Оценка эффективности транспортирования тепловой энергии

 

Автор

Кузник Игорь, эксперт РСПП

 

    В случае полноценной реализации ФЗ № 261 «Об энергосбережении…» в ближайшие два года уровень так называемого оприборивания в централизованных системах теплоснабжения приблизится к 100%. В этой ситуации появятся возможности инструментального измерения потерь тепловой энергии (ТЭ) при ее транспортировании и, следовательно, объективной оценки эффективности существующих сетей. Целью таких измерений является управление эффективностью централизованного теплоснабжения в части транспортных издержек. Задачей для достижения данной цели становится создание неких коэффициентов (параметров эффективности), с помощью которых можно объективно оценивать состояние конкретной сети, транспортирующей ТЭ, по сравнению с нормой, с другими сетями, а также изменения рассматриваемой сети в разных временных периодах. Очень важно, чтобы такие параметры были приведенными, позволяющими сопоставлять эффективность объектов сетей в различных климатических зонах в разные времена года. В качестве первичной информации предполагается использовать результаты измерений, получаемые с помощью приборов учета (теплосчетчиков) тепловой энергии. Автоматизация получения результатов измерений от СИ даст возможность автоматизировать расчеты параметров эффективности как самой сети, так и ее отдельных объектов в выбранный период времени.
    Автор предлагает использовать три параметра, описывающих эффективность транспортирования ТЭ. Для каждого параметра можно вычислить нормативы (ввести клас­сность), проведя корреляцию (установив соответствие) с существующими и применяемыми на сегодняшний день расчетными методиками.
    Первый параметр — коэффициент циркуляции теплоносителя KЦТ, Гкал/т — позволяет определить эффективность использования теплоносителя для транспортирования ТЭ. Предлагается рассчитывать его отдельно для каждого участка трубопровода на основе показаний (суммы показаний) прибора учета. Его величина высчитывается по формуле:
    KЦТ = Q / M2,
    где Q — энергия в Гкал; М2 — масса теплоносителя, прошедшая по обратному трубопроводу в тоннах. Величины предлагается брать за расчетный период. Наиболее подходящим, по мнению автора, является месяц.
    Второй параметр — коэффициент загрузки трубопровода КЗТ, м/с — дает возможность определять уровень загруженности трубопровода, оптимальную скорость течения воды. На эту скорость рассчитывается циркуляция и передаваемая мощность трубопровода. Скорость обосно­вана расчетами еще в 70-е гг. прошлого века для магистральных сетей как оптимум соотношения CAPEX и OPEX (~1,5 м/с). С тех пор изменились и капитальные затраты, и стоимость изоляции, да и температурные графики практически нигде не соблюдаются. Поэтому эмпирически найденный оптимум во многих сетях сегодня составляет ~2 м/с. Данный параметр высчитывается по формуле:
    КЗТ = V Ч 4 / ( Ч Dу2 Ч t Ч 3600),
    где V — объем теплоносителя за период, м3; Dу — диаметр трубопровода, м; t — продолжительность периода, ч.
    Рассчитывать его следует отдельно для каждого участка трубопровода на основе показаний (суммы показаний) прибора учета.
    Третий параметр — коэффициент эффективности теплоизоляции трубопровода КЭТТ, Вт/м2 Ч °С. Его величина показывает потери энергии за период (рекомендация автора — за один месяц), приведенные на площадь и градус температуры. Следует заметить, что применение данного коэффициента сопряжено с проблемой обеспечения точности измерений. Так, при попытке использовать измеренные приборами значения количества тепловой энергии мы получим недостаточную точность. Классический счетчик тепловой энергии при измерении энергии имеет пределы погрешности ±4%, что не позволяет добиться требуемой точности по причине соразмерности пределов погрешности теплосчетчика и измеряемой величины (рис. 1).
    При попытке использования значений температуры для вычисления ее потерь (часто менее 1°С) в трубопроводах от источника до потребителя отдельно по трубопроводу подачи и обратки мы опять же столкнемся с неточностью измерения. Классический счетчик тепловой энергии при измерении значения абсолютной температуры имеет погрешность ±1°С, что не позволяет добиться требуемой точности по причине соразмерности пределов погрешности теплосчетчика и измеряемой величины (рис. 2). Поэтому указанные способы измерения и расчета параметра эффективности применить на практике не представляется возможным в силу наличия указанных погрешностей.
    В связи с этим предлагается принять в качестве способа расчет на основе величин совокупных потерь теплового потенциала (разности температур между трубопроводами подачи и обратки), умноженных на усредненную массу теплоносителя, измеренного в подающем и обратном трубопроводах. Классический счетчик тепловой энергии при измерении значения разности температур имеет погрешность ±0,1°С, что позволяет добиться приемлемой точности, так как размерность пределов погрешности теплосчетчика и измеряемой величины отличается на порядок (рис. 3). Разделив полученное таким способом значение количества энергии на сумму площадей трубопроводов подачи и обратки за рассматриваемый период и на разность температур воздуха и теплоносителя, мы получим искомый параметр. Иначе говоря, в целом это выглядит как разность между разницей средневзвешенных температур теплоносителя у поставщика (ТИ) и разницей средневзвешенных температур у потребителей (ТП), умноженная на массу теплоносителя (МИ), отнесенная на площадь поверхности трубопроводов (подачи и обратки) и на разность температур между средней температурой теплоносителя и воздуха (ТВ), а именно:
    Итак, по мнению автора, для того чтобы оценить состояние сети теплоснабжения, достаточно знать три параметра, характеризующих конкретную сеть:
    1. Коэффициент циркуляции теплоносителя (КЦТ), Гкал/т.
    2. Коэффициент загрузки трубопровода (КЗТ), м/с.
    3. Коэффициент эффективности теплоизоляции трубопровода (КЭТТ), Вт/м2 Ч °С.
    При использовании величин этих коэффициентов оценка состояния конкретной сети с точки зрения ее эффективности становится управленческой задачей, обладающей достаточными условиями для успешного решения.
    Не менее важно получить аналогичные параметры в целях оценки эффективности потребления тепловой энергии зданиями для нужд отопления. Хотелось бы иметь параметр, который показывает эффективность потребления вне зависимости от температуры воздуха на улице и вне зависимости от площади строения. В этом случае мы сможем ранжировать здания и сравнивать эффективность использования ими тепловой энергии в разные периоды времени.
    Такой параметр рассчитывается следующим образом: информация о количестве потребленной ТЭ за рассматриваемый период (месяц) делится на площадь здания и затем делится на разность температур воздуха в помещении (норма) и воздуха на улице. Получаем коэффициент эффектив­ности потребления тепловой энергии — КЭП (ккал/м2 Ч °С, или можно пересчитать в Вт/м2 Ч °С).
    По информации, полученной на вводе в здание, вычисляется описанный выше коэффициент циркуляции теплоносителя — КЦТ (Гкал/т).
    Если здание подключено к системе централизованного горячего водоснабжения (ГВС), то параметр (коэффициент) эффективности потребления горячей воды — КЭГВС — выглядит как количество потребленной воды одним человеком за месяц (м3/чел).
    Следует также оценивать эффективность циркуляции воды в системе ГВС (соответствующий коэффициент — КЭЦГВС), что определяется отношением разобранной воды к количеству горячей воды, прошедшей по подающему трубопроводу:
    f = рм3 / пм3
    Автор считает, что именно эти параметры должны указываться в так называемых энергетических паспортах.
    Рассмотрим на конкретном примере расчет предложенных параметров эффективности. Условия: одна котельная, четыре потребителя, система теплоснабжения открытая, температура на улице (TВ) – 6, температура в помещении (Tп) +20.
    Для начала приведем полученные данные по потребителям.
    Параметр КЭП (Вт/м2Ч°С) выявил, что наиболее эффективным является жилой дом по адресу Первомайская, д. 5 с коэффициентом 1,025, а наименее эффективным — жилой дом по адресу Московская, д. 46 с коэффициентом 1,613. Разница — более 50%.
    Параметр КЦТ (Гкал/т) выявил, что наиболее эффективным является жилой дом по адресу Первомайская, д. 3 с коэффициентом 0,034, а наименее эффективным — жилой дом по адресу Московская, д. 46 с коэффициентом 0,026. Разница — более 25%.
    Параметр КЭГВС (м3/чел) выявил, что наиболее эффективным является жилой дом по адресу Первомайская, д. 5 с коэффициентом 2,37, а наименее эффективным — жилой дом по адресу Первомайская, д. 3 с коэффициентом 3,11. Разница — более 25%.
    Параметр КЭЦГВС (рм3/пм3) вы­явил, что наиболее эффективным является жилой дом по адресу Первомайская, д. 3 с коэффициентом 0,23, а наименее эффективным — жилой дом по адресу Московская, д. 46 с коэффициентом 0,09. Разница — более 150%.
    Теперь рассмотрим параметры теплосети.
    Значение КЦТ (Гкал/т) составило 0,031. Следовательно, должны быть приняты меры по изменению состоя­ния сети, ведущей к наименее эффективному объекту по адресу Московская, д. 46, где КЦТ = 0,026.
    Параметр КЗТ (коэффициент эффективности загрузки трубопровода, м/с) выявил, что диаметр трубопровода явно завышен, по всем участкам скорость движения теп­лоносителя далека от оптимальной (~2 м/с). Требуется выполнить расчет, который обоснует экономическую целесообразность замены труб на аналоги меньшего диаметра.
    Параметр КЭТТ (коэффициент эффективности теплоизоляции трубопровода, Вт/м2Ч°С) составил 2,81. Между тем современная ППУ-изоляция обеспечивает этот показатель на уровне 1,0—1,5.
    По предложенным параметрам можно сравнивать объекты как с другими объектами (в различных климатических регионах), так и наблюдать изменение состояния конкретного объекта во временном горизонте при эксплуатации и реконструкции.