «переливу» прямой сетевой воды через неотлаженный элеватор в обратную магистраль, что приводит к системному снижению эффективности всего комплекса. Фиксация гидравлических характеристик здания в паспорте и их соблюдение являются важной предпосылкой обеспечения оптимальных теплогидравлических режимов.

Не следует забывать и о том, что важнейшим компонентом достижения такой «оптимальности» является поведение людей, работающих или живущих в этих зданиях. Дисбалансы режимов системы генерации и сохранения теплоты зданий люди устраняют своими активными действиями. Если при этом у них нет

адекватной обратной связи в виде счетов за реально потребленные ресурсы, то и трудно ждать проявления мотивации к энергосбережению. С проблемой дисбалансов потребления и генерации необходимого количества энергии тесно связаны различные аспекты лимитирования энергопотребления различных зданий бюджетного назначения.

Выявление диапазона необходимых лимитов ТЭР невозможно без вычленения спектра функций зданий и определения оптимальных (минимальных) затрат на обеспечение безопасного его функционирования. Не решен методически и законодательно вопрос о разделении и адекватном учете нормативной и сверхнормативной части сетевых потерь. Используемый в настоящее время «по умолчанию» порядок «балансового» разнесения всех сетевых потерь пропорционально нагрузкам всех абонентов ставит потребителей в неравное положение. Потребители ТЭР, оснащенные счетчиками, платят только по показаниям приборов учета и их часть сетевых потерь перекладывается на всех остальных; возникает парадокс - чем больше учета, тем больше платят остальные абоненты за чужие потери, невзирая на проведение реального энергосбережения.

Выводы

Эффективная и безопасная работа коммунальных систем жизнеобеспечения возможна лишь при согласовании технических, организационно-экономических и правовых особенностей источников ТЭР, транспортных магистралей и потребителей. Полагаем принципиально важным срочное создание корректных методических принципов оценки эффективности всего комплекса с разбивкой по составным частям [8], что позволит выявлять критические звенья энергосбережения.

В качестве адекватного системного инструментария анализа энергетической эффективности необходимо использование функционального подхода, а представление результатов в дипольных балансовых координатах позволяет наглядно оценивать качественную и количественную сторону проблематики повышения энергоэффективности здания как распределенного объекта.

В составе системы оценки эффективности отопительной системы, таким образом, уместно использование следующих функциональных показателей:

- удельная мощность отопления на единицу объема здания;

- удельный тепловой поток системы отопления;

- степень использования тепла входящей сетевой воды (или нерациональные потери теплоты);

- удельный расход сетевой воды на единицу переданной мощности;

- общее гидравлическое сопротивление системы и составляющих элементов.

Коррекция энергетического паспорта здания целесообразна в направлении

выявления функциональной эффективности здания и составляющих его инженерных систем. Паспортизация зданий в результате проведения энергетических обследований должна давать ясные представления об эффективности здания с точки зрения степени достижения оптимальных параметров. При этом само понятие «оптимальности» здания как теплоэнергетической многоуровневой системы также требует дополнительной теоретической и методологической проработки [9].

К сожалению, идеология строительства и присущая ей экономика находится в явном противоречии с логикой и экономикой эксплуатации инженерных инфраструктур, зданий и сооружений. Согласование предпосылок успешной и

эффективной эксплуатации с окупаемостью капитальных затрат массового строительства или реконструкции не может быть отдано на откуп стихийным рыночным механизмам и магии банковского процента рефинансирования, а является важнейшей прерогативой государственной политики энергосбережения.

Summary

The problematics of a rating of efficiency of heater systems of buildings in off-design modes is reviewed. The example of power examinations of several groups of buildings, outcomes of the analysis of operational modes of heating systems of buildings of miscellaneous groups is adduced. The technique of a rating of functional efficiency of heating with help of the dipole balance chart is offered.

Литература

1. Богуславский Л.Д. Экономия энергии в жилых зданиях.- М.: Стройиздат, 1990.

2. Варнавский Б.П. Колесников А.И. Энергоаудит промышленных и коммунальных предприятий. Учебное пособие.- Ассоциация

энергоменеджеров.- М., 1999.

3. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 1999.

4. Гашо Е.Г. Спиридонов А.Г. Функциональные особенности отопительных систем и комплексная оценка их эффективности.//Новости теплоснабжения.

2001.- №3.

5. Гашо Е.Г. Методика регионального энергоанализа. - М.:Изд-во "Дело", 1992.

6. Гашо Е.Г. Козырь А.В. Опыт и проблемы реализации регионального балансового подхода на территории мегаполиса.// Новости теплоснабжения.

2002.- №2.

7. Отопление и вентиляция. Справочник. Под ред. В.Н.Богословского, А.Н. Сканави-М.:Стройиздат, 1975.

8. Национальный Доклад о теплоснабжении Российской Федерации.// ГЭФ ПРООН. -М., 2001.

9. Табунщиков Ю.А. Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий.-М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.