Выход первого в 2016 году номера научно-технического журнала «Инженерные системы» приурочен к Х, юбилейному, конгрессу «Энергоэффективность. XXI век. Инженерные методы снижения энергопотребления зданий», который пройдет в Москве 1 и 2 марта 2016 года.
Поэтому, достаточное количество публикаций в этот раз, так или иначе, связаны с этим крупным отраслевым событием.
В частности, на страницах журнала опубликован подробный отчет о проведении IX конгресса, есть статьи, посвященные энергосбережению, а также ряд постоянных спикеров форума представили в первый номер 2016 года свои авторские статьи.
Материал об учете применения нескольких теплоаккумулирующих материалов в тепловых накопителях в строительстве написан модератором одной из секций конгресса, директором Инженерно-строительного института СПбГПУ Николаем Ватиным в соавторстве с профессором кафедры «Гидравлика» ИСИ СПбГПУ Максимом Куколевым.
В свою очередь о редуцировании пара и получении дополнительного дохода можно прочитать в статье директора G-Team по России и СНГ Либора Гануса и постоянного эксперта и спикера конгресса «Энергоэффективность. XXI век», руководителя ООО «ПКБ «Теплоэнергетика» Ефима Палея.
Отметим, что первый в 2016 году номер журнала «Инженерные системы» будет распространяться и на мероприятиях деловой программы юбилейного конгресса.
Напоминаем, что для бесплатного прохода на территорию деловой программы конгресса «Энергоэффективность. XXI век», кроме регистрации, необходимо получить бесплатный БИЛЕТ на выставку «Мир климата».
Показано, что отвод сопловой части верхней холодной завесы от кромки проема внутрь помещения, т. е. частичное экранирование струи ограждением, позволяет в ряде случаев повысить температуру втекающей смеси и уменьшить тепловую мощность компенсации теплопотерь.
1. Течение в проеме с экранированной верхней струей представлено на рис. 1. Экранированная до сечения «а» струя имеет расход воздуха Ga = λaGз с температурой t2, где Gз — расход воздуха через завесу, λa = (0,55/ξ)(a/bзcosα)0,5 — коэффициент эжекции струи в сечении «а», bз — ширина сопла завесы, ξ — коэффициент качества струи [1]. Допустимость плоской постановки задачи обоснована в [1]. На участке до сечения «а» теплопотери экранированной струи отсутствуют. Далее в проеме развивается структура, контактирующая наружной стороной с холодным воздухом (температура t1) и обрастающая холодными эжектированными массами. Однако эти массы не вступают в прямой контакт с ядром постоянного массового расхода струи Gз, поскольку между ними протекают массы, эжектированные на участке «а» с температурой t2. Теплые массы с расходом Gэа = 0,5(λa– 1)Gз, перемешиваясь с холодными, продолжают экранировать ядро постоянного расхода струи. Экранируемое ядро охлаждается медленнее. В зависимости от установившегося режима течения часть эжектированных снаружи масс затечет в проем вместе с ядром постоянного расхода и внутренними эжектированными массами. Полные теплопотери защитной структуры будут определяться тремя обстоятельствами: интенсивностью охлаждения ядра постоянного расхода струи, величиной расхода воздуха, отделяющегося и уходящего от струи наружу и величиной расхода наружного воздуха, затекающего в проем.
2. Поскольку экранированная струя развивается в ограниченном пространстве, возникают деформации полей давления и скоростей. Сделаем оценки возможным деформациям (соображение о необходимости учета влияния ограниченного пространства на развитие струи принадлежит В. Г. Караджи).
Для оценки использовалось решение задачи о распространении свободной струи вблизи экрана [2] (раздел 6, § 2, стр. 217–229). Рассмотрим завесу с шириной сопла bз = 0,15 м в диапазоне расстояний а = 1–3 м, с углом выхода струи 30° к плоскости проема в сторону улицы. Расстояние от экрана (вертикальной стены ограждения) до сопла определяется как с/bз ≥ (а/bз)tgα + 0,5λa2/cosα. В этом выражении ширина струи в сечении «а» вычислялась по среднемассовой скорости. Можно показать, что угол натекания струи на экран составляет 30,6°, а точка касания оси струи экрана лежит за пределами расстояния «а», т. е. в области проема. При начальном угле истечения струи 0° в широком диапазоне расстояний (с/bз), начиная от 2,5, искривление струи также незначительно, точка касания с экраном располагается дальше, чем при угле 30°.
Дадим оценку дополнительному разрежению, возникающему в пространстве между корпусом завесы и экраном. В этот промежуток устремляется расход воздуха, эжектируемого струей на длине экранирования «а», равный Gэа = 0,5(λа – 1)Gз. Средняя скорость воздуха при тех же параметрах и при скорости на выходе из сопла завесы 12 м/с не превышает 1 м/с. Соответственно, возникает разрежение не более 0,5 Па.
Таким образом, можно пренебречь влиянием ограниченного пространства на формирование экранируемой струи и рассматривать ее, как свободную затопленную.
3. Введем обобщенный показатель действия завесы — параметр q как
q̃ = Ga/(Ga + Gн), (1)
где Ga — массовый расход струи на уровне верхней кромки проема (аналог расхода через завесу в принятой интерпретации показателя q для неэкранированных струй), Gн — массовый расход части наружного эжектированного на длине (h – a)/cosα воздуха, затекающего в проем. Уравнение импульсов в проекции на направление, перпендикулярное плоскости проема, позволяет выразить (1) в виде
Здесь σ = ΔP̅прF̅̅, F̅= Hпр/bз, ΔP̅пр = ΔРпр/ρvз2, v̅1 и v̅2 — среднемассовые скорости потоков, растекающихся от проема наружу и вовнутрь, отнесенные к скорости струи в сопле vз, λh — коэффициент эжекции струи в сечении «h». Полагая, что скорости v̅1 и v̅2 по порядку величины не должны отличаться от среднемассовой скорости струи перед поворотом в проем v̅с, а также используя условие сохранения потока импульса вдоль струи до поворота, получим
v̅1 = v̅2 = v̅с = 1/λh. (3)
Подставляя (3) в (2), найдем
q̃ = 2(λa/λh)(σ – sinα + λa/λh)-1. (4)
Струя развивается по законам свободной затопленной от сопла до области поворота внутрь помещения (см. рис. 1). Расчетная длина струи определяется как z = h/cosα. Принято, что толщина струи, затекающей в проем, связана с h равенством
δ2 + h = Hз. (5)
Развертывая и преобразовывая выражение (5), получим обобщенное на рассматриваемый случай уравнение для определения коэффициента эжекции
Таким образом, при заданных величинах α, σ, a̅, F̅ можно вычислить коэффициенты эжекции λaи λh и далее параметр q̃. При этом «традиционный» показатель действия завесы будет равен
q = [λa/ q̃ – 0,5(λa – 1)]-1 (7)
или, после подстановки q̃ по (4)
q = 2[1 + λh(σ – sinα)]-1. (8)
Устремляя a → 0, чисто математически получим λа→ 0. Однако физический смысл имеет только λ ≥ 1, чему соответствует некоторое минимальное конечное расстояние от сопла. Это является следствием упрощения действительной структуры струи, которое позволяет отсчитывать расстояние не от полюса струи, а от выходного сечения сопла. Если при а → 0 положить λа = 1, то выражение (4) превращается в (8), что и подтверждает тождественность физического смысла того и другого. Сравнивая (4) и (8), легко убедиться в том, что q ≤ q̃. При q̃ = 1 выражение (7) становится равным
q| q̃ =1 = 2/(λa + 1), (9)
и это означает, что струя с расходом Ga заворачивает в проем, а массы, эжектированные на участке между сечениями «а» и «h», отделяются и уходят на улицу.
При q = 1 вся наружная эжекция Gэh = 0,5(λh – 1)Gз, включая ее экранированную часть, отделяется от струи и уходит на улицу, а показатель равен
q̃|q=1= λa/[1 + 0,5(λa – 1)]. (10)
По аналогии с неэкранированной структурой можно показать, что вся струя с расходом Gh = λhGз затекает в проем (предельный режим защиты) при
q̃* = 2λa/(λa + λh). (11)
Это минимальное значение показателя, при котором неэжектированный снаружи воздух не прорывается под струей. Используя полученные зависимости, найдем расход уходящей на улицу части струи. При q̃* ≤ q̃ ≤ 1
Из табл. 1 видно, что понятный значительно более интенсивный рост λа в сравнении с λh при увеличении степени экранирования приводит к повышению показателя q̃ в полном соответствии с выражением (4). Увеличение разности давления в проеме снижает уровень показателя q̃ и при 10 Па он становится равным предельному нижнему значению q̃* по (11).
4. Проанализируем теплопотери экранированной струи с отделяющимися и уходящими на улицу массами. С этой целью, в первую очередь, оценим интенсивность охлаждения ядра постоянного расхода. Подход к этому состоит в выделении ядра постоянного расхода струи и приложении к ядру методов теории теплообменных аппаратов с введением аналогов конвективных коэффициентов теплоотдачи [3]. Показано, что в свободной затопленной струе коэффициент теплоотдачи определяется из критериального выражения St = 0,065(L/bз)-0,444, где St = α/(ρCpvз) — критерий Стантона.
Рассмотрим тепловой поток от ядра постоянного расхода ненагретой струи в сторону улицы. В общем случае, от площадки dF ядра с наружной стороны струи уходит теплота
dQ = α(tя – t1)dF = (t2 – t1)Wяθdε. (14)
Здесь α — коэффициент конвективной теплоотдачи от ядра постоянного расхода струи принимается постоянным средним на длине струи, Wя = GяCp — водяной эквивалент ядра постоянного расхода, параметр ε = αF/Wя называют числом единиц переноса теплоты. Безразмерная температура ядра постоянного расхода θ = (tя – t1)/(t2 – t1) формируется как уходом теплоты наружу, так и поступлением ее изнутри здания. В [3] найдено для неэкранированной струи
θx = 0,5[1 + exp(–2εx)]. (15)
Важно, что из критериального выражения для числа Стантона непосредственно получается равенство ε = 0,065(L/bз)0,556.
Подстановка (15) в (14) и интегрирование от x = 0 до L дает
Q̃|0L = 0,25[1 – exp(–2εL)] + 0,5εL. (16)
Здесь Q̃|0L = Q|0L / (t2 – t1)Wя. Можно показать, что для экранированной холодной струи, у которой в промежутке от х = 0 до х = а теплопотери отсутствуют и температура всей струи в сечении «а» равна t2, выражения (15) и (16) преобразуются в
Оценка теплопотерь по (18) до некоторой степени условна, поскольку предполагает, что температура всей эжектированной массы около ядра постоянного расхода не зависит от втекания эжектированных масс Gэа с температурой t2. Введем корректировку выражения (18), используя приближенную оценку условного повышения температуры t1 до t1усл. Рассчитаем среднюю температуру смешения tсм теплоты экранированной части эжекции Qэа = GэаСр(t2 – t1) с холодной наружной частью эжекции без учета прихода теплоты от ядра постоянного расхода. Условную температуру для расчета теплопотерь ядра примем равной t1усл= 0,5(t1+ tсм), а полную теплоту в потоке эжекции Qэh = Qэа + Q|aL (при t1усл). После соответствующих подстановок и преобразований получим окончательно
5. В завершение дадим числовые оценки двум основным проектным параметрам: температуре смеси tсм, втекающей в защищенный экранированной струей проем, и тепловой мощности компенсации теплопотерь Qкомп = GсмCp(t2 – tсм), где Gсм — суммарный расход смеси, втекающей в помещение от защищенных ворот. Под компенсацией здесь понимается такая организация защиты проема, когда затекающий от ворот в помещение поток подогревается независимыми воздухоподогревателями и внутренняя температура поддерживается постоянной и равной t2. Величина этой тепловой мощности может служить мерой энергетической эффективности организации защиты. Реально в период открытых ворот во многих случаях допускается понижение температуры в помещении с последующим более или менее длительным ее повышением до заданной величины. В таких случаях тепловая мощность компенсации меньше введенной здесь Qкомп , хотя энергетические затраты на компенсацию могут оставаться неизменными.
Для экранированной струи при q̃ ≤ 1 тепловой баланс
(tсм – t1)(Ga + Gн + Gэhв – Gэaв) = = Ga(t2 – t1) + Gн(t1 – t1) + (Gэhв – Gэaв)(t2 – t1) – Q̅потGз(t2 – t1), (21) в данном случае Gсм = Ga + Gн + Gэhв – Gэaв, верхним индексом «в» отмечены расходы эжекции внутренних масс.
После преобразований безразмерная температура смеси будет
Тепловой поток компенсации после подстановки (22) и преобразований равен
Q̅комп = λa(1/q̃ – 1) + Q̅пот. (23)
Из (23) видно, что на режиме q̃ = 1 Q̅комп = Q̅пот, в остальных случаях необходима компенсация не только потерь с уходящими массами, но и втекающих холодных масс эжекции (q̃ < 1). На предельном режиме q̃ = q̃* Q̅пот = 0 и с учетом (11) Q̅комп = λa(1/q̃* – 1) = 0,5(λh – λa).
Для экранированной струи при q̃ > 1 в выражении теплового баланса (21) изменится сомножитель при слагаемом Gн. Вместо (t1 – t1) = 0 появится сомножитель (t2 – t1), поскольку этот поток приходит не снаружи в проем, а уходит изнутри (из Gа) с температурой t2. Кроме того, величина Gн становится отрицательной и равной λa(1/q̃ – 1) Gз. Выражение (22) преобразуется в
а выражение (20) остается неизменным вместе с (13).
Результаты расчета основных параметров защиты проема экранированной струей приведены на рис. 2 и 3 для условий примера из раздела 3. Теплопотери ядра постоянного расхода струи определялись по полной длине струй с учетом угла 30°. Для интерпретации полученных результатов рис. 2 и 3 необходимо рассматривать совместно с табл. 1. На режимах работы q̃* ≤ q̃ ≤ 1 имеем очевидный результат: температура смеси tсм растет вместе с q̃ независимо от разности давлений на проеме и величины экранирования. Очевидность опирается, в первую очередь, на снижение доли поступающего в проем холодного наружного воздуха. Это обстоятельство начинает играть главную роль при q̃ → q̃* . Например, при ΔPпр = 10 Па, когда показатель q̃ = q̃*, его величина возрастает от 0,48 на режиме без экранирования до 0,88 в случае с максимальным экранированием, а температура смеси возрастает от 1,3 до 12,7 °С.
Для понимания феномена целесообразно рассмотреть предельный случай q̃* = 1, т. е. ситуацию совмещенных режимов полного затекания струи в проем и отсутствия проникновения в проем холодного наружного воздуха. Это становится возможным, если формирование струи до поворота закончилось за экраном в сечении «а» и с этого сечения начался поворот струи внутрь помещения. Из (11) следует, что при q̃* → 1 будет λh → λa и, соответственно, h → a. Приравнивая выражение (6) к λa , найдем для ΔPпр = 10 Па аЇ* = 47,4 или а* = h* = 7,1 м. Нижним индексом «звездочка» здесь отмечена принадлежность размеров к предельному режиму q̃*. Поскольку на этом режиме Q̅пот = 0, то из (22) следует θсм = 1, т. е. tсм = t2. = 18 °С. При всей неожиданности подобного результата, он легко объясним в рамках принятой модели. Вся струя до сечения поворота сформирована из внутреннего воздуха с температурой t2. Начиная с сечения «а», которое совпадает с верхней кромкой проема, начинается поворот струи внутрь помещения. Принятая модель пренебрегает незначительной эжекцией наружных масс на участке поворота струи с их последующим отделением и уходом на улицу. Из этого и следует Q̅пот = 0. Для «нормальных» ситуаций, когда предельные режимы q̃* и q̃= 1 достаточно удалены друг от друга, данное упрощение вполне справедливо. Однако в ситуациях сближения предельных режимов при экранировании струи, вплоть до их совпадения, пренебрежение потерями на участке поворота дает искаженный результат. Тем не менее имеет место очевидная тенденция значительного повышения температуры смеси экранированием холодной верхней завесы в ситуациях, когда режим работы неэкранированной струи характеризуется показателем предельного режима q̃*.
На режимах работы с q̃ > 1 потери теплоты обусловлены не поступлением холодного наружного воздуха, а уходом части теплого воздуха из первоначального расхода на улицу. Температура смеси при этом падает с ростом показателя q̃. Наиболее выпукло это видно в случае ΔPпр = 6 Па.
Зависимости тепловой мощности компенсации на рис. 3 имеют минимум. С возрастанием разности давлений на проеме минимум перемещается в сторону увеличения размера экранирования. В значительной степени положение минимума связано с максимумами температур смешения на рис. 2.
Выводы.
Несмотря на принятые упрощения физической модели экранирования струи и некоторую идеализацию явления выявлен значительный ресурс повышения эффективности защиты проемов холодными верхними завесами. Теоретически показано, что, перемещая одну и ту же завесу вверх от кромки проема с учетом угла струи, можно повысить температуру втекающей смеси на 1–10 °С в зависимости от разности давлений в проеме. При этом тепловая мощность компенсации может быть уменьшена в 1,3–2,0 раза по отношению к мощности без экранирования. Наиболее ярко эффект экранирования проявляется в ситуациях, когда режим работы неэкранированной завесы близок к предельному по полному затеканию сформировавшейся струи в проем.
Литература
1. Ю. Н. Марр. Физическое моделирование защиты проемов завесами // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 1. 2014.
2. Теория турбулентных струй. Издание 2-е переработанное и дополненное. Под редакцией Г. Н. Абрамовича. М.: Наука. 1984.
3. Ю. Н. Марр. Теплообмен в струйных течениях // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 3. 2014.
Д. А. Захаров, генеральный директор ООО «Экофильтр»
В данной статье приводится расчет показателей ресурсосбережения, образуемого при использовании фильтров высокого класса очистки (далее — фильтров ВКО) трех модификаций по сравнению с рукавными фильтрами стандартной модификации. Указанные фильтры ВКО при высоком начальном пылесодержании перед фильтром (Сн = 4000ч10 000 мг/м3 и более) за счет повышенной эффективности очистки воздуха (Е = 99,99999 %) по сравнению с рукавными фильтрами стандартной модификации (Е = 99,95 %), работающими при приведенном начальном пылесодержании как прямоточные, обеспечивают малую эмиссию пыли на выходе (Ск = 0,0004ч0,001 мг/м3), позволяющую осуществлять рециркуляцию очищенного воздуха в производственное помещение. Рециркуляционные аспирационные пневмосистемы по сравнению с прямоточными пневмосистемами обеспечивают 10-кратное уменьшение производительности системы приточной вентиляции Lпр, м3/ч, и, как следствие, 10-кратное энергосбережение на четырех технологических операциях системы и повышение ее энергетической эффективности на 90%.
Расчет ресурсосбережения осуществлялся для следующих вариантов модификаций фильтров ВКО:
• Вар. 1. Рукавно-картриджный фильтр (РКФ) с горизонтально расположенными картриджами (рис. 1, б). На данную конструкцию РКФ получен патент на изобретение № 2479338 [1], который включен Роспатентом в базу данных «Перспективные изобретения» IMPIN 2013 г.
• Вар. 2. Рукавно-картриджный фильтр (РКФ) с вертикально расположенными картриджами (рис. 1, в), который более технологичен в изготовлении и имеет меньшую начальную и эксплуатационную стоимость, чем РКФ с горизонтальными картриджами [2].
• Вар. 3. Рукавный фильтр (РФ) с рукавами, сшитыми из фильтрополотна РМ-Тес с применением политетрафторэтиленовой (PTFE) мембраны от BWF Envirotec (Германия), которая начала серийное производство указанного фильтрополотна в мае 2013 года. Фильтрополотно с PTFE мембраной обеспечивает примерно такую же эффективность очистки воздуха Е, %, как и РКФ только при малой скорости фильтрации (Vф = 0,65 м/мин) и в 3 раза меньшей, чем в РКФ (Vф = 2 м/мин). При этом указанное фильтрополотно дороже фильтровальной ткани, применяемой для пошива фильтрующих рукавов в РКФ, в 2,5 раза. Чтобы получить в РФ, работающем на фильтрополотне с PTFE мембраной, одинаковую эффективность очистки воздуха Е, %, с РКФ необходимо в РФ увеличить площадь фильтрополотна в 3 раза, т. е. увеличить число фильтрующих рукавов в 3 раза (рис. 1, г).
Кроме этого, фильтрополотно с PTFE мембраной имеет увеличенное на DP = 350 Па гидравлическое сопротивление по сравнению с фильтровальной тканью needlona®PE/PE 554 glazeExChargeCS17, применяемой в РКФ и в базовом варианте.
В качестве базового варианта фильтра стандартной модификации (рис. 1, а) принята конструкция рукавного фильтра с двухступенчатой очисткой воздуха (входная пылеосадочная камера, фильтрующие рукава), применяемой без изменения в РКФ. Таким образом, фильтры ВКО, выполненные по вар. 1 и 2, образованы путем добавления к базовому варианту рукавного фильтра третьей ступени очистки в виде модуля дополнительной очистки воздуха на основе фильтрующих картриджей:
• в вар. 1 — горизонтально расположенных картриджей (рис. 1, б);
• в вар. 2 — вертикально расположенных картриджей (рис. 1, в).
Базовый вариант фильтра (рис. 1, а) и все 3 варианта фильтров ВКО (рис. 1, б, в, г) имеют регенерацию фильтрующих рукавов и картриджей в виде импульсной продувки сжатым воздухом.
Гидравлическое сопротивление фильтров DP (Па) составляет:
• в базовом варианте рукавного фильтра — 450 Па;
• в каждом из 3 вариантов фильтров ВКО — 800 Па.
На рис. 1 обозначено: 1. Входной патрубок загрязненного воздуха. 2. Входная пылеосадочная камера. 3. Основная пылеулавливающая камера с секциями фильтрующих рукавов. 4. Камера очищенного воздуха. 5. Основной бункер-накопитель. 6. Шнековый разгрузитель. 7. Шлюзовый разгрузитель. 8. Собирающий тройник. 9. Цепной скребковый конвейер закрытого типа. 10. Контейнер-накопитель. 11. Сервисные двери. 12. Выпускной патрубок для очищенного воздуха. 13. Модуль дополнительной очистки воздуха. 14. Камера дополнительного пылеулавливания. 15. Камера дополнительно очищенного воздуха. 16. Дополнительный бункер. 17. Шнековый разгрузитель дополнительно бункера. 18. Шлюзовый разгрузитель дополнительного бункера. 19. Выпускные патрубки для дополнительно очищенного воздуха. 20. Воздуховоды вертикальные. 21. Коллектор вывода дополнительно очищенного воздуха. 22. Мешочный накопитель пыли. На рис. 1 условно не показаны ресиверы сжатого воздуха с пневмоклапанами систем регенерации секций фильтрующих рукавов и картриджей.
Ниже приводится расчет энерго- и ресурсосбережения, обеспечиваемого в системе приточной вентиляции за счет замены рукавных фильтров стандартной модификации, работающих как прямоточные, на рециркуляционные фильтры ВКО. Расчет производится при производительности аспирационной системы LАС = 100 000 м3/ч, t0 = 20 °С и r0 = 1,2 кг/м3.
а — базовый вариант рукавного фильтра; б, в, г — фильтры ВКО различных модификаций; б — РКФ с горизонтальными картриджами; в — РКФ с вертикальными картриджами; г — РФ с рукавами, сшитыми из фильтрополотна с PTFE мембраной
При указанной производительности аспирационной системы производительность приточной системы вентиляции составит:
• в базовом варианте при использовании в АсПТС рукавных фильтров стандартной модификации
• в вариантах 1, 2, 3 фильтров ВКО, образующих АсПТСРВ (АсПТС с рециркуляцией воздуха в цех)
Lпр. 1, 2, 3 = 0,11LАС = 11 000 м3/ч.
Снижение энергозатрат в системах приточной вентиляции при использовании вариантов 1, 2, 3 фильтров ВКО по сравнению с базовым вариантом рукавного фильтра осуществляется за счет уменьшения производительности системы приточной вентиляции на величину
Расчет энергосбережения в системах приточной вентиляции
Расчет энергосбережения от полученного уменьшения расхода приточного воздуха на ΔL= 99 000 м3/ч системами приточной вентиляции осуществляется для климатических условий Санкт-Петербурга (табл. 1) по четырем статьям:
• экономии тепловой энергии на нагревании приточного воздуха в холодный период года ΔQ, Гкал/год;
• экономии электроэнергии на увлажнении нагретого приточного воздуха ΔNув, кВт· ч/год с φ2 = 1,9% до φ3= 55%;
• экономии электроэнергии на водоподготовке распыляемой через форсунки воды (деминерализации воды) в холодный период года ΔNВПГ, кВт· ч/год;
• экономии электроэнергии на круглогодичной подаче в цех приточного воздуха ΔNпв, кВт· ч/год.
Таблица 1.
Климатические данные для расчета тепловой энергии на нагревание приточного воздуха на предприятиях Санкт-Петербурга (параметры Б) [3]
Средняя температура
Относительная влажность воздуха φ1, %
Продолжительность отопительного периода Nc, сут.
Наиболее холодной пятидневки, t1
Отопительного периода, tср
–26
–0,9
83
239
Теплоэнергосбережение
Теплоэнергосбережение в системах приточной вентиляции при использовании фильтров ВКО (вар. 1, 2, 3) рассчитывалось для комбинированных систем приточной и вытяжной вентиляции, выполненных по двум вариантам:
• без рекуператора теплоты удаляемого воздуха в приточных системах вентиляции всех вариантов
• с рекуператором теплоты удаляемого воздуха в приточных системах вентиляции вариантов 1, 2, 3
ΔQрекгод = ΔQб/рекгод + ΔQ1,2,3 (рек)год (2),
где ΔQ1,2,3 (рек)год — экономия тепловой энергии на нагревание приточного воздуха в холодный период года в системе приточной вентиляции вар. 1, 2, 3 при установке рекуператора, Гкал/год. Определяется из выражения (3)
В выражении (3) обозначено:Q1,2,3 (б/рек)год , Q1,2,3 (рек)год— затраты тепловой энергии на нагревание приточного воздуха в холодный период года в системе приточной вентиляции вар. 1, 2, 3 соответственно без рекуператора и с рекуператором, Гкал, год. Определяются из выражений (4) и (5).
(4)
(5)
В выражениях (1), (2) и (4), (5) обозначено:
ΔGс — сэкономленная величина массового потока сухого воздуха, кг/ч, определяется по формуле (8); Gс1, 2, 3 — массовый поток сухого воздуха в системе приточной вентиляции вар. 1, 2, 3, кг/ч, Cp.c— удельная массовая теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кгК), Ср. с = 1,005 [3]; t1 — расчетная температура наружного воздуха для проектирования вентиляции, °С, принимается как средняя температура наиболее холодной пятидневки (температура воздуха обеспеченностью 0,92 [3] (см. табл. 1), t2 — температура нагретого воздуха, °С, определяется из выражения (6); Kt, KtR— коэффициенты перехода от максимального часового расхода тепловой энергии Qmax к среднечасовому расходу Qср за отопительный период в рабочее время соответственно при отсутствии и наличии рекуператора в системе приточно-вытяжной вентиляции; определяются по формулам (10, 11); Nc— продолжительность отопительного периода, сут. (табл. 1); Н — количество часов работы цеха и системы приточно-вытяжной вентиляции в сутки, ч, Н = 16; Kw — коэффициент перевода количества суток отопительного периода в количество рабочих дней отопительного периода при шестидневной рабочей неделе, Kw = 6/7 = 0,857; 10–6 — коэффициент перевода кДж в гДж; 4,19 — коэффициент перевода ГДж в Гкал (1 Гкал = 4,19 гДж).
Температура нагретого воздуха
(6)
где [tminр.з]хол — минимальная из допустимых температур в рабочей зоне помещения в холодный период года, [tminр.з]=15 °С, Δtохл — перепад температур, на который понижается нагретый воздух в результате адиабатического увлажнения, °С, Δt= 6 °С; tR1 — температура приточного воздуха на выходе из пластинчатого рекуператора, °С, определяется по формуле
где tуд — температура удаляемого из производственного помещения воздуха, °С; tуд = 20 °С; ФсR1 — сухая энергетическая эффективность однокаскадного пластинчатого перекрестноточного рекуператора с волнообразными вкладышами от компаний Klingenburg или Rosenberg(Германия), ФR1= 70% (в долях единицы — 0,7); t2 — температура нагретого воздуха, °С, определяется из выражения (7).
Сэкономленная величина массового потока сухого воздуха
(8)
Массовый поток сухого воздуха в вар. 1, 2, 3
(9)
где ΔLпр — экономия расхода влажного приточного воздуха, м3/ч ΔLпр = 99 000 м3/ч; Lпр 1,2,3 — производительность приточной системы вентиляции в вар. 1, 2, 3, Lпр 1,2,3 = 11 000 м3/ч; ρ0 — плотность приточного воздуха при «нормальных условиях» его состояния, кг/м3, ρ0= 1,2; d2 — влагосодержание нагретого воздуха, г/кг сух. возд., d2 = d1 = 0,2927 (табл. 2).
Коэффициенты перехода от максимального часового расхода тепловой энергии к среднечасовому расходу:
а) при отсутствии рекуператора
(10)
где tср — средняя температура отопительного периода, °С (табл. 1) tср = –0,9 °С;
б) при наличии рекуператора
(11)
где tR1 — температура приточного воздуха на выходе из пластинчатого рекуператора при t1 = –26 °C; tR1 = 6,2 °С; tRср — температура на выходе из пластинчатого рекуператора при tср = –0,9 °С
При этом экономия тепловой энергии в системах приточной вентиляции при замене рукавных фильтров стандартной модификации (баз. вар.) на фильтры ВКО (вар. 1, 2, 3) составит
Значения влагосодержания наружного d1, нагретого d2, увлажненного d3 и приточного воздуха приведены в табл. 2.
Таблица 2.
Значения t1, t2, t3, tпр, φi, Рнi, Рпi, di для наружного, нагретого, увлажненного и
приточного воздуха для Санкт-Петербурга при Рбар = 101 000 Па
Температура воздуха, оС
Относительная влажность воздуха φ
(в долях ед.)
Парциальное давление водяного пара, Па
Влагосодержа-ние d, г/кг сух. возд. [3],
НасыщенногоРнi [8]
НенасыщенногоРпi = Рнi∙ φi
t1 = –26 [3]
φ1 = 0,83 [3]
Рн1 = 57,25
Рп1 = 47,5
d1 = 0,2927
После нагреванияt2 = 21
φ2 = 0,0191
Рн2 = 2487,7
Рп2 = 47,5
d2 = 0,2927
После увлажненияt3 = 15
φ3 = 0,55
Рн3 = 1704,4
Рп3 = 938
d3 = 5,83
После вентилятораtпр = 15,7
φпр = 0,526
Рнпр = 1783,9
Рппр = 938
dпр = 5,83
Электроэнергосбережение
Суммарное электроэнергосбережение в системе приточной вентиляции ΔNS, кВт·ч/год, определяется из выражения
ΔNS= ΔNув+ ΔNвпг + ΔNпв, (13)
где ΔNув — годовое электроэнергосбережение при увлажнении воздуха адиабатическим методом с φ2 = 1,91% до φ3 = 55%, кВт·ч/год, определяется по формуле (14); ΔNвпг — годовое электроэнергосбережение на водоподготовке (деминерализации воды) в установках обратного осмоса, кВт·ч/год, определяется по формуле (19); ΔNпв — электроэнергосбережение на организованной круглогодичной подаче приточного воздуха в цех, кВт·ч/год, определяется по формуле (20)
ΔNув = ΔGBNyаду (14)
где ΔGв — сэкономленная величина массового потока деминерализованной воды для распыления, кг/год, определяется по формуле (15); Nyаду — расчетное удельное потребление электрической энергии при адиабатическом увлажнении воздуха методом распыления воды через форсунки в установках серии МС с применением сжатого воздуха, кВт·ч/кг. По данным корпорации United Elements Engineering, для систем увлажнения серии МС фирмы Carel (Италия) Nyаду = 0,116.
ΔGв = ΔGувKdNсHKw /ηp, (15)
где ΔGув — уменьшение производительности увлажнителей, кг/ч, определяется по формуле (16); Kd— коэффициент перехода от максимального часового расхода воды Gв max к среднечасовому расходу Gв ср в отапливаемый период года в рабочее время, определяется по формуле (17); Nс, H, Kw— те же параметры, что и в формуле (1); ηp — коэффициент, учитывающий эффективность использования распыляемой воды, ηp = 0,9
где ΔGс — сэкономленная величина массового потока сухого воздуха, ΔGс = 118 765 кг/ч; d3 — влагосодержание нагретого увлажненного воздуха, г/кг сух. возд., d3 = 5,83; d2 — влагосодержание нагретого воздуха на выходе из калорифера, г/кг сух. возд., d2 = 0,2927
(17)
где dср — влагосодержание при температуре tср = –0,9 °С, Рн ср = 567,36 Па [3]; jср = 0,83, Рп ср = 470,9 Па, Рбар = 101 000 Па определяется по формуле
г/кг. сух. возд. (18)
Сэкономленная величина массового потока деминерализованной воды для распыления согласно (15) составит:
кг/год.
Годовое электроэнергосбережение от увлажнения нагретого воздуха согласно (14) составит:
Где Nyвпг — расчетное удельное потребление электрической энергии на водоподготовку (деминерализацию воды) в системе обратного осмоса, кВт·ч/кг, по данным корпорации United Elements Engineering, для систем обратного осмоса серии VVTS фирмы Carel (Италия) Nyвпг = 0,004.
Годовое энергосбережение при подготовке воды в установках обратного осмоса согласно (19) составит:
где m— число часов работы оборудования в году при двухсменной работе, ч/год, m = 4168, Nпр баз, Nпр 1,2,3 — установленные мощности электродвигателей вентиляторов систем приточной вентиляции по базовому варианту и вариантам 1, 2, 3 (Nпр баз = 60, Nпр 1,2,3 = 6,0); Nвыт баз — установленные мощности электродвигателей вентиляторов систем вытяжной вентиляции по базовому варианту и вариантам 1, 2, 3, кВт (Nвыт баз = 6, Nвыт1,2,3 = 6).
Значения ΔNув, ΔNвпг, ΔNпв и ΔNSпр приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Значения параметров ΔNув, ΔNвпг, ΔNпв и ΔNΣпр в системах приточной вентиляции
вар. 1, 2, 3
Вариант фильтра ВКО
ΔN, кВт · ч/год
ΔNув
ΔNвпг
ΔNпв
ΔNΣпр
Вар. 1, 2, 3
146 248
5043
225072
376 363
При использовании вар. 1, 2, 3 фильтров ВКО по сравнению с базовым вариантом фильтра стандартной модификации имеются увеличенные энергозатраты в электроприводах вентиляторов аспирационных систем и на выгрузке уловленных механических примесей из бункеров и их транспортированию в контейнеры-накопители.
Расчетная мощность электродвигателя радиальных вентиляторов аспирационных систем составила:
• в базовом варианте
(21)
Установленная мощность Nу1 = 125 кВт.
• в вар. 1, 2, 3
(22)
Установленная мощность Nу1,2,3 = 140 кВт.
Установленные мощности электродвигателей вентиляторов аспирационных систем и приводов механизмов выгрузки уловленных механических примесей из бункеров и их транспортирования в контейнеры-накопители для вариантов суперфильтров 1, 2, 3 приведены в табл. 4.
Таблица 4.
Значения установленной мощности электродвигателей вентиляторов, механизмов выгрузки и транспортирования механических примесей в контейнер-накопитель для базового варианта фильтра и суперфильтров по вар. 1, 2, 3
Наименование оборудования
Установленная мощность, Ny, кВт
Nyбазыбазовый вариант
суперфильтры
Вар. 1 (Ny1)
Вар. 2 (Ny2)
Вар. 3 (Ny3)
Радиальный вентилятор
125
140
140
140
Шнековый конвейер
2 х 0,75 = 1,5
4 х 0,75 = 3,0
4 х 0,75 = 3,0
6 х 0,75 = 4,5
Шлюзовый питатель
2 х 0,37 = 0,75
4 х 0,37 = 1,5
4 х 0,37 = 1,5
6 х 0,37 = 2,22
Скребковый конвейер
1 х 2,2 = 2,2
2 х 2,2 = 4,4
1 х 2,2 = 2,2
3 х 2,2 = 6,6
NyiДополнительная установленная мощность в вар. 1, 2, 3Ny1доп = Nyi — Nyбаз
Nyбаз= 129,45–
Ny1 = 148,9ΔNy1доп= 19,45
Ny2= 146,7ΔNy2доп= 17,25
Ny3= 153,3ΔNy3доп= 23,85
Дополнительные энергозатратыNзатрдоп = 4168 *Ny1доп
–
81 068
71 900
99 407
Суммарное электроэнергосбережение для фильтров ВКО по вар. 1, 2, 3 рассчитывалось по формуле
ΔNSi = ΔNΣпр – ΔNзатрдоп . (23)
Значения ΔNΣi, кВт · ч/год для вар. 1, 2, 3 приведены в табл. 5.
Таблица 5.
Значения ΔNSi, кВт · ч/год для систем приточной вентиляции по вар. 1, 2, 3
Вариант суперфильтра
ΔNSпр
ΔNзатрдоп
ΔNSi
ΔВN,т. у. т./год
Вар. 1
376 363
–81 068
265 295
106,3
Вар. 2
376 363
–71 900
304 463
109,6
Вар. 3
376 363
–99 407
276 956
99,7
Ресурсосбережение
Ресурсосбережение — годовая экономия топливно-энергетических ресурсов в тоннах условного топлива (ту. т./год), получаемая на основе тепло- и электроэнергосбережения.
Условное топливо (ту. т) — энергетический эквивалент топлива с удельной теплотворной способностью 7000 ккал/кг (29,33 МДж/кг) для жидких и твердых видов топлива и 7000 ккал/нм3 (29,33 МДж/нм3) для газообразных видов топлива. За условное топливо принят каменный уголь Донецкого бассейна.
Согласно государственной программе энергосбережения и повышения энергетической эффективности страны до 2020 года все полученное на основании созданной новой техники энергосбережение должно переводиться в экономию топливно-энергетических ресурсов (ресурсосбережение).
Ресурсосбережение, образуемое за счет экономии тепловой энергии ΔBQ, ту. т./год, определяется по формуле [3]
(24)
и составляет для приточно-вытяжной системы вентиляции:
а) без рекуператора
б) с рекуператором
В формуле (24) обозначено: 7ηк — эквивалент в Гкал 1 т у. т.; ηк — КПД котельной в долях единицы; ηк = 0,86.
Ресурсосбережение, образуемое при использовании фильтров ВКО по вар. 1, 2, 3 за счет экономии электрической энергии ΔBN, т у. т./год, определяется по формуле [3]
(25)
где ΔNSi — суммарное электроэнергосбережение в i-м варианте суперфильтра, 8147,2 ηк — эквивалент в кВт·ч 1 т у. т.; ηэс — КПД пылеугольных электростанций в долях единицы, ηэс = 0,341 [3].
Ресурсосбережение от электроэнергосбережения ΔBN для суперфильтров по вар. 1, 2, 3 приведено в табл. 5.
Суммарное ресурсосбережение от экономии тепловой и электрической энергии для фильтров ВКО по вар. 2, 3, 4 определялось из выражения [3]
ΔВQNi= ΔВQ + ΔВNi(26)
и приведено в табл. 6.
Таблица 6.
Значения ΔВQ, ΔВNi и ΔВQNiв системах приточной вентиляции для фильтров ВКО
по вар. 1, 2, 3
Вариант суперфильтра
ΔВQ, т у. т./год
ΔВNi, т у. т./год
ΔВQNi,т у. т./год
Вар. 1
Без рекуператора
339,6
106,3
445,9
С рекуператором
364,8
471,1
Вар. 2
Без рекуператора
339,6
109,6
449,2
С рекуператором
364,8
474,4
Вар. 3
Без рекуператора
339,6
99,7
439,3
С рекуператором
364,8
464,5
Выводы
1. Различные варианты механизмов выгрузки пыли из бункерной части суперфильтров по вар. 1, 2, 3 незначительно влияют на образуемое ресурсосбережение. Суммарное ресурсосбережение ΔВQNi, т у. т./год, при использовании фильтров ВКО по вар. 1, 2, 3 без рекуператора в системе приточно-вытяжной вентиляции составляет 445,9; 449,2; 439,3.
2. Установка однокаскадного пластинчатого рекуператора с волнообразными вкладышами в системе приточно-вытяжной вентиляции по вар. 1, 2, 3 фильтров ВКО увеличивает образуемое ресурсосбережение ~ на 5,5%.
3. Наибольшее ресурсосбережение в системах приточной вентиляции обеспечивает вар. 2 фильтра ВКО (РКФ с вертикальными картриджами) и установкой в системе приточно-вытяжной вентиляции однокаскадного пластинчатого рекуператора, равное 474,4 т у. т./год.
4. Окончательный выбор модификации фильтра ВКО и варианта приточно-вытяжной вентиляции (без рекуператора, с рекуператором) следует проводить по показателям эффективности альтернативных инвестиционных проектов (чистая приведенная стоимость NPV, чистый дисконтированный доход NDR, срок окупаемости РВ, рентабельность вложения инвестиций PI), определяемых на основе расчета дисконтированных денежных потоков в каждом варианте инвестиционного проекта.
Литература
1. Патент РФ № 2479338. Фильтр рукавно-картриджный для очистки воздуха от механических примесей / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. 20.04.2013 г. Бюл. № 11.
2. Патент РФ № . Фильтр рукавно-картриджный для очистки воздуха от механических примесей / В. Е. Воскресенский, А. М. Гримитлин, Д. А. Захаров. Опубл. Бюл. № .
3. Воскресенский В. Е. Системы пневмотранспорта, пылеулавливания и вентиляции на деревообрабатывающих предприятиях. Теория и практика:
в 2 т. Т. 2, ч.2: Системы вентиляции: учебное пособие. СПб.: АВОК «Северо-Запад», 2012. 704 с.: ил.
Опыт ОАО «Гипрониигаз» по энергетическим обследованиям газораспределительных организаций (ГРО) показывает, что перспективные направления повышения энергоэффективности в газораспределении основаны, как правило, на применении современных технологий, оборудования и материалов, энергосберегающие эффекты от внедрения которых определяются в зависимости от потребляемых топливно-энергетических ресурсов.
Несмотря на относительно малую долю в суммарном топливно-энергетическом балансе (от 5% в Приволжском ФО до 9% в Северо-Западном ФО) ежегодное потребление электрической энергии для различных ГРО составляет от 0,3 до 15 млн кВт∙ч/год. Столь значительные годовые объемы потребления электроэнергии обусловливают чрезвычайную актуальность поиска путей ее экономии. При этом эффективность энергосбережения в конкретном ГРО во многом зависит от структуры установленной электрической мощности и потребления электроэнергии по направлениям ее использования.
Структура потребления электрической энергии существенно варьируется в зависимости от вида ГРО (горгаз, облгаз), где доли отдельных групп потребителей могут составлять:
— сети распределения природного газа — от 30 до 50%;
— административные здания — от 27 до 57%;
— автотранспортное хозяйство — от 8 до 11%;
— механические мастерские и производственные корпуса — от 1 до 13%;
— склады, магазины и пр. — от 0,5 до 0,6%.
Из показанной на рисунке 1 в качестве примера структуры направлений использования электроэнергии в одном из ГРО видно, что по установленной электрической мощности превалируют (около 43% суммарной мощности) установки электрохимической защиты (ЭХЗ): катодные станции и усиленные дренажи.
В настоящей статье оценивается потенциал энергосбережения и эффективность его реализации от внедрения новых технологий и материалов применительно к превалирующим в газораспределении технологическим потребителям электрической энергии — установками электрохимической защиты.
Рис. 1. Структура установленной мощности по направлениям использования электроэнергии в обследованном ГРО
Проведенный в процессе энергетических обследований анализ эксплуатируемых в ГРО станций катодной защиты (СКЗ) показывает, что около 56,5% СКЗ представляют собой современное оборудование на базе ПКЗ-АР, в составе которого 72,4% оснащены блоками телемеханики, что значительно повышает эффективность защиты стальных подземных газопроводов. Вместе с тем на 43,5% СКЗ используется устаревшая элементная база, включая применение силовых трансформаторов, потребление электроэнергии которыми значительно выше, чем у современных станций нового поколения (ПКЗ-АР, СКЗ-УПК и аналогичных).
Оснащенность СКЗ приборами учета электрической энергии в обследованных нами ГРО составляет всего 59%, что затрудняет определение фактического потребления электроэнергии и оценку энергоэффективности работы станций катодной защиты.
В этой связи актуальной задачей является внедрение в качестве энергосберегающих решений катодных станций нового поколения типа ПКЗ-АР, СКЗ-УПК и др., изначально оснащенных блоками телемеханики и приборами учета электрической энергии.
Основными преимуществами станций катодной защиты нового поколения, дающими возможность получить энергосберегающий эффект, являются:
— модульная структура, позволяющая обеспечить наращивание выходной мощности путем подключения дополнительных модулей источников тока;
— работа в режиме автоматического поддержания поляризационного (суммарного) потенциала или защитного тока;
— высокий КПД (не менее 90%);
— высокая точность поддержания заданного параметра (не хуже 1%);
— обеспечение при необходимости автоматического выхода на рабочий режим резервного модуля (если он предварительно подключен к станции) либо вывод его в режим резерва;
— возможность подключения станции к различным системам телемеханики;
— защита от короткого замыкания в выходной цепи и восстановление работоспособности после устранения замыкания;
— автоматический выход на рабочий режим после исчезновения и последующего возникновения напряжения в питающей сети.
Ввиду того, что потребление электрической энергии станциями катодной защиты нового поколения автоматически изменяется в течение суток, нами в процессе проведения энергетического обследования было определено среднесуточное потребление для эксплуатируемых станций типа ПКЗ-АР мощностью 2 кВт. Данные о потреблении электроэнергии и режимах работы (выходной ток и напряжение, защитный потенциал, режим станции: ток или потенциал) были получены по каналам телеметрии для 12 указанных станций за период 6 суток.
На рисунках2 и 3 показаны графики изменения суточного потребления электрической энергии выборочно для двух станций, работающих в режиме автоматического поддержания защитного потенциала (рис. 2) и в режиме защитного тока (рис. 3).
Рис. 2. Суточное потребление электроэнергии для обследованной СКЗ, работающей в режиме автоматического поддержания поляризационного потенциала
Рис. 3. Суточное потребление электроэнергии для обследованной СКЗ, работающей в режиме автоматического поддержания защитного тока
Как показали наблюдения, режим работы станции катодной защиты существенным образом определяет среднесуточное потребление электрической энергии, которое может изменяться даже в более широких пределах, чем показано на рисунках 2 и 3 (от 0,4 до 3,0 кВт∙ч).
Полученная таким образом величина среднесуточного потребления электроэнергии станциями катодной защиты типа ПКЗ-АР (1,55 кВт∙ч/сут) использовалась нами для обоснования экономического эффекта от замены устаревших катодных станций на новые.
Оценка эффективности внедрения современной технологии электрохимической защиты от коррозии подземных стальных газопроводов проиллюстрирована ниже на примере одного из ГРО, где во время проведения нами энергетического обследованных эксплуатировалось 152 станции катодной защиты нового поколения (типа ПКЗ-АР) и 117 станций старого образца, из которых 85 станций предполагалось заменить на новые.
Расчеты выполнены в соответствии с разработанной ОАО «Гипрониигаз» в 2007 году «Методикой по оценке эффективности внедрения энергосберегающих технологий в газораспределительном секторе», которая в настоящее время проходит оформление в качестве СТО ОАО «Газпромрегионгаз».
Ориентировочно годовое потребление электроэнергии для станций нового поколения (одной и всех 152 шт.) составляет:
Э1нов =1,55 кВт∙ч/сут ∙ 365 сут/год = 0,566 тыс. кВт∙ч/год;
ЭΣнов= 0,566 тыс. кВт∙ч/год ∙152 шт. = 85,994 тыс. кВт∙ч/год.
При суммарном годовом потреблении электроэнергии всеми станциями катодной защиты в ГРО, составившем в 2010 году 322,4 тыс. кВт∙ч, на все остальные 117станций старого образца и каждую из них в отдельности приходится:
ЭΣстар = 322,400 – 85,994 = 236,406 тыс. кВт∙ч/год;
Э1стар = 236,406 тыс. кВт∙ч/год / 117 = 2,021 тыс. кВт∙ч/год.
Годовая экономия электрической энергии при замене устаревших станций катодной защиты на новые станции (для одной и всех 85 шт.) составляет:
ΔЭЭЭ = 1,455 тыс. кВт∙ч/год ∙ 85 шт. = 123,675 тыс. кВт∙ч/год.
Годовая экономия затрат на оплату электроэнергии определяется в соответствии с формулой:
ΔПЭЭ = ΔЭЭЭ ∙ ТЭЭ = 123,675 тыс. кВт∙ч/год ∙ 3,921 руб./кВт·ч = 484,93 тыс. руб./год,
где ТЭЭ — тариф на потребляемую электроэнергию, руб./кВт·ч.
Индекс срока окупаемости капиталовложений в данное энергосберегающее мероприятие ТOK, лет, составит:
,
где K — капитальные вложения (инвестиции) в данное энергосберегающее мероприятие, руб.
Исходные данные и результаты расчета эффективности данного мероприятия сведены в таблицу 1.
Одним из важных направлений использования современных материалов и технологий в сетях газораспределения является применение новых изоляционных материалов с длительным сроком эксплуатации для защиты подземных стальных газопроводов и цокольных вводов от коррозии. Такие мероприятия, как правило, предусматриваются ГРО в соответствующих планах реконструкции стальных газопроводов. Кроме увеличения срока службы стальных подземных газопроводов использование новых изоляционных материалов позволяет уменьшить потребление электроэнергии на электрохимическую защиту.
Энергосберегающий эффект при этом выражается разницей в потреблении электроэнергии станциями катодной защиты для двух сопоставлямых случаев [1]:
Таблица 1. Эффективность замены устаревших станций катодной защиты на станции нового поколения типа ПКЗ-АР
Исходные данные для расчета
Количество станций, подлежащих замене
nСКЗ
шт.
85
Среднесуточное потребление электроэнергии одной устаревшей станцией катодной защиты
ЭСКЗстар
кВт·ч/сут.
5,54
Среднесуточное потребление электроэнергии одной катодной станцией нового поколения
ЭСКЗнов
кВт·ч/сут.
1,55
Годовая экономия электрической энергии при замене одной станции катодной защиты
ΔЭ1
тыс. кВт·ч/год
1,455
Тариф на потребляемую электроэнергию
ТЭЭ
руб./кВт·ч
3,921
Капиталовложения
К
тыс. руб.
6150,43
Результаты расчета
Годовая экономия электроэнергии
ΔЭЭЭ
тыс. кВт·ч/год
123,675
Годовая экономия затрат на электроэнергию
ΔПЭЭ
тыс. руб./год
484,93
Индекс срока окупаемости
Ток
лет
12,7
— при изоляции стального подземного газопровода с использованием традиционных защитных покрытий (например, мастичных битумных с армирующими слоями или без них), имеющих ограниченный срок службы;
— при применении новых изоляционных материалов с длительными сроками службы (например, на основе экструдированного полиэтилена, полипропилена, термоусаживающихся материалов, липких полимерных лент, лент полимерно-битумных или полимерно-асмольных и др.).
Экономическая эффективность данного мероприятия оценивается следующим образом.
где NСКЗтрад — мощность, потребляемая катодными станциями при использовании традиционных изоляционных материалов, кВт;
NСКЗнов— то же при применении новых изоляционных материалов, кВт;
τф — фактическая годовая продолжительность работы станций катодной защиты (в течение всего года или только его части), ч/год.
Годовая экономия затрат на электроэнергию ΔПЭЭ, руб./год, определяется в соответствии с формулой:
ΔПЭЭ = Qi * Ti = ΔЭЭЭ * ΔTЭЭ
где ΔTЭЭ — тариф на потребляемую электроэнергию, руб./кВт·ч.
Данное мероприятие относится к условно беззатратным энергосберегающим мероприятиям, поскольку капитальные вложения осуществляются не по программе энергосбережения, а по программе реконструкции, при этом экономия электрической энергии является сопутствующим эффектом. Расчет экономических показателей для указанного мероприятия представлен в таблице 2.
Таблица 2. Эффективность замены традиционных материалов на новые
при изоляции подземных стальных газопроводов
Наименование
Обозначение
Единица измерения
Величина
Исходные данные для расчета
Мощность, потребляемая катодными станциями при использовании традиционных изоляционных материалов
NСКЗтрад
кВт
36
Мощность, потребляемая катодными станциями при применении новых изоляционных материалов
NСКЗнов
кВт
32,4
Фактическая годовая продолжительность работы станций катодной защиты
τф
ч/год
8760
Тариф на потребляемую электроэнергию
TЭЭ
руб./кВт·ч
3,921
Результаты расчета
Годовая экономия электроэнергии
ΔЭЭЭ
тыс.кВт·ч/год
31,536
Годовая экономия затрат на электроэнергию
ΔПЭЭ
тыс.руб./год
123,653
Приведенные выше примеры применения новых технологий и материалов, позволяющих повысить энергоэффективность катодных станций электрохимической защиты, показали, что для достижения экономии электрической энергии требуются значительные капитальные затраты.
Вместе с тем энергетические обследования ГРО свидетельствуют о том, что другие направления повышения энергоэффективности (в системах электрического освещения, в электроприводах различного назначения и др.) не дают значительного снижения годового потребления электрической энергии.
Таким образом, применение современных технологий и материалов в сетях газораспределения является определяющим фактором энергосбережения для системы электроснабжения и электропотребления.
В 2012 году выполнена актуализация ряда нормативных документов, подлежащих обязательному применению для выполнения требований ФЗ № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». В число этих нормативных документов вошли СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» и СП 124.13330.2012 «Тепловые сети». Эти нормативные документы являются взаимосвязанными и предполагают их совместное использование при проектировании тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей.
Проектирование тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей выполняется в соответствии с правилами проектирования, изложенными в СП 124.13330.2012 «Тепловые сети» (раздел 11) и СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».
СП 124.13330.2012 содержит технологические требования и требования пожарной безопасности, предъявляемые к конструкциям тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей. Технологические требования к конструкциям тепловой изоляции включают способы прокладки теплопроводов и способы регулирования отпуска тепловой энергии.
В современной практике приняты следующие способы прокладки тепловых сетей:
— надземная прокладка. Трубопроводы могут быть расположены на открытом воздухе либо в помещениях, включая чердаки и подвалы зданий;
— подземная прокладка в проходных каналах и тоннелях;
— подземная прокладка в непроходных каналах;
— подземная бесканальная прокладка.
Регулирование отпуска тепла осуществляется двумя способами:
— количественным регулированием при постоянной температуре сетевой воды;
— качественным регулированием при переменной температуре сетевой воды. При качественном регулировании используются следующие температурные графики регулирования отпуска тепла: 180–70 °С; 150–70 °С; 130–70 °С; 95–70 °С.
Требования к пожарной безопасности тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей, предусмотренные в СП 124.13330.2012, включают ограничения по применению в конструкции горючих материалов и мероприятия по распространению пламени вдоль теплопровода при пожаре, а именно устройство противопожарных вставок из негорючих теплоизоляционных и покровных материалов длиной не менее 3 метров через каждые 100 метров теплопровода.
В части пожарной безопасности теплопроводов в СП 124.13330.2012, в сравнении с ранее действовавшим СНиП 41-02-2003, разработчиком документа (ОАО ВНИПИЭНЕРГОПРОМ) внесены изменения, допускающие применение теплоизоляционных конструкций на основе горючих теплоизоляционных и покровных материалов (пункт 11.2):
а) при совместной подземной прокладке теплопроводов с электрическими или слаботочными кабелями в тоннелях (коммуникационных коллекторах) допускается применение конструкций на основе горючих теплоизоляционных материалов с покровным слоем из негорючих материалов при условии устройства противопожарных вставок длиной 3 м;
б) при отдельной прокладке теплопроводов в проходных и полупроходных каналах допускается применение конструкций с теплоизоляционным и покровным слоем из горючих материалов, при устройстве противопожарных вставок длиной 3 м.
Попутно, следует указать, что в том же пункте пропущен предлог «и», что искажает смысл предложения: «При надземной прокладке теплопроводов рекомендуется применять для покровного слоя теплоизоляции негорючие материалы «и» групп горючести Г1 и Г2».
СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» содержит:
— правила выбора материалов теплоизоляционного и покровного слоев с учетом технологических требований и требований пожарной безопасности, указанных в СП 124.13330.2012, применительно к конкретному объекту;
— современную номенклатуру и технические характеристики теплоизоляционных и покровных материалов, используемых в конструкциях тепловой изоляции оборудования и трубопроводов (Приложение Б);
— таблицы норм плотности теплового потока для трубопроводов надземной и подземной канальной и бесканальной прокладки, в зависимости от диаметра трубопровода и температуры теплоносителя;
— методы расчета требуемой толщины теплоизоляции трубопровода в зависимости от ее назначения, включая расчет по нормам плотности теплового потока и по заданной температуре на поверхности изоляции.
В тепловых сетях надземной, подземной канальной и бесканальной прокладки предусматривается тепловая изоляция линейных участков трубопроводов, арматуры, фланцевых соединений, компенсаторов и опор трубопроводов.
Для изоляции арматуры, сальниковых компенсаторов и фланцевых соединений применяются преимущественно съемные теплоизоляционные конструкции.
В качестве теплоизоляционного слоя в конструкциях тепловой изоляции трубопроводов надземной и канальной прокладки наибольшее применение в практике находят прошивные и рулонированные теплоизоляционные маты на основе каменной ваты и стекловолокна, выпускаемые различными предприятиями по ГОСТ Р 21880, ГОСТ Р 9573, ГОСТ Р 10499 и Техническим условиям (ТУ) производителей.
Эффективными теплоизоляционными изделиями для прокладываемых в каналах трубопроводов тепловых сетей являются минераловатные цилиндры, полуцилиндры и сегменты из каменной ваты и стекловолокна. Преимуществом этих изделий является их формостабильность и технологичность в монтаже.
В конструкциях теплоизоляции подземных трубопроводов канальной прокладки, с учетом возможного попадания в конструкцию капельной влаги, рекомендуется применять только гидрофобизированные теплоизоляционные материалы. Для ограничения увлажнения волокнистой теплоизоляции при надземной и подземной канальной прокладке по теплоизоляционному слою устанавливается защитное покрытие из гидроизоляционных материалов. В отечественной практике в конструкциях с минераловатными утеплителями при прокладке в каналах в качестве покровного слоя используются рулонные стекопластики (по ТУ 6488792, ТУ 36.16.226895, ТУ 648002049611490), изол, гидроизол, полимерные пленки и штукатурные покрытия. При надземной прокладке в качестве покровного слоя применяются преимущественно металлические покрытия из оцинкованной стали и алюминиевых сплавов.
Для трубопроводов тепловых сетей подземной бесканальной прокладки применяются преимущественно предварительно изолированные в заводских условиях трубы с гидроизоляционным покрытием, исключающим возможность увлажнения изоляции в процессе эксплуатации. В качестве основного теплоизоляционного слоя в конструкциях теплоизолированных трубопроводов бесканальной прокладки по СП 124.13330.2012 «Тепловые сети» и СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» в отечественной практике применяются пенополиуретан (ППУ), пенополимерминерал (ППМ), армопенобетон (АПБ).
Наибольшее распространение в современной отечественной и мировой практике получили предварительно изолированные в заводских условиях трубы с тепловой изоляцией на основе пенополиуретана и защитным покрытием из полиэтилена высокой плотности по ГОСТ Р 307322001. Эти изделия применяются для тепловых сетей подземной бесканальной прокладки с температурой теплоносителя до 130 °С. Теплопроводы оборудованы системой оперативного дистанционного контроля технического состояния теплоизоляции (СОДК), позволяющей своевременно обнаруживать и устранять возникающие дефекты.
К преимуществам теплопроводов с ППУ-изоляцией относят низкий коэффициент теплопроводности [0,032–0,035 Вт/(м•К)], технологичность при изготовлении и при монтаже теплопроводов, долговечность (при соблюдении требований монтажа и эксплуатации).
Ограничения в применении ППУ-изоляции в тепловых сетях бесканальной прокладки связаны с допустимой температурой применения (130 °С), а при канальной и надземной прокладке — горючестью (в зависимости от рецептуры относится к группам Г3 и Г4 при испытаниях по ГОСТ 30244) и токсичностью выделяемых при горении компонентов.
Предельная максимальная температура применения 130 °С не позволяет использовать ППУ для изоляции трубопроводов водяных тепловых сетей, работающих по температурным графикам 150–70 °С и 180–70 °С, и паропроводов. Следует отметить, что ГОСТ 307322001 допускает применение ППУ при кратковременном повышении температуры до 150 °С.
Пенополимерминерал (полимербетон) разработан ВНИПИЭнергопром и более 20 лет применяется в конструкциях тепловой изоляции трубопроводов, изготавливаемых по ТУ 5768006001135372001. Он характеризуется интегральной структурой, совмещающей функции теплоизоляционного слоя и гидроизоляционного покрытия, имеет температуру применения до 150 °С, при испытаниях на горючесть по ГОСТ 30244 относится к группе Г1.
Трубы с армопенобетонной изоляцией выпускались до последнего времени в незначительном объеме региональными производителями по ТУ 48590020398415599. Армопенобетон характеризуется низкой плотностью (200–250 кг/куб. м) и теплопроводностью [0,05 Вт/(м•К)] при высокой прочности на сжатие (не менее 0,7 МПа). К преимуществам АПБ относятся: негорючесть, высокая температура применения (до 300 °С), отсутствие коррозионного воздействия на стальные трубы, паропроницаемость гидрозащитного покрытия и, как следствие, долговечность. Предварительно изолированные трубы с изоляцией из армопенобетона могут применяться во всем диапазоне температур теплоносителя как в водяных, так и в паровых тепловых сетях всех видов прокладки включая подземную бесканальную, подземную в проходных и непроходных каналах и надземную. Однако можно предположить, что трубы с АПБ-изоляцией в недалеком будущем будут окончательно вытеснены более технологичной продукцией с ППУ-изоляцией.
При бесканальной прокладке трубопроводов расчетный коэффициент теплопроводности основного теплоизоляционного слоя — λ расч определяется с учетом его возможного увлажнения в конструкции при эксплуатации. Коэффициент, учитывающий увеличение теплопроводности теплоизоляционного материала при увлажнении, принимается по СП 61.13330.2012 в зависимости от вида теплоизоляционного материала и влажности грунта по ГОСТ 25100. Так, для труб с ППУ-изоляцией в оболочке из полиэтилена высокой плотности и системой контроля влажности этот коэффициент принят равным 1 независимо от влажности грунта. Для труб с АПБ -изоляцией и паропроницаемым гидроизоляционным покрытием, а также труб с пенополимерминеральной изоляцией с интегральной структурой, допускающими возможность высыхания теплоизоляционного слоя в процессе эксплуатации, коэффициент увлажнения имеет значение 1,05 в маловлажных и влажных грунтах и 1,1 — в насыщенных водой грунтах.
При бесканальной прокладке трубопроводов тепловых сетей не рекомендуется применение теплоизоляционных конструкций на основе штучных теплоизоляционных изделий с устройством гидроизоляционного покрытия на месте монтажа для линейных участков трубопроводов.
Практические расчеты тепловой изоляции трубопроводов в канале и при бесканальной прокладке выполняются по инженерным методикам, учитывающим термическое сопротивление теплоизоляционного слоя, термическое сопротивление стенок канала и грунта, сопротивление теплоотдаче на границе теплоизоляции и стенок канала с воздухом в канале. При двухтрубной прокладке учитывается взаимное тепловое влияние подающего и обратного теплопровода.
В практике проектирования тепловых сетей при двухтрубной прокладке трубопроводов одного диаметра толщина теплоизоляционного слоя обратного трубопровода с учетом монтажных требований принимается равной толщине теплоизоляции подающего трубопровода.
Экономически оптимальная толщина теплоизоляционного слоя для заданного типа прокладки определяется по минимуму приведенных затрат, включающих капитальные затраты на устройство изоляции и эксплуатационные расходы за расчетный период эксплуатации, с учетом стоимости используемых материалов и тепловой энергии в конкретном регионе. Стоимостные показатели рекомендуемых к применению теплоизоляционных материалов являются одним из определяющих факторов при оценке их сравнительной технико-экономической эффективности.
При расчете требуемой толщины теплоизоляционного слоя по нормам плотности теплового потока принимаются следующие расчетные параметры теплоносителя и окружающей среды.
Расчетная температура теплоносителя для подающих теплопроводов водяных тепловых сетей принимается:
— при постоянной температуре сетевой воды и количественном регулировании — максимальная температура теплоносителя;
— при переменной температуре сетевой воды и качественном регулировании, соответственно, 110 °С при температурном графике 180–70 °С; 90 °С при 150–70 °С; 65 °С при 130–70 °С; 55 °С при 95–70 °С.
Для обратных теплопроводов водяных тепловых сетей — 50 °С.
Расчетная температура окружающей среды принимается:
— для теплопроводов надземной прокладки, работающих круглогодично, — среднегодовая температура воздуха;
— для теплопроводов надземной прокладки, работающих только в отопительный период, — средняя температура отопительного периода;
— для теплопроводов, расположенных в помещениях, температура внутреннего воздуха 20 °С;
— для теплопроводов, расположенных в проходных каналах и тоннелях, температура воздуха 40 °С;
— для теплопроводов подземной канальной и бесканальной прокладки — среднегодовая температура грунта на глубине заложения оси трубопровода. При глубине заложения перекрытия канала или верха теплоизоляционной конструкции (при бесканальной прокладке) менее 0,7 м за расчетную температуру принимается та же температура наружного воздуха, что и при надземной прокладке.
Расчет экономически оптимальных норм плотности теплового потока, представленных в СП 61.13330.2012, выполнен с учетом номенклатуры и стоимости теплоизоляционных материалов и стоимости тепловой энергии в различных регионах РФ.
Введение в действие новых нормативных документов направлено на решение проблемы рационального использования энергетических ресурсов в промышленности и ЖКХ и экономию средств потребителей тепловой энергии путем оптимизации тепловых потерь и повышения энергоэффективности, надежности и долговечности конструкций тепловой изоляции оборудования и трубопроводов тепловых сетей.
В настоящее время деятельность предприятий водопроводно-канализационного хозяйства (ВКХ) регулируется совокупностью нормативно-правовых актов, каждый из которых вводит соответствующие требования и ограничения, а также имеет определенные стимулирующие составляющие. В целом можно говорить, что в части применения энергоэффективных решений предприятия ВКХ не находятся в сфере прямого регулирования со стороны Федерального закона ФЗ 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» (рис. 1).
Рис. 1. Федеральные законы, имеющие отношение к деятельности предприятия ВКХ в части энергоэффективности
Отраслевым законом для водоснабжения и водоотведения (Федеральный закон от 07.12.2011 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении») введены показатели надежности, качества, энергетической эффективности объектов централизованных систем горячего водоснабжения, холодного водоснабжения и (или) водоотведения (далее — целевые показатели), которые применяются для контроля за исполнением обязательств концессионера, арендатора и организации, осуществляющих горячее водоснабжение, холодное водоснабжение и (или) водоотведение, по реализации инвестиционной программы, производственной программы, в целях регулирования тарифов и исполнения иных обязательств.
Рис. 2. Схема целевых показателей
В качестве подзаконного акта Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ совместно с заинтересованными федеральными органами исполнительной власти выпущен приказ № 162/пр от 04 апреля 2014 года, утверждающий перечень целевых показателей, согласно которому к показателям надежности, качества, энергетической эффективности объектов централизованных систем горячего водоснабжения, холодного водоснабжения и (или) водоотведения относятся:
а) показатели качества воды (в отношении питьевой воды и горячей воды);
б) показатели надежности и бесперебойности водоснабжения и водоотведения;
в) показатели очистки сточных вод;
г) показатели эффективности использования ресурсов, в том числе уровень потерь воды (тепловой энергии в составе горячей воды).
Очевидно, что позиции, связанные с эффективностью использования ресурсов (рис. 3), в наибольшей степени имеют отражение при формировании программ энергосбережения.
Рис. 3. Направления энерго- и ресурсосбережения для предприятия ВКХ
Данные, собранные организациями — членами РАВВ, говорят о том, что потенциал энергосбережения в ВКХ РФ значительно выше, чем в передовых странах. Энергоемкость производства 1 м3воды в среднем в России — 1.04 кВт-ч (в Москве — 0.49 кВт-ч). В то время как в Берлине — 0.27 кВт-ч, в Шанхае — 0.28 кВт-ч(http://raww.ru/node/2469). Собранная РАВВ статистика для городов с населением в пределах 0,5 млн человек энергопотребление в ВКХ, представленная на рис. 4, наглядно сегментирует возможности управленческих решений для достижения максимального эффекта в части энергоэффективности.
Рис. 4. Основные направления энергоэффективности ВКХ
Известные решения для ВКХ, отвечающие критериям энергоэффективности и обладающие типовым сроком окупаемости, — это применение частотно-регулируемых приводов (ЧРП), оптимизация работы насосных и компрессорных станций, совершенствование теплоизоляции (рис. 5).
Рис. 5. Типовые решения для ВКХ
Учитывая то, что в настоящее время набирает силу новый подход, согласно которому очистка сточных вод — это процесс утилизации составляющих ее химических веществ и элементов, имеющих энергетическую, удобрительную и др. ценность, а также тепловой энергии сточных вод, ассоциация внимательно следит за проектами в данном направлении. Надо отметить, что в настоящий момент имеются реализованные проекты, где достижение энергетической самообеспеченности очистных сооружений без дополнительных источников энергии является реальным фактом — уже в 2004 году сооружения г. Штрасс (Австрия) достигли 108% энергообеспеченности. Однако подобные проекты становятся жизнеспособными только при стимулирующем законодательстве, т. е. соответствующей государственной поддержке.
Рис. 6. Пример современной технологической схемы со сбраживанием осадка (для КОС, принимающих 100 тыс. м³/сут.), автор проекта Д. А. Данилович, РАВВ
Рис. 7. Пример формирования процессов энергосбережения при использовании управляемых воздуходувок по сравнению с нерегулируемыми воздуходувками в условиях неравномерности изменения технологических нагрузок (авторы проекта — В. И. Баженов,, А. Н. Эпов, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», И. В. Баженов, МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Рис. 8. Иллюстрация подбора места расположения и диаметров регуляторов на сетях водопровода г. Тюмени. Произошло снижение избыточного давления в сети при обеспечении всех потребителей услугой в полном объеме (Д. А. Бычков, ООО «ТЮМЕНЬ ВОДОКАНАЛ»)
а) б)
Рис. 9. Пример энергообеспечения для очистных сооружений: а — баланс энергии на сооружениях, выраженный в ХПК; б — динамика распределение потребления энергии на сооружениях (авторы проекта — А. Я. Ванюшина, ЗАО «Экополимер-М», B. WettARAconsultGmbH, Innsbruck, Austria, M. HellDeputyPlantManager, HeadofLaboratory, AIZ, Strassi.Z., Austria)
В качестве инструмента, позволяющего инициировать энергоэффективные проекты, РАВВ рекомендует обязательное использования при закупках оборудования критерия «совокупная стоимость использования —LCC». Совокупная стоимость пользования является универсальным и проверенным методом сравнения любой техники, и мы полагаем, что данный метод следует сделать обязательным в России. РАВВ настоятельно рекомендует для предприятий ВКХ вносить в конкурсную документацию при реализации большинства контрактов (энергосервис, поставка, «под ключ» и т. п.) пункт о необходимости предоставления расчета величины совокупной стоимости владения, согласно формуле:
LCC = Cic + Ce + Cm + Cin + Co + Cenv + Cd,
где Cin — стоимость монтажа и пусконаладки; Co — заработная плата обслуживающего персонала; Сenv — затраты на защиту окружающей среды; Cd — затраты на утилизацию; Cm — затраты на ремонт и техобслуживание; Cic — начальная или капитальная стоимость; Ce — затраты на электроэнергию.
На рис. 10 представлена совокупная стоимость по регулируемым воздуходувкам за срок службы 25 лет (тариф 2,4 руб. за 1 кВтч), а на рис. 11 — сравнение 2-расчетных методик: 1 — в привычной форме (без учета инфляции и дисконта), 2 — с использованием механизма регулирования затрат во времени.
Рис. 10. Структура совокупной стоимости затрат по воздуходувке
Рис. 11. Расчет LLC по воздуходувкам (С. Е. Березин, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение»)
С точки зрения инвестиций при выборе технологического решения по системам аэрации аэротенков сооружений биологической очистки важным вопросом является выбор способа регулирования воздуходувки
Если рассматривать потенциал внедрения энергоэффективных решений, то надо исходить из возможностей отдельно взятого предприятия ВКХ. Объективно, текущая ситуация мало способствует внедрению энергоэффективных решений. Судите сами: экономика предприятий ВКХ часто убыточна (рис. 12). При этом мероприятия по энергоэффективности часто сопряжены с серьезными капитальными затратами. В этой связи для предприятий ВКХ часто бывает невыгодной реализация программ энергоэффективности, т. к. при этом финансовые показатели могут демонстрировать большую убыточность (рис. 13 а, б).
Рис. 12. Данные по убыточности предприятий ВКХ
а) схема в отсутствии серьезной модернизации
б) схема с учетом внедрения современного оборудования
Рис. 13. Ограничения при принятии решений о модернизации
Другие проблемы, тормозящие развитие и применение энергоэффективного оборудования, во многом связаны со следующими проблемами: возможности модернизации предприятия ВКХ решает через тарифную политику. С одной стороны, рост доли электроэнергии в себестоимости услуг предприятий ВКХ опережает рост тарифов, формируя, казалось бы, положительную мотивацию в части энергоэффективности (рис. 14). Однако оплата электроэнергии предприятиями ВКХ производится авансовым методом, а сами предприятия ВКХ получают средства по факту потребленной услуги, что порождает кассовые разрывы у предприятий ВКХ. Срок окупаемости энергоэффективных проектов — более 5 лет. Дополнительным сдерживающим фактором служит низкая фондоотдача ВКХ по сравнению с электроэнергией и теплоснабжением.
Рис. 14. Некоторые проблемы, мешающие развивать энергоэффективные проекты
Опыт работы предприятий ВКХ позволяет предположить необходимые мероприятия того, чтобы энергоэффективные проекты не становились формальностью. Полагаем, что минимальные программы государственной поддержки должны включать:
налоговые послабления для мероприятий по модернизации оборудования;
изменения механизмов финансирования региональных программ по модернизации коммунальной инфраструктуры, на возвратной (до 30 лет) и платной основе (под 3% годовых);
государственно-частное кредитование проектов по исполнению норм санитарно-эпидемиологического и экологического законодательства на длительные сроки в рамках концессионных соглашений.
Учитывая вышеприведенные данные, а также непредсказуемости экономических условий, приходится констатировать, что в настоящий момент без внешней (государственной) поддержки реализовывать серьезные мероприятия по энергоэффективности предприятиям ВКХ весьма проблематично.
Литература
Федеральный закон от 07.12.2011 № 416-ФЗ «О водоснабжении и водоотведении».
Приказ Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 04 апреля 2014 г. № 162/пр.
Федеральный закон РФ от 23.11.2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
НДТ Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. ISSN 2409-0530. Выпуски 1, 3, 4 — 2014 г.
П. П. Рымкевич, профессор кафедры физики ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского»
Аннотация
В статье представлен критический обзор результатов исследования, описанных авторами в работе «Об оценке энергетической эффективности энергосберегающих мероприятий», опубликованной в № 2 (2014) журнала «Инженерные системы. АВОК СЕВЕРО-ЗАПАД». Выявлены противоречия, допущенные авторами при выводе формулы для расчета энергоэффективности. Показана неправомерность вводимых авторами допущений и свободная трактовка ими понятий при выводе определяющего энергоэффективность выражения.
Введение
В работе [1] авторами исследован вопрос оценки энергетической эффективности энергосберегающих мероприятий на примере повышения теплозащиты ограждающих конструкций. В результате исследования были получены абсолютно непонятные результаты. В заключении работы указано, что в результате исследования получена формула расчета энергоэффективности энергосберегающих мероприятий, учитывающая все значимые факторы [1]. Ниже представлен вид этой формулы [1]:
(1)
где E — энергоэффективность энергосберегающего мероприятия (в терминах работы [1]);
Т — время, на которое рассчитано энергосберегающее мероприятие (в терминах работы [1]);
B — некоторый понижающий коэффициент, учитывающий срок, на который было рассчитано рассматриваемое энергосберегающее мероприятие при различной ставке по кредиту банка [1].
Согласно формуле (1) энергоэффективность повышения теплозащиты тем выше, чем больше:
— срок эксплуатации Т ;
— градусо-сутки отопительного периода (ГСОП), т. е. холоднее климат;
— стоимость тепловой энергии (CT);
— понижающий коэффициент (B)
и чем меньше:
— цена теплоизоляционного материала (cym);
— теплопроводность теплоизоляционного материала (λ);
— сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции до ее утепления (R0o).
Согласно [1] формула (1) получена для начального уровня утепления ограждающих конструкций (при x = 0), т. е. при отсутствующей теплоизоляции.
В этой связи возникают резонные вопросы, например: как может быть связана энергоэффективность повышения теплозащиты ограждающих конструкций с их первоначальным сопротивлением теплопередаче (т. е. до проведения работ по утеплению) и одновременно с этим зависеть от теплопроводности теплоизоляционного материала и его стоимости? И в чем, собственно, заключается эффективность утепления при начальном уровне утепления, когда она не применена? Только в стоимости и теплопроводности теплоизоляции? И что означает время T, на которое должно быть рассчитано энергосберегающее мероприятие?
Задача в работе сформулирована, безусловно, правильная. Но результаты проведенного исследования нельзя назвать однозначными и убедительными.
Авторы в работах [1, 2] достаточно свободно трактуют понятие энергоэффективности. В начале своего исследования они дают одну трактовку этого понятия (см. формулу (1) [1]), суть которого сводится к следующему: если в результате реализации какого-либо энергосберегающего мероприятия (например, утепления ограждающих конструкций) для достижения одного и того же полезного эффекта (например, поддержания в здании заданных параметров микроклимата) требуется меньшее количество затрачиваемой энергии, то такое мероприятие следует считать энергоэффективным.
И с этим определением сложно не согласиться, т. к. при утеплении ограждающих конструкций существующих зданий уменьшаются трансмиссионные потери тепловой энергии, следовательно, для поддержания требуемых параметров микроклимата к зданию после тепловой модернизации потребуется подвести меньше энергии [3]. В соответствии с этой формулировкой данные энергосберегающие мероприятия (по утеплению) следует отнести к энергоэффективным, т. к. их реализация позволяет добиться полезного эффекта (поддержание заданной температуры внутреннего воздуха) при меньших затратах энергии. Казалось бы, что на этом вопрос следует считать исчерпывающим. И заниматься, например, расчетом прогнозируемого срока окупаемости энергосберегающих мероприятий [2–5], т. е. периода времени, по истечении которого окупятся вложенные в утепление и иные энергосберегающие мероприятия средства. Или расчетом чистого дисконтированного дохода [6]. Т. е. проводить оценку экономической эффективности энергосберегающих мероприятий.
Однако далее, ввиду того, что выразить затраты на реализацию энергосберегающего мероприятия (ΔWэв обозначениях, принятых в [1]), в единицах измерения энергии затруднительно [1], авторы [1, 2] переходят к новой трактовке энергоэффективности:
(2)
где E — то же, что в формуле (1);
ΔW — полезный эффект, который приравнивается авторами к количеству сбереженной энергии в Дж;
ΔWэ — затраты на реализацию энергосберегающего мероприятия в Дж;
CW — стоимость энергия, измеряемая в ден. ед./Дж;
ΔЭ0— общий эффект от энергосбережения, выраженный в ден. ед.;
ΔK0— общие единовременные затраты на достижение эффекта от энергосбережения в ден. ед.
Заметим, что согласно (2) авторы приравнивают полезный эффект количеству сбереженной энергии, достигаемой в результате реализации заданного энергосберегающего мероприятия, что противоречит первоначальной трактовке понятия энергоэффективности.
В рамках этого нового определения для понятия энергоэффективности авторами и получено уравнение (1), сущность и смысл которого вызывают неоднозначное толкование.
В работе (1) допущены и иные моменты, трактовку которых следует признать неоднозначной. В частности, не понятно, какая необходимость заставила авторов при выводе отношения Δk/ ΔK в формуле (10) переходить к пределам, устремлять единовременные затраты на утепление к нулю (ΔK→0 ?) и наконец определять производную этого отношения dk/ dK, что в конечном итоге привело к формуле (12) [1] следующего вида:
(3)
при том что в этих действиях не было никакой необходимости, т.к. предел при ΔK→0 означает, что мероприятие не было реализовано.
Покажем это на следующем примере.
Пусть
(4)
где ΔK — снижение коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции в результате ее утепления, Вт/( м2·ºС);
R0o — то же, что и в формуле (1), м2·ºС/Вт;
x — толщина теплоизоляции, м;
λ— то же, что и в формуле (1), Вт/(м·ºС).
И пусть
ΔK = cym * x(5)
Где ΔK — единовременные затраты на утепление, ден. ед./м2;
cym— то же, что и в формуле (1), ден. ед./м3;
x— то же, что и в формуле (3), м.
Тогда
(6)
Здесь обозначения те же, что и в формулах (4) и (5). Как видим, формулы (3) и (6) несколько отличаются, однако при
x = 0 приводят к выражению, аналогичному выражению (13), полученному в работе [1]:
(7)
Следующий момент. В формуле (4а) при расчете общего эффекта от энергосбережения ΔЭ0 и в формуле (5а) при расчете единовременных капитальных затрат на реализацию энергосберегающих мероприятий ΔK0 принято одно и тоже время T. И далее исходя из этого делаются последующие вычисления, которые в конечном итоге приводят к выражению вида (1). Следует отметить однако, что в формуле (4а) при расчете энергосберегающего эффекта, достигаемого, например, за счет сокращения трансмиссионных потерь тепла в здании, этот эффект будет наблюдаться после начала отопительного периода в течение всех последующих лет эксплуатации здания до следующей его тепловой модернизации, если необходимость в ней наступит ранее полного физического износа здания. А в формуле (5) при расчете единовременных капитальных затрат на утепление время должно означать срок действия кредита, который строительная компания взяла в банке под реализацию данного энергосберегающего мероприятия, если ее собственных средств для этого было недостаточно. Т. е. времена в формулах (4а) и (5а) должны быть разные. Срок кредита может быть 3, 5, 10 лет, а уменьшение эксплуатационных затрат в здании в результате примененного энергосберегающего мероприятия будет происходить в течение всех отопительных периодов в пределах эксплуатационного срока его службы. Отсюда все последующие выводы и применяемые формулы не могут быть использованы для решения поставленной задачи.
В заключение хочется отметить, что все инженерно-технические и организационные мероприятия, вне зависимости от их природы и назначения, являются энергосберегающими в том случае, если в результате их внедрения в здании в течение последующих лет эксплуатации полезный эффект был сохранен, а затраты энергетических ресурсов снизились, т. е. полезный эффект стал достигаться посредством меньших затрат энергетических ресурсов.
Так, на примере неправильной постановки задачи удалось разобраться в сложной терминологии современного законодательства в области энергосбережения и понять, как следует трактовать термин «энергетическая эффективность», что, безусловно, показывает ценность работ [1, 2].
Невыясненным в данном исследовании остается вопрос, связанный с экономической эффективностью энергосберегающих мероприятий. Энергосберегающие мероприятия могут быть окупаемыми и неокупаемыми. Неокупаемыми их следует признать в том случае, когда затраты на их реализацию превысят достигаемую экономию в течение заранее обозначенного временного интервала, например, срока эксплуатации энергосберегающего оборудования или системы теплоизоляции до первого капитального ремонта и т. д. Срок окупаемости может оказаться меньше предполагаемого срока службы реализованных мероприятий, но при этом настолько значительным, что банк не сможет предоставить кредит на их реализацию. В каждом конкретном случае реализации энергосберегающих мероприятий окупаемость инвестиций в энергосбережение следует рассматривать с учетом поставленных задач, необходимости реализации энергосберегающих программ, источников их финансирования и инвестиций. Более подробно вопросы окупаемости энергосберегающих мероприятий рассмотрены в работах [4–12].
Литература
1. Гагарин В. Г., Пастушков П. П. Об оценке энергетической эффективности энергосберегающих мероприятий // Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. 2014. № 2. С. 26–29.
2. Гагарин В. Г., Пастушков П. П. Количественная оценка энергоэффективности энергосбергающих мероприятий // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 7–9.
3. Ватин Н. И., Немова Д. В., Рымкевич П. П., Горшков А. С. Влияние уровня тепловой защиты ограждающих конструкций на величину потерь тепловой энергии в здании // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8 (34). С. 4–14.
4. Горшков А. С., Рымкевич П. П., Ватин Н. И. Экономическая эффективность инвестиций в энергосбережение. 2014. № 3. С. 32–37.
5. Горшков А. С. Об окупаемости инвестиций на утепление фасадов существующих зданий // Энергосбережение. 2014. № 4. С. 12–19.
6. Немова Д. В., Ватин Н. И., Горшков А. С., Кашабин А. В., Рымкевич П. П., Цейтин Д. Н. Технико-экономическое обоснование мероприятий по утеплению ограждающих конструкций частного жилого дома // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 8 (23). С. 93–115.
7. Немова Д. В., Горшков А. С., Ватин Н. И., Кашабин А. В., Рымкевич П. П., Цейтин Д. Н. Технико-экономическое обоснование мероприятий по утеплению наружных стен жилого многоквартирного здания с устройством вентилируемого фасада // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 11 (26). С. 70–84.
8. Горшков А. С., Рымкевич П. П., Немова Д. В., Ватин Н. И. Методика расчета окупаемости инвестиций по реновации фасадов существующих зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 2 (17). С. 82–106.
9. Романова А. А., Рымкевич П. П., Горшков А. С. Методика расчета окупаемости инвестиций по реновации фасадов существующих зданий // Технико-технологические проблемы сервиса. 2014. № 4 (30). С. 68–74.
10. Горшков А. С., Рымкевич П. П. Методика и пример расчета окупаемости инвестиций при реализации энергосберегающих мероприятий в строительстве // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2014. № 9 (188). С. 40–45.
11. Ковалев И. Н. Об окупаемости и рентабельности долгосрочных инвестиций // Энергосбережение. 2014. № 6. С. 14–17.
12. Ковалев И. Н. Рациональные решения при экономическом обосновании теплозащиты зданий // Энергосбережение. 2014. № 8. С. 14–19.
Ведущее событие в HVAC & Pool индустрии в России и СНГ – выставка Aqua-Therm Moscow, информационным партнером которой вновь выступил научно-технический журнал «Инженерные системы», проходила со 2 по 5 февраля 2016 года в Москве.
Среди более 27 000 участников форума — представители промышленного и бытового строительства, оптовой и розничной торговли, инженерных услуг, производителей, государственных и отраслевых ассоциаций и СМИ.
В этом году в тематике деловой программы выставки был сделан акцент на энергоэффективности. В частности, прошли конференция «Энергоэффективность и безопасность систем теплоснабжения и водоснабжения» (при поддержке ИЦ «Аква-Терм»), симпозиум «Энергоэффективность систем отопления в сочетании с возобновляемыми источниками энергии» (организован Федерацией немецкой отопительной промышленности BDH) и конференция об оборудовании для бассейнов, саун и спа «Мир воды» (при поддержке журнала «Банбас» и портала www.banbas.ru).
Некоторые темы, затронутые на дискуссиях этих мероприятий, а также множество других вопросов, связанных с энергосбережением и энергоэффективностью, будут более подробно обсуждаться в рамках деловой программы Х Международного конгресса «Энергоэффективность. XXI век. Инженерные методы снижения энергопотребления зданий», который пройдет также при информационной поддержке журнала «Инженерные системы» 1 и 2 марта 2016 года, в Москве, в рамках выставки «Мир климата».
При актуализации СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [1] требования к значениям сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий не были повышены, однако в СНиП была введена методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Данная методика, в другой форме, применялась при расчете теплозащиты ограждающих конструкций [2], по применяемым обозначениям удельных потоков теплоты через теплотехнические неоднородности ограждений она была гармонизирована с европейскими нормами [3, 4, 5]. Теоретическое обоснование данной методики, основанной на элементном подходе приведено в [6]. Применение методики позволяет достаточно точно определить приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций зданий и избежать спекуляций, связанных с неоправданным повышением толщины слоя теплоизоляционного материала в ограждающей конструкции, якобы для повышения «энергоэффективности». Гармонизация обозначений удельных потоков теплоты через теплотехнические неоднородности и подходов к расчету характеристик теплозащиты ограждающих конструкций в России и европейских странах позволила проводить сравнение нормативных требований и методов расчета с европейскими нормативными документами [7].
Настоящая статья посвящена дальнейшему развитию указанной методики: описанию применения удельных потоков теплоты через теплотехнические неоднородности ограждений для расчетов трансмиссионной составляющей нагрузки при проектировании систем отопления и охлаждения зданий. Рассмотрено практическое применение СП 50.13330.2012 при проектировании системы отопления зданий.
Использование приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций при проектировании систем отопления и охлаждения
Зададимся вопросом: зачем вообще надо рассчитывать и нормировать приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций? В последние, без малого, 20 лет требуемые сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций нормируются в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП). Это означает, что они используются для вычисления потребления тепловой энергии за отопительный период, т. е. за год. А зачем нужно знать это потребление энергии? Для того чтобы вычислить, сколько энергии следует потратить на отопление здания. А это, в свою очередь, нужно, чтобы определить «класс энергоэффективности», который в перспективе должен влиять на стоимость 1 м2 площади здания. То есть нормируемые таким образом значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций отражают эксплуатационные свойства здания. Характеристик, отражающих эксплуатационные свойства зданий, много, и сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций — только одни из них. Однако понятие сопротивления теплопередаче было введено исходя из других соображений, оно потребовалось для того, чтобы рассчитать трансмиссионную составляющую тепловой нагрузки на систему отопления здания, а затем произвести тепловой расчет и подобрать отопительные приборы, которые компенсировали бы эту нагрузку. Именно работа системы отопления и обеспечивает повышение энергоэффективности здания. Поэтому нормирование сопротивления теплопередаче целесообразно проводить исходя из того, что нормируемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций будет использовано для расчета нагрузки на систему отопления здания.
Для расчета нагрузки на систему отопления с конца XIX века использовалось уравнение, согласно которому тепловой поток в единицу времени через ограждающую конструкцию составляет
Q = K * A * (tв — tн) (1+ Σ βi ) (1)
где tв, tн— температура воздуха по разные стороны ограждающей конструкции, °С;
A — площадь ограждающей конструкции, м2;
K — коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции, Вт/(м2°С).
Множитель (1+ Σ βi ) учитывает различные поправочные коэффициенты.
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, является сопротивлением теплопередаче, причем по своему смыслу это приведенное сопротивление теплопередаче, т.к. величина K отражает все теплопотери через ограждающую конструкцию как по глади, так и через теплопроводные включения. В то время ограждающие конструкции были однослойными и на учет отдельных теплопроводных включений не обращалось внимания. Коэффициент K принимался одинаковым для всех помещений здания. С развитием техники строительства ограждающие конструкции в основном стали многослойными, обладающими теплопроводными включениями.
Согласно СП 50.13330.2012 приведенное сопротивление теплопередаче, следовательно, коэффициент теплопередачи, можно рассчитывать для ограждающих конструкций каждого помещения по формуле вида [5]
nk — относительное количество точечных неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м2 ограждающей конструкции, шт/м2;
Ui — коэффициент теплопередачи однородной i-той части ограждающей конструкции, Вт/(м2°С);
Ψj — удельные потери теплоты через линейную неоднородность j-го вида, Вт/(м°С);
Xk — удельные потери теплоты через точечную неоднородность k-го вида, Вт/°С.
Методика расчетов величин и приведена в [1]. В НИИСФ РААСН совместно с ОАО ЦНИИПромзданий разработан проект Свода правил «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей» (отв. исполнитель к. т. н. ведущий научный сотрудник НИИСФ В. В. Козлов). В данном документе содержатся схемы теплотехнических неоднородностей с расчетными значениями удельных потоков теплоты через них. Этот СП подготовлен к печати и будет издан в ближайшее время.
При замене относительных геометрических и количественных характеристик элементов ограждений , , на абсолютные значения, , она преобразуется к виду (3):
H = K * A = [Σ (Ai * Ui ) + Σ (Lj * Ψj ) + Σ (Nk * Xk )], Вт/(°С); (3)
H — удельная теплопередача ограждения, Вт/°С;
A — суммарная площадь наружных ограждающих конструкций помещения, м2;
Ai— площадь плоского элемента конструкции i-го вида, м2;
где tви tн— температуры воздуха внутри помещения и снаружи соответственно, °С.
Множитель , учитывающий различные поправочные коэффициенты, может быть изъят в результате адаптации поправочных коэффициентов. Тогда, для каждого i-того помещения можно рассчитать трансмиссионный поток теплоты по формуле (5):
Qтр I = Hi * (tв – tн ), Вт (5)
Впоследствии значения удельной теплопередачи ограждений можно использовать и для расчета тепловых поступлений в помещения в теплый период года, что необходимо для расчета нагрузок на системы холодоснабжения и кондиционирования воздуха
Формирование матриц с теплотехническими и геометрическими характеристиками наружных ограждающих конструкций помещений здания
Для современных многоэтажных зданий расчет приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, коэффициентов теплопередачи и удельной теплопередачи ограждения по формулам (2) и (3), а затем трансмиссионного потока теплоты по формуле (5) для всех помещений представляет собой сложную комплексную задачу, требующую особой тщательности от инженера-проектировщика. Поэтому предлагается выполнять расчеты с использованием матричного представления исходных данных (матричный метод) [8].
Совокупность значений трансмиссионных потоков теплоты для всех помещений здания можно представить в виде вектора-столбца (6):
(6)
Для получения матрицы, представляющей собой вектор-столбец (6), координаты которого являются трансмиссионными потерями теплоты помещений здания, необходимо выполнить операцию умножения матриц (7):
Qтр = ΔT * H, Вт (7)
Количество строк в такой матрице — количество помещений здания, равное n.
ΔT — диагональная матрица разниц температур наружного и внутреннего воздуха помещений, °С (8):
(8)
H — вектор-столбец удельной теплопередачи через наружные ограждения помещений, Вт/°С (9):
(9)
Каждая координата этого вектора соответствует помещению и вычисляется по формуле вида (3). Чтобы определить значения удельной теплопередачи для каждого помещения, необходимо выполнить операцию умножения матриц (10):
H = Ct * F, Вт/°С (10)
где Ct — матрица геометрических и количественных характеристик плоских, линейных и точечных теплопроводных элементов наружных ограждений помещений здания (11):
. (11)
Каждая строка матрицы геометрических характеристик является набором геометрических и количественных характеристик всех типов элементов для соответствующего n-ного помещения здания.
Anm— площадь m-того участка поверхности ограждения n-ного помещения, м2;
Lnm — длина m-того линейного «мостика холода» n-ного помещения, м;
Nnm — количество m-тых точечных «тепловых мостиков» n-ного помещения, шт.;
Um — коэффициент теплопередачи однородной m-той части фрагмента ограждающей конструкции, Вт/(м2°С);
Ψm — удельные потери теплоты через линейную неоднородность m-того вида, Вт/(м°С);
Χm — удельные потери теплоты через точечную неоднородность m-того вида, Вт/°С.
F — вектор-столбец удельных потоков теплоты через соответствующие элементы (12):
. (12)
Удельные потоки теплоты через светопрозрачные ограждающие конструкции Um и, соответственно, их геометрические характеристики Anm заносят в соответствующие матрицы (12) и (11) наряду с аналогичными величинами для несветопрозрачных ограждений, т. е. рассматривают заполнения светопроемов как составную часть фрагмента ограждающей конструкции.
Результатом составления матриц (8), (11), (12) и двух операций их умножения (7) и (10) является вектор-столбец (6), который представляет собой набор трансмиссионных потоков теплоты через наружные ограждения для каждого помещения здания.
Расчет трансмиссионных потерь теплоты помещения через внутренние ограждающие конструкции
Помимо наружных ограждений для корректного расчета трансмиссионной составляющей ограждающих конструкций необходимо учесть возможные потери теплоты через внутренние ограждения. Тепловые потоки через внутренние ограждения подлежат учету только в том случае, если разница температур воздуха рассматриваемого помещения и воздуха помещения за рассматриваемым внутренним ограждением превышает 3 °С. Проверка расчетом на конкретных объектах подтвердила целесообразность данного допущения. Снижение точности расчета теплового баланса здания при отсутствии учета перераспределения тепловых потоков через внутренние ограждения, если перепад температур воздуха помещений между рассматриваемым ограждением равен 3 °С и менее, составляет не более 1%, что возможно компенсировать соответствующей поправкой.
Для расчета трансмиссионных тепловых потоков через внутренние ограждения составляются матрицы Ct , F , H , ΔT, Q, аналогичные матрицам (6), (8), (9), (11), (12) соответственно. Кроме того, для внутренних ограждений допустимо не учитывать теплопроводные включения: прежде всего ввиду сравнительно небольших значений температурных напоров. Следовательно, матрицы геометрических характеристик (13), удельных потоков теплоты (14) и разниц температур (15) для внутренних ограждений выглядят следующим образом:
(13)
(14) (15)
Тогда полные трансмиссионные потери теплоты будут представлены суммой матриц трансмиссионных потерь теплоты через наружные ограждения и через внутренние ограждения (16):
Qтр*Σ = Qтр + Qтр, Вт (16)
Рассмотрение примера расчета
Для опробования представленного метода для расчета тепловой мощности системы обогрева был рассмотрен ряд существующих объектов и их системы отопления. В данной работе в качестве объекта представлено двухэтажное общественное здание с подвалом.
Рис.1
Рис. 2
Рис. 3
Сравнение расчетов трансмиссионной составляющей с использованием существующего и матричного методов показало расхождения в значениях трансмиссионных тепловых потерь. Это расхождение вызвано из-за осреднения линейных и точечных теплопроводных включений по площади ограждения и некоторой потери точности расчета, возникающей при использовании традиционной методики. Для отдельно взятых помещений отклонение традиционного метода от предложенного составило до –9,45% в сторону перегрева или до 47,50% в сторону переохлаждения. Особенно большой процент расхождения характерен для помещений с небольшой площадью наружных стен и вызван относительно большим количеством линейных и точечных «мостиков холода» при наличии теплообменных процессов с внутренними ограждениями.
Таблица 1
Заключение
Разработанная методика повышает точность расчетов по определению тепловой мощности системы отопления для здания в целом и для отдельных помещений, учитывает всю современную специфику ограждающих конструкций, наличие теплопроводных включений и действие систем вентиляции. Матричное представление данных дает основание для расчета любых эксплуатационных режимов, что необходимо при внедрении переменного гидравлического режима или расчета любых эксплуатационных режимов и соответствует передовым европейским тенденция для зданий с нулевым энергопотреблением в качестве как конструкторского, так и поверочного инструмента.
Матричный метод — шаг к информационному моделированию расчетов систем отопления здания.
Предлагаемый подход для определения тепловых потерь здания помогает:
— модернизировать методы определения тепловой мощности систем отопления в соответствии со сложившейся практикой устройства систем отопления и вентиляции, особенностями современных ограждающих конструкций, современными методы расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и требованиями нормативных документов;
— одновременно повысить точность расчета и максимально автоматизировать работу проектировщика (проектировщику не требуется выполнять ни одной вычислительной операции: только сбор данных в матрицы и выбор параметров, представление данных).
Разработанный метод применим для расчета вентиляционной составляющей нагрузки на системы отопления/охлаждения с учетом сложной специфики расчета воздухообменов для жилых многоквартирных домов при одновременном учете инфильтрационных затрат теплоты.
Рассмотренный матричный метод — один из вероятных путей развития документа [1] в области взаимодействия с иной нормативной документацией, с алгоритмами создания проекта раздела ОВ, с расчетами проектных и фактических значений потребления тепловой энергии зданиями.
Литература
1. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003».
2. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Крышов С. И., Пономарев О. И. Теплозащита наружных стен зданий с облицовкой из кирпичной кладки. // Журнал АВОК. 2009. Часть 1, № 5, с. 48–56. Часть 2, № 6, с. 48–55.
3. EN 12831:2003. Heating systems in buildings. Methods for calculation of the design heat load. DIN Heizungsanlagen in Gebäuden. Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast. Deutsche Fassung. Die Europäische Norm.
4. EN ISO 13789. Thermal performance of buildings. Transmission and ventilation heat transfer coefficients. Calculation method. 2007.
5. EN ISO 10211. Thermal Bridges in Building Construction: Heat Flows and Surface Temperatures. Detailed Calculations. 2007.
6. Гагарин В. Г., Козлов В. В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. // Строительные материалы. 2010. № 12, с. 4–12.
7. Гагарин В. Г., Дмитриев К. А. Учет теплотехнических неоднородностей при оценке теплозащиты ограждающих конструкций в России и европейских странах. // Строительные материалы. 2013. № 6, с. 14–16.
8. Гагарин В. Г., Неклюдов А. Ю. Учет теплотехнических неоднородностей ограждений при определении тепловой нагрузки на систему отопления здания. // Жилищное строительство. 2014. № 6, с. 3–7.
В газораспределительных организациях (ГРО), осуществляющих регулируемый вид деятельности, в соответствии с требованиями [1] должны проводиться обязательные энергетические обследования в отношении юридического лица и технологического процесса (транспортировка газа по трубопроводам, техническое обслуживание и эксплуатация сетей газораспределения). Практические цели энергетического обследования ГРО — получение достоверной информации об использовании ТЭР и разработка мероприятий по энергосбережению и повышению энергоэффективности.
Для реализации требований [1, 2] и ввиду отсутствия нормативной базы по проведению энергетических обследований газораспределительных организаций ОАО «Гипрониигаз» в 2007–2011 гг. были разработаны проекты нормативно-технических и методических документов, отражающих специфику производственной деятельности в данной сфере:
— Положение о проведении энергетического обследования газораспределительных организаций ОАО «Газпром газораспределение»;
— Программа проведения энергетического обследования газораспределительной организации;
— Методика определения расхода природного газа на технологические и собственные нужды ГРО, а также объема технологических потерь при его транспортировке по газораспределительным сетям (далее — Методика по потерям);
— Методика оценки эффективности внедрения энергосберегающих технологий в газораспределительном секторе (далее — Методика по энергосбережению);
— Инструкция по заполнению энергетического паспорта газораспределительной организации;
— Методика расчета показателей энергетической эффективности газораспределительной организации.
С целью апробации проведения обязательных энергетических обследований ГРО в 2011 году ОАО «Гипрониигаз» по договорам с ОАО «Газпром газораспределение» были выполнены пилотные проекты на базе двух представительных ГРО (горгаз и облгаз), основные характеристики которых показаны в таблице 1.
Таблица 1. Пилотные проекты по проведению энергетических обследований газораспределительных организаций
Показатели
Ед. изм.
Значения показателей
горгаз
облгаз
1. Объем оттранспортированного
природного газамлрд м3более 2более 2,52. Потребление энергоресурсов по ГРОтыс. т у.т.7,0427,63. Доля платы за энергоресурсы в объеме
производства продукции (услуг, работ)%5,76,84. Общая протяженность находящихся в
эксплуатации наружных газопроводов
природного газакмоколо 1200свыше 25 0005. Количество эксплуатируемых ГРПшт.около 100свыше 10006. Количество эксплуатируемых ШРПшт.более 20около 3800
В обследованных нами ГРО за период с 2006 по 2010 гг. доля энергозатрат в объеме производства продукции не превышала 4–10%, а ежегодная плата за потребленные ТЭР выросла в среднем в 4 раза.
В структуре топливно-энергетического баланса ГРО (рис. 1) преобладает потребление природного газа (почти 90%), технологические потери которого, в свою очередь, по отчетным данным близки к 80% от его общего потребления (рис. 2). Очевидно, что в данной ситуации определение фактических потерь газа и поиск путей их снижения являются наиболее приоритетной задачей повышения энергоэффективности ГРО.
Рис. 1. Структура потребления ТЭР в обследованной ГРО
Рис. 2. Структура расхода природного газа в обследованной ГРО
Приказом ФСТ России [3] для газораспределительных организаций установлены целевые показатели энергосбережения и повышения энергетической эффективности, достижение которых должно быть обеспечено в ходе реализации программ энергосбережения и повышения энергетической эффективности ГРО.
Один из введенных в [3] целевых показателей задает относительное снижение удельных потерь газа при его транспортировке по распределительным сетям и установлен на 2011–2013 гг. для различных ГРО в пределах от 1–3 до 12–20%.
Процедура определения потерь газа в ГРО регламентирована документами [4, 5], в которых величину эксплуатационных потерь газа рекомендуется либо рассчитывать по эмпирической формуле [6], либо замерять на реальных объектах-представителях с последующей статистической обработкой результатов измерений. Как показывает опыт ОАО «Гипрониигаз» и других организаций, во многих практических случаях рассчитанные по [4–6] величины эксплуатационных утечек газа явно не соответствуют фактическим объемам утечек, определенным путем инструментальных замеров.
С целью получения объективных данных о технологических потерях газа специалистами ОАО «Гипрониигаз» в 2004–2009 гг. на реальных сетях газораспределения в Астраханской и Саратовской областях, а также в Республике Адыгея были проверены на герметичность 13 758 различных по конструкции технических устройств и разъемных соединений, среди которых негерметичных оказалось 12,4% (выявлено 1707 утечек). Статистическая обработка результатов замеров выявила наличие закономерностей между объемами утечек и относительными частотами их появления (рис. 3).
Рис. 3. Зависимости, установленные в результате инструментальных
замеровдля различных элементов сетей газораспределения
На основе выполненных в ОАО «Гипрониигаз» экспериментальных и аналитических исследований разработан проект Методики по потерям, где:
— устанавливаются нормативные объемы технологических потерь газа для девяти характерных групп их источников (табл. 2);
— плановые потери рассчитываются исходя из установленных нормативов потерь и количества источников потерь (учитываемых в ГРО);
— отличие фактических потерь от плановых определяется путем учета доли негерметичных источников потерь, выявляемой индикацией утечек («есть — нет», без определения объема утечки) на выбранных участках сети.
На этапе документального обследования ГРО необходимо оценить наличие потенциальных источников потерь (технических устройств и разъемных соединений), количество которых на примере одной из обследованных ГРО показано в таблице 2.
Репрезентативное число инструментальных замеров, необходимых для выявления доли негерметичных источников потерь газа, определяется с помощью методов математической статистики. Для обследованной ГРО величина минимальной выборки составила от 384 до 2400 замеров (при доверительном интервале от 5 до 2% и доверительной вероятности 95%).
В результате выборочной проверки на герметичность (ГИВ-М) 2052 технических устройств и разъемных соединений на сетях газораспределения обследованной ГРО выявлено 332 негерметичных источника потерь (16,2%), распределение которых по характерным группам показано на рисунке 4.
Таблица 2. Характерные группы источников потерь газа и их количество
(генеральная совокупность для одной из обследованных ГРО)
Наименование характерной группы источников потерь газа
Количество источников потерь, шт.
1. ГРП и ГРПБ
1514
2. ГРПШ с пропускной способностью более 50 м3/ч
3091
3. ГРПШ с пропускной способностью менее 50 м3/ч
617
4. Краны пробковые
141 202
5. Резьбовые и муфтовые соединения на линейной части газопровода, пробки и т. п.
202 267
6. Задвижки и вентили
19 182
7. Фланцевые соединения, изолирующие фланцевые соединения, компенсаторы (линзовые или сильфонные), конденсатосборники, гидрозатворы и т. п.
51 938
8. Устройства учета газа (ПУРГ)
345
9. Краны шаровые
18 759
Всего:
439 095
Рис. 4. Результаты измерений утечек газа в обследованной ГРО
Фактические технологические потери газа, обусловленные негерметичностью сетей газораспределения, при расчетах по разработанной методике составляют 0,487 % от объема газа, транспортируемого в обследованной ГРО, что на 28% ниже отчетных технологических потерь ГРО, рассчитанных по [4–6].
Описанный выше подход к определению фактических потерь газа является лишь одним из реальных энергосберегающих мероприятий, к числу которых относятся различные технические решения, направленные на обеспечение рационального потребления в ГРО природного и сжиженных углеводородных газов, тепловой и электрической энергии, горюче-смазочных материалов.
Принятию оптимальных технических решений и оценке эффективности их внедрения в практической деятельности газораспределительных организаций способствует разработанная в ОАО «Гипрониигаз» Методика по энергосбережению, в которой дана классификация энергосберегающих мероприятий и приведены примеры инженерных расчетов для беззатратных, условно беззатратных, малозатратных и затратных энергосберегающих мероприятий по всем видам потребляемых ТЭР.
К беззатратным относятся мероприятия, в которых энергосберегающий эффект достигается без капиталовложений, например: организационные (пресечение несанкционированного отбора газа, выбор оптимального тарифа и др.) или режимные (ликвидация непроизводительных расходов энергии, прерывистое отопление и др.).
В условно беззатратных энергосберегающих мероприятиях капиталовложения планируются и осуществляются по другим программам, например, по программе реконструкции или повышения квалификации, а экономия энергоресурсов является сопутствующим эффектом.
Большинство энергосберегающих мероприятий в газораспределении являются малозатратными и связаны с совершенствованием оборудования, повышением эффективности его эксплуатации, сокращением потерь энергоносителей. Для оценки экономической эффективности этих мероприятий целесообразно использовать укрупненные показатели, что позволяет значительно сократить трудоемкость выполняемых вычислений и, как следствие, уменьшить время, затрачиваемое на расчеты.
Затратные энергосберегающие мероприятия, как правило, представляют собой одну (не всегда основную) из составляющих частей масштабных технических решений (например, внедрение систем контроля и учета газа, децентрализация систем теплоснабжения, строительство новых газопроводов и др.), для оценки экономической эффективности которых требуется разработка инвестиционных проектов, комплексно учитывающих вопросы строительства, эксплуатации и энергосбережения в системах газораспределения.
Возможности повышения энергетической эффективности, достигаемые при внедрении различных энергосберегающих мероприятий в ГРО, оцениваются с учетом специфики последних.
Основные направления энергосбережения при распределении природного газа:
— повышение герметичности сетей газораспределения в результате применения новых видов оборудования, арматуры и уплотнительных материалов;
— совершенствование приборной техники для технического диагностирования и контроля герметичности;
— совершенствование организации и повышение качества профилактического обслуживания сетей газораспределения;
— совершенствование методов учета расхода газа.
При распределении сжиженных углеводородных газов (СУГ) энергосбережение достигается путем совершенствования:
— методов учета расхода СУГ;
— технологии распределения СУГ.
Энергосберегающие мероприятия, внедряемые в системах производства, транспорта и потребления тепловой энергии в ГРО, основаны на:
— снижении потребления природного газа в централизованных системах отопления;
— повышении эффективности эксплуатации систем отопления;
Эффективность потребления электрической энергии в ГРО повышается при:
— снижении потребления электроэнергии при защите стальных подземных газопроводов от коррозии;
— повышении эффективности электропривода;
— внедрении энергоэффективных систем наружного и внутреннего освещения;
— применении оптимальных тарифов и современных систем учета электроэнергии;
— выработке электрической энергии в турбодетандерных установках.
Экономия горюче-смазочных материалов в ГРО достигается в результате:
— модернизации автотракторной техники;
— совершенствования обслуживания автотехники;
— проведения организационных мероприятий.
Таким образом, выявление и практическая реализация возможностей энергосбережения и повышения энергетической эффективности на объектах газораспределительных организаций основаны на системном и комплексном проведении мероприятий, в число которых входят как типовые, общедоступные, так и специфичные, присущие только сфере газораспределения. Опыт, накопленный ОАО «Гипрониигаз» при разработке и внедрении последних, представлен в данной публикации.
Литература
1. Федеральный закон от 23.11.2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
2. Технический регламент «О безопасности сетей газораспределения и газопотребления».
3. Приказ Федеральной службы по тарифам от 31.03.2011 № 85-э «Об установлении требований к программам в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности субъектов естественных монополий, оказывающих услуги по транспортировке газа по газораспределительным сетям».
4. РД 153-39.4-079-01 Методика определения расходов газа на технологические нужды предприятий газового хозяйства и потерь в системах распределения газа. Принят и введен в действие приказом Минэнерго России от 01.08.2001 г. № 231.
5. Методика по расчету удельных показателей загрязняющих веществ в выбросах (сбросах) в атмосферу (водоемы) на объектах газового хозяйства. Утверждена ОАО «Росгазификация» 17.04.97, № 17II.
6. Тищенко Н. Ф. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распределение в воздухе. Справ. изд. — М.: Химия, 1991. — 368 с.
