Что ждет Россию в будущем – котельные в каждом доме или все-таки централизованное теплоснабжение на базе теплофикации?

В. И. Ливчак, вице-президент НП «АВОК», начальник отдела энергоэффективности строительстваМосгосэкспертизы

В своей юбилейной статье в журнале «АВОК» [1] академик РААСН С. А. Чистович констатировал, что полная модернизация крайне запущенных систем централизованного теплоснабжения в городах России с целью обеспечения возможности работы в расчетном режиме с температурой теплоносителя 150 °С в течение ближайших 20–30 лет практически неосуществима. Он предлагает ориентировать систему централизованного теплоснабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки с минимальной температурой теплоносителя на выходе из ТЭЦ 100–110 °С и дополнить ее строительством пиковых (локальных), максимально приближенных к системам теплопотребления источников тепла.

Эту мысль Сергей Андреевич высказывал и ранее, подкрепляя ее примерами того, что во многих городах температурный график центрального регулирования не выдерживается. Я тогда не поддержал его [2], считая, что такое предложение – это уход от решения насущных задач повышения эффективности централизованного теплоснабжения на базе теплофикации. Полагал, что причинами снижения графика в морозный период может быть либо ограничение в подаче газа, что, конечно, недопустимо и должно решаться на административном уровне, либо разрегулировка тепловой сети, когда из-за перерасхода теплоносителя температура обратной воды повышается до такой степени, что увеличение температуры в подающем трубопроводе может вызвать разрушение циркуляционных насосов. Но в последнем случае дешевле выполнить гидравлическую наладку сети, оснастить абонентские вводы автоматическими приборами, чем строить дополнительные локальные источники тепла.

Так сложилось, что наши системы централизованного теплоснабжения построены по принципу качественного центрального регулирования отпуска тепла, когда в тепловых сетях осуществляется циркуляция теплоносителя в постоянном объеме, независимо от изменения нагрузки, а влияние изменения наружной температуры на отопление зданий отслеживается через температуру теплоносителя. Поэтому, если, например, при нулевой наружной температуре обеспечивается нормальное отопление, что достигается правильным распределением теплоносителя по потребителям, то в дальнейшем при понижении наружной температуры надо только повышать температуру в подающем трубопроводе тепловых сетей и все будет в порядке (за исключением отдельных объектов, требующих иного температурного графика, но это уже решается за счет местного или индивидуального авторегулирования, а не строительством пиковых локальных источников тепла). Это, кстати, подтверждается работой тепловых сетей централизованного теплоснабжения Москвы, за что следует поблагодарить М. А. Лапира, В. И. Манюка, Н. К. Громова, Н. И. Серебрянникова, В. М. Липовских, Г. А. Неймана, В. В. Терентьева и других работников УТЭХ и Теплосети Мосэнерго.

В последней статье С. А. Чистович на основании выполненного анализа состояния теплоснабжения в различных регионах страны высказал мнение, что из-за значительного физического износа трубопроводов и оборудования невозможно поднять температуру теплоносителя выше 100–110 °С, опасаясь их выхода из строя от дополнительного напряжения, связанного с температурным расширением металла. Он считает, что при ориентации систем тепло-снабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки с дооснащением пиковыми источниками значительно сокращаются капитальные затраты на реконструкцию тепловых сетей, за счет меньшего количества компенсаторов, возможности применения более дешевых и не подверженных коррозии труб из полимерных материалов и др. По его мнению на выделенные средства оказывается возможным реконструировать значительно больший объем тепловых сетей с повышением их надежности и уменьшением потерь при транспортировке теплоносителя.

С таким убийственным доводом, казалось, можно было бы согласиться, но как реализовать такую систему на практике? Ведь сразу у всех потребителей пиковые, локальные источники энергии не построить.

А переход на расчетные параметры теплоносителя 110–70 °С, вместо 150–70 °С (70 °С в обратном трубопроводе остается из-за принятого режима в местных системах отопления), означает увеличение объема теплоносителя, циркулирующего в тепловых сетях в 2 раза, что приводит к росту требуемого напора циркуляционных насосов, где пиковые источники еще не построены, в 4 раза. Это, конечно, не реально.

А потом, если все-таки идти по пути строительства пиковых источников, то централизованно на группу зданий их не установить, так как согласно доводу о физическом износе трубопроводов поднимать температуру теплоносителя в разводящих сетях после пикового источника нельзя – значит этот источник надо ставить в каждом доме?

И пришли к тому, от чего избавлялись за весь послевоенный советский период. А ведь, несмотря на высокий КПД современных газовых теплогенераторов, это не такая безобидная вещь с точки зрения экологической безопасности.

Так, например, в проекте шестисотметрового комплекса – башня «Россия», предполагаемой к сооружению в ММДЦ «Москва-Сити» (архитектор лорд Норман Фостер), – предусмотрены на случай аварии в городской энергосистеме 6 дизельных генераторов электрической мощностью 24 МВт, устанавливаемые в подземных уровнях здания. Причем выполнена вся инфраструктура использования параллельно вырабатываемой тепловой энергии путем подачи охлаждающей дизельгенераторы воды зимой для нагрева наружного воздуха в калориферы предварительного нагрева кондиционеров, расположенных на всех этажах здания. В летнее время эта охлаждающая вода подается в градирни, расположенные на 125–126 этажах здания, через систему трубопроводов, пронизывающую все здание по высоте, с теплообменниками, разделяющими эту систему на гидравлически независимые зоны. На предложение включить резервные дизельные генераторы в схему электроснабжения для замещения части мощности, получаемой из городской электросети, снизив одновременно и теплопотребление из городских тепловых сетей, было заявлено, что по экологическим соображения этого делать нельзя.

Какой же выход из этого критичного существующего положения, чтобы «не попасть на те же грабли» в новом строительстве? На мой взгляд, это обращение к опыту таких стран, как Дания, Финляндия, Германия, обогнавших нас в области централизованного теплоснабжения на базе теплофикации. Это, в первую очередь, оснащение каждого теплового пункта здания приборами автоматического регулирования подачи тепла, приборами  не учета тепла, что у нас поднято на щит, а автоматического регулирования в сочетании с учетом тепла.

А затем постепенный переход на сниженные параметры теплоносителя в тепловых сетях, поскольку установленные приборы автоматики выправят параметры теплоносителя, циркулирующего в системах отопления, независимо от их снижения в тепловых сетях. Но параметры надо снижать не только в тепловых сетях, а и в системах отопления, что сократит связанное с этим вынужденное увеличение расхода теплоносителя.

Так, в большинстве систем теплоснабжения этих стран расчетные параметры теплоносителя в тепловых сетях 110–55 °С, а в системах отопления 75–55 °С. Конечно, это увеличение поверхности нагрева отопительных приборов, но с другой стороны – повышение комфорта, так как в теплых зданиях (с улучшенной тепловой защитой в соответствии с требованием СНиП) при расчетных параметрах теплоносителя 95–70 °С отопительный прибор настолько мал, что не перекрывает действие отрицательной радиации от окна. Но перед тем как переходить на пониженные температурные параметры теплоносителя, следует повысить эти параметры, привести в проектный режим работы существующие тепловые сети, придерживаясь метких и емких русских пословиц: «Не так страшен черт, как его малюют» и «Глаза боятся, а руки делают».

Последствия, связанные с температурным расширением металла труб, не могут быть выявлены при опрессовке трубопроводов тепловой сети, а только при непосредственном воздействии высокой температуры. Поэтому необходимо осеннюю пробную топку дополнить весенней – в конце отопительного периода поднять температуру теплоносителя в подающем трубопроводе тепловых сетей до близкой к расчетной, выявить места аварий и устранять их в течение летнего периода, заменяя компенсаторы и нацелено производя перекладку аварийных трубопроводов на несколько больший диаметр с учетом дальнейшего снижения параметров теплоносителя.

После устранения слабых звеньев, выявленных в результате проведения температурной и гидравлической опрессовки, после проведения дополнительной теплоизоляции участков с повышенными теплопотерями, выявленных тепловизионной съемкой с крыш ближайших с тепловой сетью домов, после выполнения распределения теплоносителя в соответствии с расчетными нагрузками (определяемыми в результате проведенной энергетической паспортизации зданий, используя разработанное НП «АВОК» «Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий» АВОК–8–2005) и расчетными параметрами теплоносителя, путем шайбирования вводов или установки сопла в конусе элеватора нужного диаметра (при отсутствии автоматического регулирования подачи тепла в тепловом пункте), которые можно провести за 1–2 года, не придется ждать 20 лет, чтобы режим работы тепловых сетей мог осуществляться в соответствии с расчетным температурным графиком. Ведь тепловые сети есть, и они поддерживаются в рабочем состоянии, и для покрытия базовой тепловой нагрузки они все равно нужны.

Практика показывает, что при соблюдении расчетного температурного графика центрального регулирования тепловых сетей до температуры наружного воздуха, соответствующей параметрам А (для Москвы это –15 °С, чему соответствует температура теплоносителя в подающем трубопроводе теплосети согласно центральному графику качественного регулирования отпуска тепла; эта температура равна 120 °С), при последующем понижении наружной температуры вплоть до расчетной (для Москвы это –26 °С и температура в подающем трубопроводе равна 150 °С) и ниже, температура внутреннего воздуха в квартирах не опускалась менее допустимой, если температура теплоносителя в подающем трубопроводе теплосети сохраняется на том же уровне в 120 °С. Поэтому и поднимать температуру теплоносителя до заоблачных высот не требуется.

Это подтверждается результатами инструментальных наблюдений, выполненных автором при испытаниях пофасадной системы авторегулирования отопления в жилом 16-этажном доме на Ленинском проспекте [3], совпавшими с периодом резких похолоданий на рубеже 1978–1979 годов (см. таблицу). Температура воздуха измерялась термометрами сопротивления с записью показаний с интервалом в 2 минуты на электронный прибор.

Это были вторые по суровости морозы за последние 43 года (средняя температура наружного воздуха пятидневки достигла –27,9 °С). Как следует из таблицы, температурный график в тепловых сетях четко соблюдался до периода резких похолоданий, что обеспечивало температуру воздуха в квартирах на комфортном уровне 20–21,5 °С. При температурах наружного воздуха ниже –20 °С сначала пытались поддерживать температуру в теплосети 130–132 °С, но в самые сильные морозы она упала до 120–122 °С и на этом уровне поддерживалась в оставшийся период похолоданий. Тем не менее, температура воздуха в квартирах в конце 6-дневного периода со средней температурой –26,3 °С понизилась только до 16 °С – средняя температура воздуха по 10 квартирам с самой низкой температурой из 40 квартир. Средняя температура воздуха по 40 квартирам к концу похолодания составила 18 °С, вероятно, за счет включения в ряде квартир электронагревателей или из-за сокращения воздухообмена в квартирах до минимума.

Это объясняется относительной кратковременностью периодов резкого похолодания и тем, что температура воздуха в отапливаемых помещениях не успевает опуститься до критических значений за счет аккумулирующей способности внутренних ограждений (стен, перекрытий) и мебели, как начинает подниматься (03.01) с повышением t_н. Такие удовлетворительные результаты позволили узаконить верхнюю срезку центрального температурного графика в тепловых сетях Москвы, что подтверждается прилагаемым документом.

С переходом на верхнюю срезку температурного графика соответствующие коррективы должны быть внесены и в алгоритм, реализуемый приборами авторегулирования тепловых пунктов. В противном случае, стремясь поддерживать температурный график в местных системах отопления в зависимости от изменения наружной температуры, регулирующий клапан продолжал бы раскрываться, увеличивая расход воды из тепловой сети, на других абонентах из-за перегрузки тепловых сетей и снижения располагаемого напора расход теплоносителя наоборот стал бы сокращаться и наступил бы хаос – полная разрегулировка тепловой сети.

Поэтому в алгоритм отопительного регулятора должна быть также заложена возможность осуществления срезки температурного графика местной системы отопления. А в схему автоматического ограничения максимального расхода сетевой воды на тепловой пункт, нацеленную обычно (при изменении наружной температуры от положительных значений до отрицательных, соответствующих значению при параметре А) на сокращение подачи тепла на отопление в часы максимального водоразбора, чтобы не увеличивать расход сетевой воды выше расчетной величины, недогрев от которого компенсируется в ночные часы, следует при понижении наружной температуры ниже параметра А переставить приоритеты. При попытке увеличения расхода сетевой воды выше расчетного закрывать клапан подачи тепла не на отопление, а на вторую ступень горячего водоснабжения, вплоть до его полного закрытия (нагрев горячей воды будет осуществляться только в первой ступени), отдавая предпочтение снижению температуры воды в системе горячего водоснабжения, а не уменьшению температуры в отапливаемых помещениях.

Достижение максимальной температуры теплоносителя в тепловых сетях 120 °С при сохранении его расхода в объеме расчетного, исходя из перепада температур 150–70 °С, обеспечивает возможность с минимальными затратами выйти любой действующей тепловой сети на режим работы по температурному графику центрального качественного регулирования со срезкой.

Однако в европейских странах с развитой системой централизованного теплоснабжения наблюдается тенденция еще большего снижения температуры теплоносителя. Помимо того, что при этом увеличивается выработка электроэнергии на тепловом потреблении, вероятно, зарубежные капиталисты с большим стажем, чем у наших, видят и другие экономические преимущества. Доверимся им в этом. В нашей стране дальнейшее снижение параметров теплоносителя в тепловых сетях связано со снижением этих параметров в системах отопления. Как уже было сказано выше, это положительная тенденция, повышающая комфортные условия в отапливаемых помещениях, так как увеличенная поверхность нагрева отопительных приборов позволяет перекрыть всю длину окна и тем самым снизить воздействие отрицательной радиации на людей.

Понизить температуру теплоносителя, циркулирующего в системах отопления существующих зданий, невозможно, так как из-за снижения температурного напора отопительных приборов это приведет к недогреву помещений. Но сейчас наблюдается резкое увеличение объемов капитального ремонта зданий, в Москве, например, доходящих до объемов нового строительства. А капитальный ремонт включает в себя и утепление зданий до нормируемых по СНиП 23–02–2003 значений. Если при этом не меняется система отопления, то поверхность нагрева отопительных приборов при старых расчетных параметрах теплоносителя становится завышенной, и чтобы привести ее в соответствие с уменьшенными теплопотерями помещений, следует снизить параметры теплоносителя. Изменение температуры теплоносителя в двухтрубной и однотрубной системе отопления равномерно сказывается на уменьшении теплоотдачи отопительных приборов, независимо от того, на каком этаже они расположены.

Если система отопления при капитальном ремонте заменяется или в новом строительстве, ее следует считать сразу на сниженные параметры теплоносителя, например, на 75–55 °С, и оборудовать ее приборами автоматического регулирования, чтобы можно было в тепловых сетях с повышенными параметрами перейти на пониженные в системе отопления. Учитывая, что капитальный ремонт в жилом секторе ведется по кварталам, когда одновременно с капремонтом одних домов другие сносятся и на их месте осуществляется новое строительство, облегчению автономного перехода на сниженные параметры теплоносителя в тепловых сетях послужили бы контрольно-распределительные пункты (КРП), позволяющие секционировать разводящие к потребителям тепловые сети, обеспечивая после себя требуемые пониженные параметры (подробнее о КРП и путях модернизации системы централизованного теплоснабжения см. в [2]).

Еще один довод в обоснование снижения расчетных параметров местной системы отопления. Часто задают вопрос – если фактическая температура теплоносителя в подающем трубопроводе не поднимается выше, например 110 °С, почему в условиях присоединения к теплосети указывается все равно расчетная температура 150 °С? Объясняют это тем, что снижение расчетной температуры теплоносителя – вынужденная мера, и если вести расчет оборудования на фактическую температуру 110 °С, то расход воды из тепловой сети возрастает, как уже было отмечено, в (150 – 70) / (110 – – 70) = 2 раза, а это может повлиять на сокращение подачи тепла соседним потребителям.

Здесь может быть достигнут следующий компромисс, стимулирующий снижение расчетных параметров теплоносителя в местной системе отопления. Например, если местная система отопления рассчитана на параметры теплоносителя 70–50 °С, то при расчетной температуре теплоносителя во внешних тепловых сетях 150 °С, расчетный расход теплоносителя составил бы 1 000 / (150 – 50) = 10 т/ч на 1 Гкал/ч расхода тепла.

Но теплоснабжающая организация заинтересована в снижении температуры в обратном трубопроводе, т. к. при этом увеличивается выработка электроэнергии на тепловом потреблении. Поэтому она могла бы пойти на сохранение расчетного расхода теплоносителя у потребителя из прежнего расчета 1 000 / (150 – 70) = 12,5 т/ч на 1 Гкал/ч тепла, и тогда расчетная температура теплоносителя в подающем трубопроводе теплосети для потребителя с расчетной температурой в обратном трубопроводе системы отопления 50 °С могла бы быть 50 + 80 = 130 °С, а не 150 °С, как в технических условиях на присоединение. Это повысит качество теплоснабжения проектируемого здания без ущерба для остальных потребителей.

Литература

1. Чистович С. А. Технологические схемы систем теплофикации, тепло-снабжения и отопления // АВОК. – 2007. – № 7.

2. Ливчак В. И. Энергосбережение в системах централизованного тепло-снабжения на новом этапе развития // Энергосбережение. – 2000. – № 2.

3. Грудзинский М. М., Ливчак В. И., Поз М. Я., Староверова И. И. Оценка обеспеченности расчетных параметров при проектировании систем отопления жилых зданий в Москве // Водоснабжение и сантехника. – 1980. – № 1.