Практика регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя

Несмотря на то, что во всех городах Украины системы централизованного теплоснабжения подают в последние годы недостаточное для нормального обогрева зданий количество тепловой энергии, все еще существует возможность существенного уменьшения теплопотребления без ухудшения и без того неудовлетворительного температурного режима зданий. Эта возможность может быть реализована при оборудовании тепловых пунктов общественных зданий средствами программного уменьшения тепловой мощности в нерабочее время.

Для решения этой задачи необязательно оснащать тепловые пункты сложной зарубежной техникой. Можно использовать имеющиеся в Украине технические средства и микропроцессорные приборы, способные реализовать прерывистое отопление зданий.

После реализации программного уменьшения тепловой мощности в общественных зданиях Украины потребление природного газа сократится на 1,5 млрд. куб. м в год, что равно годовому потреблению газа всеми теплоснабжающими организациями города Киева.

Реализация полномасштабной программы модернизации тепловых пунктов общественных зданий по Украине в целом потребует 250 млн. долларов со сроком окупаемости около 2 лет.

Немного теории Теория прерывистого отопления восходит ко временам [1], когда непрерывное водяное отопление было редкостью, а печи топили обычно только поутру, хотя в стужу приходилось топить и под вечер. Проблемы нестационарного теплообмена применительно к отопительным системам современных зданий также не оставались без внимания исследователей, а метод прерывистого отопления, или регулирования пропусками всегда упоминался в учебниках [2] как возможный для применения, однако реально этот метод практически не применялся.

Если прекратить на время подачу теплоносителя в систему водяного отопления, то помещения начнут остывать. Темп остывания зависит от теплоемкости строительных конструкций, термического сопротивления наружных ограждений, температуры наружного воздуха, скорости ветра. Остывание происходит по экспоненте. Температуру воздуха в помещении t через z часов остывания можно определить по уравнению [3].

(-z/B).

t = tn + (tвн.р — tn)^e

где tn — температура наружного воздуха во время отключения системы отопления,.

tвн.р — температура внутреннего воздуха перед отключением, В — коэффициент аккумуляции тепловой энергии отапливаемым помещением. Этот коэффициент имеет размерность (час), и потому его называют еще постоянной времени помещения.

Значение коэффициента аккумуляции для каждого здания или помещения может определяться опытным путем или расчетом. В этой работе не ставится задача определения величин В. Для нас важно знать лишь возможный диапазон, внутри которого находятся эти величины, с тем, чтобы, принимая во внимание характерные значения, оценить возможности реализации регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя. Из литературы [4] известно, что постоянная времени для жилых и общественных зданий массового строительства, построенных по нормативам теплозащиты 60 — 80-х годов, находится в интервале значений 50.

На рис. 1 построены кривые охлаждения воздуха в помещениях из легких конструкций, характеризующихся значением В 162 ч.

Рисунок показывает, что при нулевой температуре на улице воздух помещения охладится от начальной температуры + 18 ОС до + 10 ОС почти за десять часов, и примерно столько же времени потребуется для охлаждения внутреннего воздуха до отрицательной температуры при двадцатиградусном морозе.

Резерв энергосбережения, реально у нас пока не задействованный В большинстве общественных зданий рабочий день начинается в 9, а заканчивается в 18 часов. Ночью и в выходные дни там никого нет, а отопление работает, как днем.

Контроллеры, обеспечивающие программное уменьшение тепловой мощности систем теплопотребления в нерабочее время, на западе применяются повсеместно. Некоторое количество систем с возможностью автоматического ночного понижения температуры смонтировано и у нас. Вместе с тем, можно предположить, что системы эти практически не задействованы, потому что куплены они за немалую цену богатыми заказчиками, которые не станут экономить деньги на тепло, если при этом предполагается возможность некоторого дискомфорта, пусть и во внеурочный час.

Стоимость современного теплового пункта со смесительными насосами системы отопления, современной регулирующей и запорной арматурой, пластинчатыми водоподогревателями горячего водоснабжения и автоматикой составляет от 10 до 15 тыс. долларов. Потребитель массовый (школы, детские сады, поликлиники, клубы, проектные организации, районные и городские администрации, различного рода конторы и пр.) не в состоянии приобрести столь дорогое оборудование, и по этой причине возможность реализации программного снижения теплопотребления общественных зданий массовой застройки в ближайшие годы становится маловероятной.

А между тем, другой возможности существенно уменьшить теплопотребление существующих зданий у нас практически не осталось. Еще недавно надежды на достижение заметной экономии топлива связывались у нас с погодным регулированием. Предполагалось, что тепловые сети не успевают следить за погодой и временами подают теплоноситель с более высокой, чем нужно для отопления температурой. Теперь, после административного понижения температурного графика тепловой сети, когда предельно высокая температура в подающем трубопроводе уствилась на уровне 80 ОС вместо положенных 150 ОС, а фактическая продолжительность отопительного сезона сократилась на 2−3 недели по сравнению с нормативом, возможности погодного регулирования сведены практически к нулю.

На рис. 2 показаны фактические и расчетные температуры теплоносителя в подающем трубопроводе Киевской ТЭЦ — 5 за 1999 год.

Синей линией обозначены среднесуточные температуры наружного воздуха, значения которых для города Киева приняты по данным Гидрометцентра Украины за 1999 год. Зима в том году не была суровой, однако большая часть отопительного сезона пришлась на область недостаточного отопления, при котором температура теплоносителя была ниже расчетного значения. И только в течение нескольких дней в марте и октябре шел перегрев, который можно было бы устранить средствами погодного регулирования. В то же время, в эти несколько теплых дней, несмотря на перетоп, тепло расходовалось в небольших количествах, и погодное регулирование могло бы сэкономить совсем немного тепловой энергии. Это хорошо видно на графике, в котором функцией является не температура, а величина теплопотребления одного из общественных зданий, присоединенных к Киевской ТЭЦ — 5 (рис. 3).

Из рисунка видно, что в области избыточного отопления расположена лишь незначительная часть общего теплопотребления. Применительно к исследуемому зданию, для отопления которого было израсходовано 2294 Гкал в год тепловой энергии, область избыточного отопления вмещает в себя лишь 32,5 Гкал, что составляет только 1,4% от общего теплопотребления. Как видим, немного можно было бы сэкономить средствами погодного регулирования тепловой мощности.

Значительно больше можно было бы сэкономить энергии, если бы осуществить в рассматриваемом здании программное снижение тепловой мощности в нерабочее время. Если допустить ночное понижение температуры помещений до + 10 ОС, то относительно этой температуры область избыточного отопления существенно расширилась бы. Даже несмотря на недостаточную температуру теплоносителя. Расчеты показывают, для того же общественного здания можно было бы сэкономить 360 Гкал за отопительный сезон, что составляет 15,7% от годового теплопотребления (рис. 4). На рисунке зафиксированы величины суточного, то есть суммарного дневного и ночного теплопотребления. График показывает, что тепло можно экономить почти ежедневно, точнее еженочно. Это не исключает однако проблем, связанных с недостаточностью дневного отопления, вызванного низкой температурой теплоносителя. Если бы рисунок отражал величины дневного теплопотребления, то область недостаточного отопления была бы столь же обширна, как и на рис. 3. Эта область и на рис. 4 достаточно заметна, — она покрывает ту зону, в которой внутренние температуры реально не превышали + 10 ОС. Тут и ночью ничего сэкономить невозможно.

Тем не менее, в течение большей части отопительного периода суточное теплопотребление в общественных зданиях может существенно снижаться даже при нынешнем недостаточном теплоснабжении. Если к вычисленному по графикам рис. 4 потенциалу ночного снижения внутренних температур (15,5%) добавить потенциал возможного снижения темпера тур в выходные дни, то общий энергетический потенциал программного уменьшения тепловой мощности в общественных зданиях может быть оценен величиной18 — 20%.