За оптимальное сочетание автоматизации регулирования подачи и учета тепла
В. И. Ливчак, к.т.н.,зам. директора Московского агентства по энергосбережению
В последнее время в ряде решений на правительственном уровне и в выступлениях представителей администрации все настойчивее звучат требования организации учета тепловой энергии у потребителей с установкой теплосчетчиков в каждом доме.
Однако известно, что установка теплосчетчиков не уменьшает потребление тепловой энергии зданиями. В лучшем случае она позволяет снизить расходы на оплату за пользование тепловой энергией, если договорные тепловые нагрузки завышены по сравнению с требуемыми или при отключении ряда систем теплопотребления.
Реальное снижение потребления тепловой энергии, так необходимое городу, достигается путем оборудования тепловых пунктов здания системами автоматического регулирования подачи тепла на отопление как наиболее массовой нагрузки. При этом обеспечивается сокращение тепловой энергии до 15% годового потребления, а при отказе от ЦТП и переходе на системы теплоснабжения с ИТП - до 25%.
Естественно, без теплосчетчиков эта экономия не может быть зафиксирована, и поэтому необходимо сочетать автоматизацию регулирования систем теплопотребления с коммерческим учетом потребляемой тепловой энергии. Но учет должен осуществляться наиболее простыми средствами, не удорожающими строительство и эксплуатацию систем теплопотребления. К сожалению, действующие в настоящее время "Правила учета тепловой энергии и теплоносителя" (М., 1995 г.) не отвечают этому условию.
В них даже для закрытых систем теплоснабжения почти повсеместно требуется измерение расхода теплоносителя по обоим трубопроводам тепловой сети и обязательная почасовая и посуточная регистрация всех параметров теплоносителя - расхода, температур и давления. Все это резко увеличивает стоимость узла учета, затрат на его эксплуатацию и снижает надежность, так как при выходе из строя одного из приборов или нарушении одного из параметров измерения весь узел учета считается неработающим.
Напомним, что нигде в мире не существует таких сверхизбыточных требований по учету тепловой энергии. В европейских странах устанавливается только один теплосчетчик на одном из трубопроводов тепловой сети (речь идет о закрытой системе теплоснабжения), по которому накопительным методом фиксируется количество прошедшего теплоносителя и потребленного тепла. Этого достаточно даже для контроля за температурой обратной воды без её регистрации. Путем деления значений количества тепла на количество прошедшего теплоносителя и сравнения полученного частного со средним значением по району можно судить о том, кто из потребителей лучше использует тепловой потенциал сетевой воды. Сравнение количества прошедшего теплоносителя с ожидаемым, исходя из тепловой нагрузки абонента, позволяет измерить возможную утечку воды.
Вообще, эти Правила не имеют законной силы, и в Москве постановлением правительства они отменены. По распоряжению премьер-министра В.С.Черномырдина от 1995 г. Правила должны быть разработаны при участии двух сторон - Минтопэнерго и Минстроя. Настоящие же Правила утверждены только Минтопэнерго. Поэтому сейчас подготовлены и находятся на согласовании новые Правила, в которых отменяется обязательность регистрации параметров теплоносителей, и в большинстве случаев требуется измерение расхода теплоносителя только по одному трубопроводу - подающему. Упорядочивается процедура согласования, приемки узлов учета и требования отчетности.
Далее необходимо выбрать приоритеты в установке теплосчетчиков. В Москве только в жилищно-коммунальном секторе имеется более 8 тыс. ЦТП, столько же ИТП, в основном, в старой части города и десятки тысяч зданий. Установить одновременно такое количество теплосчетчиков невозможно, да и ненужно. Например, если к одному ЦТП подключено 3-5 жилых муниципальных зданий и детсад, школа или поликлиника, то зачем в каждом доме ставить теплосчетчик? Лучше установить его на ЦТП и на детсаде и школе, а о тепле, потребляемом жилым зданием, судить по разнице показаний счетчика. Зачем измерять количество тепла, потребленное каждым зданием, если конкретный жилец все равно не узнает своей реальной доли в расходе тепла? Конечно, эти данные не помешали бы, как не помешала бы и регистрация всех параметров теплоносителя, но если средств на все не хватает, то необходимо их расходовать рационально.
На наш взгляд, теплосчетчики целесообразно устанавливать в первую очередь там, где происходит преобразование параметров теплоносителя, на которое можно влиять средствами автоматизации, то есть на ЦТП и ИТП, и по показаниям теплосчетчиков оценивать экономию за счет оптимизации теплопотребления. То же самое относится к домам, у которых есть владелец. Выполняя энергосберегающие мероприятия организационного характера, либо связанные с утеплением здания, подъезда и т.д., он сможет контролировать по теплосчетчику снижение потребления тепловой энергии как результат своих действий.
Следует также иметь в виду, что при теплоснабжении от ЦТП и установке узлов учета в каждом здании мы уже не сможем обойтись одним теплосчетчиком. В дом входят отдельно трубопроводы отопления и горячего водоснабжения, что уже требует, как минимум, установки одного теплосчетчика на отопление и двух водосчетчиков на горячее водоснабжение, если дом концевой. Если же через этот дом транзитом производится подача тепла на другие дома, и в эти транзитные трубопроводы врезаются посекционные системы отопления (на каждый подъезд своя система), а в горячем водоснабжении еще больше - по 4 стояка на каждую секцию, а есть еще и циркуляционные стояки, то организация узла учёта тепла в таком доме потребует солидной дополнительной работы по перекладке трубопроводов.
Второе направление организации учета тепла и воды, создающее энергосберегающий эффект, это установка квартирных тепло- и водосчетчиков. Как и в электроснабжении, она не исключает установки общедомовых приборов учета. Это дает серьезную прибавку в экономии воды и тепла, поскольку у жильца появится стимул к ограничению потребления ресурсов. Но если при водоснабжении поквартирные водосчетчики поставить технически несложно, то в существующих так называемых системах отопления коллективного пользования, когда один стояк питает отопительные приборы, расположенные в разных квартирах, а в квартире таких стояков несколько, учесть потребление тепла каждой квартирой практически невозможно.
Есть решение, которое применяют в Западной Европе, когда на каждый отопительный прибор ставится датчик, по показаниям которого судят о доли теплопотребления данного прибора в общем количестве тепла, потребленного системой отопления всего дома. Эти датчики у нас называют теплораспределителями. Но в этом случае жильцу надо предоставить возможность влиять на изменение теплопотребления, то есть поставить на каждый отопительный прибор ещё и термостат. В целом это мероприятие сопряжено с немалыми затратами. Другой вариант - перепроектировать системы отопления на поквартирные, с одним вводом, питающим все отопительные приборы данной квартиры. Такие опытные системы уже разрабатываются.
Возвращаясь к вопросам автоматизации регулирования подачи тепла, следует отметить, что ранее акцент делался на автоматизацию ЦТП, имея в виду, что более оптимальным решением и по капитальным затратам и по эксплуатационным расходам были системы теплоснабжения с ИТП. (Проводимые нами технико-экономические расчеты показывали, что решения с ЦТП более экономичны, чем с ИТП, только при мощности ЦТП более 15 Гкал/ч). Однако в то время не было соответствующего оборудования - малошумных насосов, компактных теплообменников, бесшумных регулирующих клапанов. Теперь все это есть, а в условиях рынка, роста стоимости теплоносителя, приватизации жилья и сферы обслуживания роль ИТП, оборудованных системами авторегулирования и учета тепла, резко возросла. На наш взгляд, необходимо в новом строительстве и реконструкции сложившегося жилого фонда переходить на системы теплоснабжения с ИТП.
По такому пути идет и Германия. В восточных землях (бывшей ГДР), где применены аналогичные с Москвой системы теплоснабжения с ЦТП, последние оставляют как водопроводные подкачивающие станции, демонтируя тепломеханическое оборудование. Внутриквартальные трубопроводы системы горячего водоснабжения отключают, а по трубопроводам отопления подают перегретую воду в каждый дом. В тепловых пунктах зданий устанавливаются теплообменное оборудование, малошумные насосы, системы авторегулирования и учета тепловой энергии и воды. И считается, что такое решение, по сравнению с ЦТП и многотрубными сетями от них, дает экономический эффект, повышает надежность и комфортность теплоснабжения.
Интересно отметить, что системы горячего водоснабжения зданий, как правило, оборудуют накопительными баками-аккумуляторами. Автоматика регулирования подачи тепла устроена таким образом, что при зарядке баков-аккумуляторов прекращается циркуляция в системе отопления. И при определении мощности такого теплового пункта нагрузка горячего водоснабжения не принимается во внимание. Такой опыт не может быть распространен у нас, ибо расход тепла на горячее водоснабжение в жилых зданиях России, приходящийся на 1 м2 отапливаемой площади, как минимум в 4 раза выше, чем в Европе, так как мы потребляем в 2 раза больше воды на душу населения и плотность заселения квартир у нас более чем в 2 раза выше.
Поэтому у нас при определении мощности теплового пункта расход тепла на горячее водоснабжение должен учитываться в среднечасовом за сутки объеме, а пики водопотребления должны гаситься либо за счет применения баков-аккумуляторов большей вместимости, чем в Европе, либо за счет аккумулирующей способности здания введением в систему автоматизации ограничения максимального расхода сетевой воды на тепловой пункт, сокращая подачу тепла на отопление в пики водоразбора и компенсируя эту недостачу в периоды снижения водоразбора ниже среднего. Такой метод в соответствии со СНиП является обязательным при отсутствии баков-аккумуляторов горячей воды.
Какова же должна быть система авторегулирования подачи тепла на отопление, особенно при реконструкции систем сложившегося жилого фонда? На наш взгляд, механическое перенесение опыта Западной Европы оборудования каждого отопительного прибора термостатами не является оптимальным решением. Во-первых, наши вертикально-однотрубные системы отопления построены по проточной схеме и, устанавливая термостат, следует выполнять ещё и перемычку, пропускающую теплоноситель помимо прибора. Известно, что в системе отопления с замыкающими участками для обеспечения равной теплоотдачи первых по ходу воды нагревательных приборов их поверхность нагрева должна быть больше, то есть при реконструкции системы в этих помещениях может быть недогрев.
Далее следует иметь в виду, что нельзя устанавливать термостаты только на части системы, необходимо оборудовать ими все отопительные приборы. Затем регулируемой частью остается только отопительный прибор, стояки и подводки к прибору продолжают отапливать помещения, а при принятых у нас расчетных параметрах теплоносителя 105-70 или 95-70 oС их теплоотдача достигает 40% и более. В Германии, например, для исключения этого переходят на расчетные параметры 70-50 oС и кроме того выполняют изоляцию стояков. Мы же рассматриваем стояки как дешевый отопительный прибор.
И, наконец, если система отопления с термостатами подключается к тепловой сети через элеватор, то сокращение расхода воды, циркулирующей в системе отопления, под действием закрывающихся термостатов не приводит к снижению расхода воды, поступающей в элеватор из тепловой сети. В результате будет расти температура обратной воды из отопления, а сокращение подмеса вызовет ещё большее увеличение температуры воды, поступающей в систему отопления.
Поэтому в таких системах обязательны замена элеватора с регулируемым соплом на циркуляционный насос с системой автоматического поддержания заданного графика температуры воды в отоплении в зависимости от изменения наружной температуры. Считается, что большая часть экономии тепловой энергии от применения систем отопления с термостатами достигается за счет авторегулирования в тепловом пункте. Термостаты же повышают комфортность, снимают перегрев от солнечной радиации в пределах теплоотдачи отопительного прибора и могут удовлетворить желание жильцов по снижению теплосъема с отопительного прибора при наличии теплораспределителя, о котором было сказано выше. При отсутствии теплораспределителя возможно даже увеличение теплопотребления, так как ничто не мешает жильцу жить с открытой форточкой и раскрытым термостатом.
Альтернативой западной системе отопления с термостатами и теплораспределителями может быть система отопления с пофасадным авторегулированием подачи тепла. Реализация пофасадного регулирования в существующих многосекционных зданиях не представляет большой трудности. При этом главный стояк системы одной секции используется для системы отопления одного фасада, а главный стояк второй секции - для системы отопления другого фасада. На чердаке и в подвале прокладывают по две перемычки, объединяющие фасадные ветки обеих секционных систем отопления в раздельные пофасадные системы. Для бесчердачных зданий поступают еще проще - перемычки прокладывают только в подвале. Тепловой пункт преобразуется примерно по той же схеме, как для системы отопления с термостатами, но раздельно для каждой пофасадной системы.
Интегратором воздействия солнца и ветра служит внутренняя температура воздуха, для поддержания которой и предназначена система отопления. Либо она измеряется в контрольных помещениях (для достоверности значений необходимо до 24 таких помещений), либо установлена возможность принятия за аналог температуры воздуха в сборных каналах вытяжной вентиляции из кухонь квартир. Тогда для зданий выше 12 этажей достаточно двух измерений на одном фасаде. Учитывая дополнительные тепловыделения в кухнях при приготовлении пищи, экспериментально установлено, что задаваемая в регуляторе температура внутреннего воздуха увеличивается примерно на 1 oС по сравнению с требуемой в рабочей зоне.
Однако регулирование только по отклонению внутренней температуры может привести к перерасходу тепла - при отоплении с открытыми форточками. Поэтому более оптимальным является комбинированный метод регулирования - поддержание заданного графика изменения температуры теплоносителя в системе отопления в зависимости от наружной температуры (лимитирование подачи тепла) с коррекцией графика при отклонении измеренной внутренней температуры от заданной (обратная связь для самонастраивания).
Степень коррекции графика должна быть разной. Так, снижение внутренней температуры происходит в результате действия ветра, которое может потребовать увеличения теплоотдачи системы на 10-20% теплопроизводительности в расчетных условиях. При этом важно исключить повышение теплоотдачи в результате некоторого снижения внутренней температуры, происходящего при проветривании квартир. Поэтому увеличение теплоотдачи в пределах до 20% необходимо ограничить снижением температуры внутреннего воздуха с 21 oС (задается для поддержания регулятору) до 20 oС.
Повышение температуры внутреннего воздуха происходит в результате солнечной радиации, максимальное значение привлеченного тепла от которой достигает 50% расчетной теплопроизводительности системы отопления. Важно, чтобы отработка этого возмущения происходила при небольшом повышении температуры внутреннего воздуха, для того чтобы избежать проветривания квартир, к которому будет побуждать повышение температуры воздуха. Поэтому степень коррекции графика на повышение температуры должна быть значительно выше, чем на понижение.
Описанная система структурно является двухконтурной, что дополнительно повышает динамическую устойчивость и точность регулирования. Первый контур, регулирующий расход тепла в зависимости от температуры наружного воздуха, является малоинерционным, что позволяет осуществлять регулирование без статической ошибки по И- или ПИ-закону. Второй контур, включающий инерционные элементы (помещение), работает по пропорциональному закону, наиболее приемлемому при наличии большой инерции объекта регулирования.
Опыт осуществления такой системы на ряде зданий Москвы показал, что при наружной температуре минус 5-7 oС система отопления освещенного солнцем фасада выключается полностью не только на период действия солнечной радиации, но, как минимум, на такое же время и после ухода солнца за счет отдачи тепла, аккумулированного мебелью и внутренними ограждениями. В то же время практически всегда имелись одна-две квартиры, жильцы которых высказывали жалобы, порой необоснованные. Жаловались на низкую температуру отопительных приборов, хотя температура воздуха была в норме. В этом недостаток принудительного регулирования.
В зданиях типа «башня», где невозможно произвести разделение системы отопления на фасадные, сохраняется тот же комбинированный метод регулирования - с коррекцией графика температуры теплоносителя по отклонению температуры внутреннего воздуха. Это повысит эффективность авторегулирования и позволит выйти на требуемый режим подачи тепла даже при несоответствии теплоотдачи запроектированной системы отопления фактическим теплопотерям здания, что нередко соответствует действительности.
Из вышесказанного не следует, что мы отрицаем возможность применения системы отопления с термостатами для жилых зданий в наших условиях. Просто во всем мире, как и у нас теперь, существует элитное и муниципальное жилье, и жить следует по средствам. Внедрение пофасадного авторегулирования окупается за 1,5-2 года, а индивидуального - путем установки термостатов с термораспределителями на отопительных приборах - за 10-15 лет. Поэтому в наших условиях установку термостатов в жилых зданиях следует рассматривать как мероприятие, повышающее комфортность проживания.
В новом строительстве более перспективным представляется осуществление поквартирных горизонтальных систем отопления, подключаемых к двухтрубным стоякам, проходящим по лестничной клетке. Квартирные системы могут быть с ручным или автоматическим регулированием теплоотдачи отопительных приборов и водосчетчиком, по показаниям которого распределялся бы замеренный в тепловом пункте здания расход тепловой энергии на дом (не исключается, что при желании жилец может поставить и теплосчетчик).
Итак, основным направлением энергосбережения в жилом фонде города, обеспечивающим быструю отдачу капиталовложений, следует считать внедрение в индивидуальных тепловых пунктах зданий автоматического регулирования подачи тепла на отопление (где имеется возможность пофасадного) в сочетании с оборудованием этих пунктов теплосчетчиками. Ещё больший эффект достигается при обеспечении возможности жильцам самим воздействовать на потребление тепла и воды, для чего следует устанавливать квартирные водосчетчики на холодную и горячую воду и переходить на поквартирные системы отопления также с индивидуальным измерением потребляемого теплоносителя. Но эти решения не исключают, как и в системе электроснабжения, установку домовых тепло- и водосчетчиков и узлов приготовления горячей воды и теплоносителя, циркулирующего в системе отопления, требуемых параметров в тепловых пунктах зданий.
Опубликовано в журнале AВОК №4/1998
Рубрика: Учет теплоносителей и стоимость тепла