Анализ эффективности и разработка рекомендаций по повышению качества работы системы отопления корпуса «д» Казанского государственного энергетического университета

Ю.В. Ваньков, Р.Н. Валиев, Р.М. Хабибуллин

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ КАЧЕСТВА РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ КОРПУСА «Д» КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

В статье приведены результаты анализа эффективности и рекомендации по повышению качества работы системы отопления корпуса «Д» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Ключевые слова: тепловой комфорт, оптимизация потребления энергоресурсов на отопление, экономическая эффективность эксплуатации системы отопления.

Существующие предпосылки для выполнения работы. Целью любой системы отопления является создание теплового комфорта в помещении в переходное и холодное время года. Чем ближе микроклимат в помещении по своим параметрам к тепловому комфорту, тем выше эффективность существующей системы отопления. Идеальный тепловой комфорт достигается тогда, когда в любой момент времени в помещение подается ровно столько теплоты, сколько требуется для поддержания необходимого температурного режима, комфортного для большинства находящихся в помещении людей.

При отсутствии теплового комфорта люди стремятся установить его самостоятельно. Если в помещении слишком холодно - увеличивают теп-лопритоки (включают электрообогреватели), если в помещении слишком жарко - увеличивают теплопотери (открывают окна и двери). В результате увеличивается расход электроэнергии и теплопотери в окружающую среду (энергоресурсы расходуются нерационально). Даже в том случае, если в многоэтажное здание поступает достаточное для отопления количество теплоты, может возникнуть ситуация, когда в некоторых, отдельно взятых помещениях, тепловой комфорт достигнут быть не может из-за ошибок, допущенных при проектировании, монтаже или эксплуатации. В такой ситуации помещения многоэтажного здания по уровню теплового комфорта условно можно разделить на три группы. В первой группе помещений слишком жарко («перетоп»), во второй группе помещений слишком холодно («недотоп»), в третьей группе - нормально (создан тепловой комфорт).

Чтобы создать тепловой комфорт во всех помещениях здания необходимо выполнить балансировку системы отопления [1]. Результатом ба-

лансировки системы отопления многоэтажного здания является создание расчетного расхода воды в каждом стояке системы отопления и через каждый установленный отопительный прибор. В каждом отдельно взятом помещении на отопительные приборы устанавливают термостаты - приборы для индивидуального регулирования температуры непосредственно в помещениях. Так как сбалансировать систему отопления здания, используя только термостаты, нельзя [2], на каждом стояке устанавливают дополнительные регулируемые сопротивления - балансировочные клапаны.

Если в процессе эксплуатации системы отопления многоэтажного здания выявлены «недотопы» и «перетопы», наиболее целесообразной представляется ступенчатая настройка данной системы. Ступенчатая настройка системы отопления - это определенная последовательность действий, приводящая в конечном итоге к достижению поставленной задачи

- созданию теплового комфорта в помещениях многоэтажного здания. Авторами предлагается следующий порядок ступенчатой настройки.

1. Анализ работы существующей системы отопления и теплового сопротивления ограждающих конструкций многоэтажного здания (натурное обследование и расчетное исследование).

2. Проверка теплового сопротивления ограждающих конструкций здания и, при необходимости, выполнение работ по повышению их теплового сопротивления (утепление).

3. Расчет теплопотерь помещений с учетом утепления здания.

4. Приведение в соответствие теплопотерь помещений и поверхностей теплообмена отопительных приборов.

5. Установка регулируемых сопротивлений на пофасадных ответвлениях (ветвях) и стояках.

6. Приведение в рабочее состояние термостатов на отдельных отопительных приборах помещений.

7. Балансировка системы отопления путем настройки регулируемых сопротивлений на пофасадных ответвлениях и стояках здания и термостатов в помещениях.

8. Автоматическое поддержание комфортного температурного режима в помещениях многоэтажного здания по выбранному температурному графику регулирования из теплового пункта здания.

9. Периодическая плановая проверка температурного режима в помещениях многоэтажного здания и при необходимости устранение причин выявленной разбалансировки системы отопления в соответствии с пунктом 7.

10. Эксплуатация системы отопления в соответствии с пунктом 8.

Пункт 2. определяет расчетные тепловые нагрузки на отопление здания, так как, чем лучше теплоизолировано здание, тем меньше теплоты потребуется для его отопления. Корпус «Д» КГЭУ спроектирован и построен

сравнительно недавно в соответствии с требованиями действующих нормативов, о чем имеется заключение экспертов. В нашей работе мы не проводили работы по пункту 2, а использовали имеющиеся данные.

Постановка задачи. В процессе эксплуатации корпуса «Д» КГЭУ, по жалобам потребителей, был выявлен следующий недостаток в работе существующей системы отопления - необеспеченность теплового комфорта в отдельных помещениях, так называемые «перетопы» и «недото-пы». В связи с выявленным недостатком была поставлена задача - провести анализ эффективности существующей системы отопления и разработать рекомендации по ликвидации выявленного недостатка с учетом наиболее приемлемых по своей стоимости технических решений. Система отопления корпуса «Д» состоит из трех систем отопления (№ 1, № 2 и № 3) [3]. В данной статье рассматривается основная система отопления - № 1.

Порядок решения задачи. Решение поставленной задачи осуществлялось в следующей последовательности.

1. Сбор исходной информации об объекте исследования. По результатам обхода системы отопления была определена конфигурация системы отопления с учетом отклонений от проекта. Изучена строительная документация здания и проектные данные системы отопления. Определены геометрические характеристики помещений, этажей и здания в целом, конструктивные решения отдельных элементов здания (перекрытия крыши, наружных светопрозрачных конструкций, наружных стен) и приведенные коэффициенты их теплопередач. Измерены площади разнотипных светопрозрачных конструкций и дверей.

2. По полученным исходным данным на кафедре «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения» (ПТС) с использованием лицензионного программного обеспечения «MagiCAD» создана 3-х мерная модель объекта исследования (рис. 1) и рассчитаны требуемые для отопления каждого помещения нагрузки (Qp).

3. Проведено моделирование и выполнен расчет конфигурации системы отопления, определенной в пункте 1, с использованием лицензионного программного обеспечения «АРС-ПС». Произведен расчет фактических расходов тепловой энергии (Q^ на отопление каждого помещения с учетом фактически установленных отопительных приборов и фактического расхода теплоты на отопление с теплового пункта (по температурному графику), при условии установки дроссельных шайб (дополнительных сопротивлений) на стояках. Установка дроссельных шайб была произведена принудительно в программе «АРС ПС» для обеспечения пропуска расчетных расходов воды через стояки системы отопления. В действительности расчетные расходы воды в стояках системы отопления не поддерживаются, так как дроссельные шайбы не установлены.

Рис. 1. 3-х мерная модель корпуса «Д» КГЭУ

4. На основе сравнения требуемых расчетных ^Р) и фактических (0Ф) расходов тепловой энергии на отопление был произведен детальный анализ каждого отопительного прибора, помещения, этажа и стояка системы отопления. В табл. 1 в качестве примера приведены результаты расчета расходов тепловой энергии для помещений кафедры ПТС, а на рис. 2

- результаты расчета коэффициентов полезного действия (КПД) стояков рассматриваемой системы отопления.

Таблица 1. Результаты тепловых расчетов помещений кафедры ПТС

н № помещения

714 716 718 715 лифтовый холл 709 705 706 710 712

помещения, Вт 837 1417 538 608 1366 1064 464 355 580 872

Qр, Вт 1109 2259 571 633 1043 775 357 620 480 1076

Qф, Вт 1946 3676 1109 1241 2409 1839 821 975 1060 1948

Требуемая расчетная тепловая нагрузка для отопления помещений, обогреваемых через систему отопления № 1, составляет 205117 ккал/ч (рассчитана программой «Ма^СЛВ» по 3-х мерной модели здания). Фактический расход тепла на систему отопления составляет 383630,6 ккал/ч (рассчитано по температурному графику теплового пункта в программе «АРС ПС»). Фактическая тепловая нагрузка стояков составляет 313982 ккал/ч (рассчитано в «АРС ПС»).

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

№ стояка

Рис.2. КПД стояков системы отопления

Таблица 2. Рекомендуемое число секций отопительных приборов для кафедры ПТС

7 этаж Сущест- вующее число секций Помещения

7 5 4 5 5 71 5 6 5 5 718 6 715 5 лифт 6 холл 7 7 5 09 5 705 4 706 5 710 5

- - - -

10 20 13 10

Необхо- димое число секций 4 4 4 4 4 5 3 4 4 4 3 3 3 4 3

8 17 8 6

№ прибора на этаже 241 242 251 252 261 262 271 13 141 142 151 152 16 17 22

Примечание: первые две цифры в нумерации прибора указывают на номер стояка по [3], а цифра 1 или 2 (третья в нумерации) указывает на левое или правое присоединение прибора (при двухстороннем присоединении) соответственно.

Общий КПД системы стояков составляет 65%. Общий КПД рассматриваемой системы отопления составляет 54%. Годовой расход теплоты, согласно проведенным расчетам по рассматриваемой системе отопления, составляет 963,25 Гкал/год. Проведенные расчеты показали, что применительно к системе отопления № 1 корпуса «Д» КГЭУ не выполняется пункт из [4, с. 58]: «устранение «перетопа» зданий в осенне-весенний период».

Отопительные приборы способны качественно работать лишь при создании расчетных условий по расходу и температуре теплоносителя. Для создания этих условий необходимо установить дополнительные сопротивления на стояках - дроссельные шайбы или балансировочные кла-

111111111111 I

11111 III II

11111

1111

паны. В рассмотренной системе отопления установлена только запорная арматура и нерегулируемые термостаты (без управляющей части).

Выводы по результатам проведенного анализа.

1. Главной причиной некачественной работы системы отопления является то, что она не была должным образом обследована и настроена при сдаче в эксплуатацию. Основываясь на результатах проведенного анализа считаем, что рассмотренная система отопления нуждается в усовершенствовании и настройке.

2. При расчетных расходах воды в стояках количество секций в отопительных приборах не соответствует требуемому значению. Проведенные для системы № 1 расчеты выявили как избыточное, так и недостаточное количество установленных секций отопительных приборов. В качестве примера в табл. 2 приведены результаты расчета для помещений кафедры ПТС («Установки и системы теплоснабжения»).

Так как приведение количества секций отопительных приборов к требуемым значениям является достаточно затратным и трудоемким мероприятием, необходимо рассмотреть возможность компенсации выявленного несоответствия за счет использования термостатов, устанавливаемых непосредственно у отопительных приборов. В настоящее время практически все термостаты в помещениях рассмотренной системы отопления находятся в максимально открытом положении из-за отсутствия управляющих элементов (рис. 3). В некоторых помещениях термостаты не установлены вовсе. На пофасадных ответвлениях (ветвях) и стояках не установлены балансировочные устройства (дополнительные сопротивления). Расчетные расходы воды в стояках системы отопления не поддерживаются.

Рекомендации по повышению качества работы системы отопления корпуса «Д» КГЭУ:

1. Обеспечить каждый отопительный прибор исправным термостатом.

2. Установить на пофасадных ответвлениях (ветвях) и стояках балансировочные устройства (дополнительные сопротивления). Для балансировки пофасадных ответвлений (ветвей) рекомендуется установить ручные балансировочные клапаны (например, МБУ-ББ фирмы «Данфосс») на подающей или обратной линии ветвей системы отопления. Стоимость оборудования с внутренней резьбой (в скобках - с НДС) по состоянию на

1.04.2009 г. [5]: МБУ-ББ 15 - 69,09 (81,53) Е№; МБУ-ББ 25 - 84,84 (100,11) ЕШ; МБУ-ББ 32 - 107,1 (126,38) ЕШ. Общая стоимость балансировочных клапанов, установленных на магистрали, составит:

Сб.к. = !,Сгщ = 81,53 + 100,11 • 3 = 381,86 Е1Ж

или 16515,45 руб. при стоимости 1 евро в 43,25 руб. по состоянию на

28.10.2009 г., где С; и - стоимость (ЕЦК.), и количество (шт.), балансировочных клапанов.

Рис.3. Регулирующий клапан без термостатического элемента

3. Произвести увязку между собой стояков каждой ветви. Здесь возможны 2 варианта дросселирования - либо шайбами, либо балансировочными клапанами.

При увязке стояков шайбами на выходе из стояков необходимо установить дросселирующие шайбы определенных для каждого стояка диаметров. Диаметры проходного сечения последних рассчитаны в программе «АРС ПС» таким образом, чтобы обеспечить расчетный расход воды в каждом стояке. Данное мероприятие позволит полностью сбалансировать систему, однако шайбы будут нуждаться в систематическом контроле. При низком качестве воды необходимо будет периодически очищать шайбы от отложений, так как уменьшение просвета шайбы из-за отложений приводит к гидравлической разбалансировке системы. В связи с отсутствием точных данных о стоимости шайб, примем примерную общую их стоимость в размере 10% от общей стоимости балансировочных клапанов. Таким образом, общая стоимость оборудования для балансировки составит

Сбал.1 = 1,1-Сб.к. = 1,1-381,86 = 420,05 БиЯ

При увязке установкой балансировочных клапанов альтернативой установке шайб является установка балансировочных клапанов. К установке рекомендуются ручные балансировочные клапаны, устанавливать которые следует также в нише стояков. Параметры настройки клапанов рассчитаны в программе АРС-ПС. Стоимость рекомендуемого к установке оборудования (по состоянию на 1.04.2009 г.) МБУ-ББ 20 составляет 75,18 (88,71) ЕЦЯ. Общая стоимость клапанов на стояках составит:

Сб.к.с = £С/Л/ = 81,53^3 + 88,71^21 + 100,1146 = 3709,26 БиЯ

Недостатки балансировки клапанами:

а) этот вариант является более дорогостоящим;

б) здесь, как и у шайб, возможно возникновение отложений в проходном сечении клапанов при низком качестве воды;

в) при перенастройке клапанов необходимо дополнительное оборудование - электронный измерительный прибор, (например, РБМ - 4000, фирмы «Данфосс») стоимость которого составляет 3080,37 (3634,84) ЕиЯ [5], либо привлечение независимого подрядчика с этим оборудованием.

Преимущества:

а) возможность перенастройки клапанов без их замены (поворотом рукоятки);

б) возможность контроля работы клапана при помощи прибора РБМ

- 4000;

в) упрощается эксплуатация системы отопления;

г) возможность перенастройки клапанов компенсирует негативное влияние отложений в трубопроводах на работу системы отопления.

Общая стоимость оборудования для балансировки составит:

без учета стоимости измерительного прибора РБМ - 4000

Сбал.2.1 = Сб.к + Сб.к.с = 420,05 + 3709,26 = 4129,4 БиЯ;

с учетом стоимости измерительного прибора РБМ - 4000

Сбал.2.2 = Сб.к + Сб.к.с + Сприб = 420,05 +

+ 3709,26+3634,84 = 7764,15 БиЯ

Оценка полученных результатов. При требуемой расчетной тепловой нагрузке, равной 5117 ккал/ч, ожидаемом расчетном часовом расходе теплоты на систему отопления 241640 ккал/ч общий КПД рассматриваемой системы отопления составит 85%. Годовой расход теплоты на отопление, согласно проведенным расчетам по рассматриваемой системе отопления, составит 652,83 Гкал/год.

Предлагаемые мероприятия обеспечат энергосбережение в размере

Д

где @от.2 - расход тепла (Гкал/год), который после модернизации системы отопления вычисляется по формуле который

Qo^.2 = Сот.2 • с • а 1 - г2) = 9102 .1.

Где Оот.2 - расход сетевой воды на отопление при средней температуре отопительного периода после реализации рекомендуемых мероприятий, кг/с, вычисляется в программе «АРС ПС»; с - теплоемкость воды, Дж / (кг-°С), 11 и - температура воды на входе (рассчитывается по температурному графику регулирования сетевой воды) и выходе (рассчитывается в программе «АРС-ПС» при данной конфигурации системы) из системы отопления соответственно, С.

Экономия денежных средств на отопление составит

Э = Д

где Ст стоимость единицы тепловой энергии, руб/Гкал [6].

В процентном выражении экономия средств составит

э _ 0от20о12 . 1000/о _ 963,25-652,83 _ 1

вот 963,25

КПД системы отопления составит

* = £-=^-100* = 85*

где (}р 2 - расчетный расход тепла после модернизации, ккал/ч, вычисля-

ется по формуле (11) и будет определяться лишь потерями тепла в тепловом пункте и трубопроводами, проходящим по неотапливаемым помещениям.

Ср.2 = бр.г • с • —^2) = 8388 • 1 •

где Ор2 - расчетный расход теплоносителя после реализации всех рекомендуемых мероприятий, кг/с, вычисляется в программе «АРС ПС».

Срок окупаемости предлагаемых мероприятий составит:

при балансировке стояков дроссельными шайбами

г» ^бал.- 420,05*43,25 п <1 го /1

"йяп1 =------=-----------= 0,153 года

оал.1 э 119200 м ’

(или 34 суток отопительного периода), где Е - стоимость 1 евро (в руб.) по состоянию на 28.10.09;

при балансировке стояков балансировочными клапанами МБУ-ББ без учета стоимости прибора РБМ 4000

п ^бал.2.1*^ 4129,4*43,25 -її-_____ /л

гйалі — г — —1,5 года

оал.і з 119200 4 у

(или 323 суток отопительного периода);

с учетом стоимости прибора РБМ 4000

Рбал.2.2 = = 2’9 Г0Да <!4)

(или 624 суток отопительного периода).Рекомендованные мероприятия позволят достичь теплового комфорта во всех отапливаемых помещениях и повысить эффективность эксплуатации системы отопления корпуса «Д» КГЭУ.

Источники

1. Балансировка гидравлических контуров (руководство) / «Данфосс», 2008.

2. Балансировка систем распределения. Вена: Герц Арматурен, 2001.

3. Рабочие чертежи системы отопления и вентиляции учебно-лабораторного корпуса (2-я очередь) КГЭУ / ООО «Конвент», 2005.

4. Энергетический паспорт корпуса «Д» КГЭУ / СТК, 2007. С. 58.

5. ШЬ: Мір//ги.Ьеа1і^.іЗапй)88.сот/РСМРі1е8/41/та8Іег/Ье/ргісе-1І8І8/2009-04/Яр.00.р1 11_50.pdf.

6. Постановление от 19 сентября 2008 г. № 3-4/э об установлении тарифов на тепловую энергию, поставляемую ОАО «Татэнерго» бюджетным организациям, населению и приравненным к нему группам потребителей республики Татарстан, на 2009 год. / Правление комитета республики Татарстан по тарифам.