Обоснование энергосберегающих мероприятий в сфере ЖКХ

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 69.003.12

Ю.Г. Иващенко, О.Н. Медведева, А.И. Иванов ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ В СФЕРЕ ЖКХ

Приводятся рекомендации по использованию малозатратных энергосберегающих мероприятий, обеспечивающих экономию топлива и денежных ресурсов, применительно к жилищно-коммунальному сектору.

Природный газ, энергосбережение, оптимальные параметры, коэффициент полезного действия, тепловая защита

Yu.G. Ivas^enko, O.N. Medvedeva, A.I. Ivanov

ENERGY SAVING MEASURES FOR HOUSING AND UTILITIES SECTOR

ne article contains recommendations relating the application of low-cost energy saving measures which ensure fuel and financial resources economy as applied to the housing and utilities sector.

Natural gas, energy efficiency, optimal parameters, coefficient of efficiency, thermal protection

Проблема энергосбережения обусловлена значительным объемом потребления топливно-энергетических ресурсов и повышением доли энергозатрат в себестоимости добычи, транспорта, переработки и хранения газа, что вызвано большой удаленностью регионов потребления газа от регионов его добычи. Исходя из социальных и экономических критериев, приоритетным направлением использования природного газа являются коммунально-бытовые потребности (отопление, горячее водоснабжение, пищеприготовление) с соответствующим развитием газификации.

Расширение и развитие распределения газового топлива является одним из приоритетных направлений в становлении экономически эффективных систем газоснабжения. Расширение границ газовой инфраструктуры внутри регионов страны позволяет достигать экономии средств в 2..2,5 раза по сравнению с регионами, где степень газификации развития газовых сетей ниже. Однако это означает, что при разработке проектов расширения газовых сетей и внедрения новых проектов газификации необходимо определять оптимальные параметры систем газоснабжения.

По данным ученых, резерв энергосбережения находится в пределах от 30 до 65% и использование этого потенциала гораздо дешевле затрат, необходимых на добычу и производство энергоресурсов [1]. Как показывает анализ, удельные показатели энергоемкости российской экономики в 2-3 раза превышают аналогичные показатели европейских стран. По данным Международного энергетического агентства, российская экономика является самой газоемкой в мире. Для решения проблемы нарастающего дефицита природного газа необходима оптимизация внутреннего потребления топлива в стране [2]. Жилищно-коммунальное хозяйство является одним из крупнейших потребителей топлива и энергии в России, на его долю приходится свыше 30% всего энергопотребления страны, следовательно, в этом секторе экономики и заложен наибольший потенциал энергосбережения.

На рисунке представлена структурная схема энергосберегающих мероприятий применительно к индивидуальным жилым зданиям.

Подробный анализ предложенных на рисунке мероприятий приведен в [2].

Вместе с тем в общем комплексе энергосберегающих мероприятий имеют место и такие меры, которые можно осуществить в короткие строки и при гораздо меньших затратах. В таблице приведен перечень малозатратных мероприятий по экономии газового топлива (применительно к условиям Саратовской области). 118

Основные энергосберегающие мероприятия при использовании газового топлива

-^

Рациональное использование

топлива и тепловой энергии

Учет расхода газового топлива

Повышение уровня тепловой защиты ограждений

Совершенствование архитектурно-планировочных решений зданий

у Повышение КПД

газоиспользующих

установок

Совершенствование

систем отопления

и вентиляции

к X

Утилизация тепловой энергии вентиляционного воздуха и горячей воды

Применение возобновляемых

источников топлива и энергии

-Л

Гелиосистемы -*

Теплонасосные

установки

-4

-^

Системы

биогазоснабжения

Структурная схема энергосберегающих мероприятий применительно к индивидуальным зданиям усадебного типа

Установка газовых счетчиков. По данным газовых хозяйств, установка газовых счетчиков снижает газопотребление на 15+20%. Установка счетчиков в квартирах с газовым отоплением экономически выгоднее, так как окупает капитальные вложения за 1,5 года, а с учетом перспективы удорожания газового топлива срок окупаемости уменьшается до 0,5+1,0 года.

Оптимизация коэффициента избытка воздуха в газоиспользующем оборудовании. Работа газовых аппаратов с повышенным расходом воздуха приводит к перерасходу топлива и ухудшает работу установок, вследствие чего КПД аппаратов снижается на 2+4% за счет химической неполноты сгорания топлива и на 4+6% повышается содержание избыточного воздуха в продуктах сгорания, что также приводит к значительным потерям тепла. Для уменьшения этих потерь необходимо добиваться полного сгорания топлива. Регулирование горелок газоиспользующего оборудования газовыми службами обеспечивает экономию топлива в размере 4% от годового газопотребления и не требует дополнительных затрат. Данное мероприятие достаточно проводить один раз в год перед началом отопительного сезона.

Удельные энергоэкономические показатели газосберегающих мероприятий на природном газе

Перечень газосберегающих мероприятий Удельные энергоэкономические показатели

потребитель газа годовая экономия газа годовая стоимость сэкономленного газа, руб./год срок окупаемости, лет

м3/год %

Установка бытовых газовых счетчиков Квартира с местным газовым отоплением 492 15,0 3924 1,0

Оптимизация коэффициента избытка воздуха в газовых печах, котлах и водонагревателях Отопительная печь Отопительный котел (водонагреватель) 66 132 4,0 4,0 528 1056 -

Снижение избыточного воздухообмена в квартирах многоэтажных зданий Квартира в многоэтажных зданиях с центральным отоплением 308 46,4 2464 0,28

Перевод газовых печей на режим непрерывного горения Отопительная печь 379 31,0 3032 1,7

Оптимизация графика работы котельных Отопительная котельная 32857 7,0 262856 -

Реконструкция газовых печей Отопительная печь 246,5 15,0 1972 1,4

Оптимизация графика работы отопительных котельных. Существенную долю в общем топливном балансе составляют расходы газа в отопительных котельных. Одной из главных причин повышенной энергоемкости является низкий КПД ТГУ. Опыт эксплуатации котельных, оборудованных чугунными водогрейными котлами, показывает, что их КПД не превышает 60^75%. Такие низкие значения обусловлены в основном потерями теплоты с уходящими газами за счет химической неполноты сгорания. Вместе с тем проведение режимно-наладочных испытаний котлов позволяет повысить КПД каждого отдельного агрегата. Однако такие испытания проводятся периодически один раз в два-три года и фактически не могут влиять на увеличение КПД котельной в целом. Значительного повышения КПД котельных в течение отопительного сезона в основном за счет снижения потерь системы с уходящими газами можно достичь, разработав наилучший эксплуатационный режим работы отдельных котлов. Предпосылкой для определения данного режима является требование о максимальном КПД каждого котла при любой нагрузке на котельную. При отсутствии в котельных графиков ступенчатого включения отопительных агрегатов число котлов, работающих при существующей температуре наружного воздуха, персонал котельной принимает произвольно. К тому же котлы работают на предельной производительности, что, естественно, приводит к снижению эффективности. Задача оптимального регулирования работы котельной заключается в разработке ступенчатого графика включения котлов в эксплуатацию (в зависимости от температуры наружного воздуха), обеспечивающего их суммарную работу в режиме максимального КПД, то есть в режиме минимального потребления топлива при одновременном обеспечении заданного теплопотребления.

При этом экономия топлива определяется разностью годовых расходов газа при отсутствии и при наличии экономически целесообразного графика поочередного включения котлов в эксплуатацию. Внедрение подобного оптимального графика включения котлов в эксплуатацию приводит к экономии газа в размере 6^10% за отопительный период.

Перевод газовых отопительных печей на режим непрерывного горения. Как правило, перевод печей на газообразное топливо проводится с сохранением периодической топки. Однако работами Академии коммунального хозяйства доказаны несомненные преимущества использования газовых отопительных печей в режиме непрерывного горения. 120

При эксплуатации печи в режиме непрерывного натопа кладка печи не испытывает резких изменений температуры, поэтому срок службы ее возрастает. Температура на теплоотдающих поверхностях печи не превышает 70° С [3] и поддерживается на постоянном уровне. При периодической же топке наблюдается неравномерность нагрева поверхностей печи, что негативно сказывается на сохранности фактурного слоя.

При работе печи в режиме непрерывного горения вследствие уменьшения часового расхода газа уменьшается часовое количество продуктов сгорания. В то же время протяженность и поверхность каналов печи периодического действия развита из расчета поглощения суточного запаса тепла за 1^3 часа топки (одноразовый натоп) или полусуточного запаса тепла (двухразовый натоп). Как следствие, при непрерывной топке температура уходящих газов имеет более низкое значение, чем при периодическом натопе, что обусловливает повышение КПД в период натопа в среднем на 10 % [4].

В соответствии с правилами безопасности в газовом хозяйстве [5] и противопожарными нормативами печи периодического действия требуют вентиляции топочного объема и дымовых каналов во избежание образования взрывоопасной смеси газа с воздухом. Вынужденная продувка печи в период между топками через вентиляционные отверстия в шибере дымовой трубы приводит к потере не менее 15% тепла, аккумулированного печью за время натопа [4]. Следовательно, перевод печи на режим непрерывного горения повышает общий эксплуатационный КПД в среднем на 25%. Как показывают конкретные расчеты, использование газовых отопительных печей непрерывного действия является важнейшим резервом сбережения газообразного топлива и обеспечивает снижение газопотребления на отопительные нужды в размере 30^35%.

Расчеты теплоустойчивости помещений при периодически действующем печном отоплении жилых помещений показали, что двухразовая топка печей удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям к температурному режиму отапливаемых помещений во всех климатических зонах эксплуатации зданий как при существующем, так и при повышенном уровне теплозащиты строительных ограждений. Вместе с тем одноразовая топка обеспечивает необходимый температурный режим помещений только для зданий с повышенным уровнем теплозащиты, эксплуатируемых в условиях умеренно-теплой и умеренно-холодной климатических зон. Как показывает практика, при вынужденной продувке дымовых каналов в период между топками происходит потеря не менее 15% теплоты, аккумулированной кладкой печи за время натопа [4]. В целях уменьшения потерь теплоты с вентиляционным воздухом предлагается в газовой отопительной печи дополнительно устроить приемную камеру дымовой трубы с отверстиями для входа и выхода вентиляционного воздуха, при этом соединить топливник печи и приемную камеру дымовой трубы специальным воздушным каналом, а шибер выполнить в виде двух частей: сплошной и с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха [6].

Повышение уровня тепловой защиты ограждений. Как показывает анализ, через ограждающие конструкции зданий в окружающую среду теряется значительное количество тепловой энергии. В зависимости от конструкции и высоты зданий эти потери составляют 20^60% общего расхода энергии на цели отопления и вентиляции.

При проектировании и эксплуатации жилых домов с целью обеспечения необходимого потребления теплоты на отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха, горячее водоснабжение следует добиваться оптимальных инженерных решений:

- проектирование зданий, имеющих оптимальные объемно-планировочные решения;

- строительство зданий с площадью остекления, обеспечивающей требуемый уровень коэффициента естественной освещенности;

- внедрение эффективных строительных конструкций наружных ограждений, обеспечивающих требуемый уровень теплозащиты;

- расположение здания с учетом рельефа местности и перспективной застройки территории;

- выбор рациональных систем инженерного обеспечения;

- разработка уровня автоматизации системами обеспечения микроклимата;

- установка приборов учета энергоносителей у каждого здания.

Возможность оптимизации ограждающих конструкций с точки зрения уменьшении затрат на отопление заключается в том, что ограждения должны иметь максимальную теплозащиту при минимальных затратах. Достичь этого можно выполнением следующих мероприятий:

- увеличением толщины теплоизоляционного слоя в стенах, что приведет к увеличению сопротивления теплопередаче и к уменьшению теплопотерь;

- улучшением влажностного режима ограждений;

- применением многослойных ограждений с эффективным утеплителем и высоким коэффициентом приведения;

- устройством в наружных ограждениях замкнутых и вентилируемых воздушных прослоек;

- увеличением количества слоев остекления световых проемов;

- применением модернизированных стекол;

- улучшением герметизации оконных проемов.

Порядка 40+50% всех резервов тепловой энергии приходится на долю архитектурно-планировочных решений (конфигурация, ориентация здания, цвет фасада, плотность застройки). При проектировании здания оптимизации этих решений можно достичь учетом климатических особенностей района строительства, ландшафта местности и назначения здания. Обобщающим показателем, определяющим удельный расход теплоты в зданиях в зависимости от объемно-планировочных решений, является удельный периметр наружных стен.

Повышенный интерес с точки зрения экономии тепла представляют различные многослойные конструкции с использованием высокоэффективных утепляющих материалов. Переход к применению трехслойных конструкций с эффективной теплоизоляцией позволяет получить годовую экономию условного топлива в пределах 10+12 тысяч тонн в расчете на 1 млн. м2 общей площади [7]. С другой стороны в трехслойных панелях утеплитель начинает разрушаться уже через 10+12 лет. Альтернативным вариантом является использование штучных материалов, например керамических камней. К их преимуществам можно отнести: неравномерное распределение пор по толщине, возможность создавать самонесущие наружные стены нужной толщины (2,5 кирпича) за счет достижения теплопроводности порядка 0,22 Вт/(мК) при экономически обоснованном сопротивлении теплопередаче; теплотехническая однородность до 0,9 из-за отсутствия теплопроводных включений; долговечность [8].

Широкий ассортимент теплоизоляционных материалов отечественного, зарубежного, совместного производства на строительном рынке делает их выбор весьма сложным, так как при этом выборе необходимо учитывать технические характеристики материала и ограждающих конструкций в целом, стоимость, индивидуальные условия использования, вид утепляемой конструкции, условия эксплуатации и прочее.

Для решения задачи определения оптимальной толщины утепляющего материала использовался метод вариантных расчетов. В качестве целевой функции задачи использовались удельные дисконтированные затраты в систему устройства экономически целесообразного уровня теплозащиты в расчете на 1 м2 ограждающей конструкции здания. Для выбора оптимального сопротивления теплопередаче в условиях динамики удорожания топливно-энергетических ресурсов использовался метод двух границ затрат [4].

- нижняя граница затрат, когда затраты исчисляются в существующих ценах и не индексируются, т.е. Ц=^.тт=1;

- верхняя граница, когда энергетическая составляющая затрат индексируется пропорционально удорожанию ТЭР, с коэффициентом /Лэ=^тах.

Анализ полученных данных показал, что расчетное сопротивление теплопередаче во всех климатических зонах эксплуатации зданий существенно (почти в 2 раза) превышает нормативные значения. Данное обстоятельство вполне закономерно ввиду высокой стоимости используемых энергоресурсов и последующего их удорожания на перспективу. Несмотря на это, увеличение тепловой защиты здания с учетом оптимизации затрат в систему обеспечения теплового режима позволяет снизить годовое энергопотребление жилых зданий на 25-43% и является дополнительным резервом энергосбережения.

Выводы. 1. Энергосбережение как способ обеспечения растущей потребности в энергии и энергоносителях, по различным оценкам, в 2+5 раз ниже, чем затраты на производство, транспорт и распределение эквивалентного количества энергоносителей.

2. Выбор энергосберегающего мероприятия следует проводить после соответствующего ранжирования с учетом его приоритета в общем балансе энергопотребления и минимального срока окупаемости требуемых капитальных вложений для его осуществления. Следует отметить, что экономия всех видов энергии, ее эффективное использование, внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий являются приоритетными направлениями деятельности всех без исключения потребителей.

3. Реализация предлагаемого перечня газосберегающих мероприятий (рис. 1) позволит за 5 лет снизить годовое потребление газа на 540 млн. м3 (18,4%) при ежегодных инвестициях в объеме 125 млн. рублей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сибикин Ю.Д. Технология энергосбережения / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. 352 с.

2. Медведева О.Н. Оптимизация потребления газового топлива и анализ энергосберегающих мероприятий в жилищно-коммунальном хозяйстве / О.Н. Медведева, Б.Н.Курицын // Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. Санкт-Петербург, 2009. № 1. С. 10-16.

3. Иссерлин А.С. Газовое отопление / А.С. Иссерлин. Л.: Недра, 1979. 143 с.

4. Медведева О.Н. Реконструкция газовых отопительных печей / О.Н. Медведева, Б.Н. Курицын // Научный вестник ВГАСУ. 2014. № 4 (36). С. 31-38.

5. Правила безопасности систем газораспределения и газопотребления: утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15 ноября 2013 г. № 542. М, 2013. 30 с.

6. Пат. на изобретение № 2490552. Газовая отопительная печь / О.Н. Медведева, Б.Н. Курицын. Заявка: 2012108236/03, 05.03.2012; опубл. 20.08.2013.

7. Колесников А.И. Энергосбережение в промышленных и коммунальных предприятиях / А.И. Колесников. М.: ИНФРА-М, 2005. 124 с.

8. Ананьев А.И. Научно-технические основы повышения теплозащитных качеств и долговечности наружных ограждающих конструкций зданий из штучных элементов / А.И. Ананьев. М.: НИИСФ, 1998.

Медведева Оксана Николаевна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.

Иванов Александр Иванович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.

Oksana N. Medvedeva -

Ph.D, Associate Professor Department of Heat and Gas Supply, Ventilation, Water Supply and Applied Fluid and Gas Dynamics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Aleksander I. Ivanov -

Ph.D, Associate Professor Department of Heat and Gas Supply, Ventilation, Water Supply and Applied Fluid and Gas Dynamics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Иващенко Юрий Григорьевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Yuri G. Ivas^en^ -

Dr. Sc., Professor Department of Building Materials and Technologies,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 15.01.15, принята к опубликованию 10.02.15