Энергоэффективные системы отопления:
тенденции, практика, проблемы

В. Л. Грановский, канд. техн. наук, заместитель технического директора ООО «Данфосс», otvet@abok.ru

Для системы водяного отопления энергоэффективный уровень теплопотребления может быть обеспечен при следующем наборе функций и возможностей:

• автоматическое поддержание температурного графика на вводе в здание;
• качественно-количественное регулирование теплоотдачи системы, включающее терморегулирование на отопительных приборах и стояках;
• автоматическое поддержание требуемого/расчетного распределения потока теплоносителя по всем участкам системы;
• индивидуальный учет тепла, мотивированный оплатой по фактическому потреблению.

По конструктивному исполнению, укрупненно, можно выделить следующие варианты энергоэффективных систем отопления:

• система с горизонтальной поквартирной разводкой трубопроводов с различными конструктивными вариантами поквартирных тепловых пунктов или распределительных щитов, включающими различные комбинации автоматики регулирования, теплообменники контуров отопления и/или ГВС и др.;
• традиционная система отопления с вертикальными внутриквартирными стояками – однотрубная и двухтрубная, комплексно оснащенная приборами автоматического регулирования и учета тепла.

Возможны и другие конструктивные варианты систем и их комбинации.

Для систем с горизонтальной разводкой потенциал энергоэффективности и набор оборудования, обеспечивающий нормативный уровень теплопотребления, очевиден и описан в работах многих специалистов.

В то же время, потенциал повышения энергоэффективности традиционных вертикальных систем отопления для многих специалистов пока не очевиден. Однако он весьма значительный, и возможность модернизации таких систем следует рассмотреть более подробно, поскольку:

• данные системы являются наиболее массовыми в применении, особенно в существующем жилом фонде;
• радикальная конструктивная трансформация таких систем в горизонтальные в ходе модернизации слишком затратна.

Набор рекомендуемых ниже мероприятий позволяет довести уровень теплопотребления традиционных вертикальных систем отопления, практически, до нормативного по самому высокому классу энергоэффективности.

Модернизация узла ввода теплоносителя в здание

Важнейшим элементом системы отопления любого конструктивного исполнения является узел ввода теплоносителя в здание. Наиболее энергоэффективными решениями являются автоматизированный узел управления – АУУ (вариант зависимой схемы присоединения системы отопления) или индивидуальный тепловой пункт – ИТП (вариант независимой схемы присоединения с теплообменниками контура отопления и ГВС). В этих устройствах обеспечивается соблюдение температурного графика, адекватного температуре наружного воздуха и текущему теплопотреблению здания, а также надежная насосная циркуляция теплоносителя в системе отопления.

Экономический эффект от применения указанных устройств составляет от 10 до 30%, в зависимости от соответствия состояния здания проектным решениям и условий его эксплуатации.

Известен ряд альтернативных АУУ технических решений узла ввода, таких как:

• узел смешения теплоносителя с элеваторами с постоянным или изменяющимся коэффициентом смешения;
• узел без смешения теплоносителя; применяется при подаче в здание теплоносителя с температурой, равной расчетной температуре в системе отопления.

На наш взгляд, применение этих устройств и технических решений в энергоэффективных системах отопление неприемлемо. Техническая аргументация, квалифицированно обосновывающая неадекватность таких решений для современных систем отопления давно известна. Однако, по разным причинам, критика не всегда принимается во внимание.

Разовое применение таких решений приводит к возникновению проблем в единичном здании. Однако, когда допущение о применении элеватора включается в нормативы, в частности, в актуализированный СНиП ОВК, как это сделано сейчас, – это уже более серьезная ошибка, которая приведет к массовым превышениям нормируемого уровня энергоэффективности во вновь возводимых и модернизируемых зданиях.

В подтверждении этого можно сослаться на работу коллег из ВТИ [1], в которой рассмотрен ряд возможных схем автоматизированных элеваторных узлов смешения. В работе детально проанализированы основные недостатки каждой из схем. Общим является то обстоятельство, что для обеспечения адекватной работоспособности таких устройств необходимо поддержание в системе отопления постоянного и малого по своей величине гидравлического сопротивления. Однако эти требования практически невыполнимы при наличии в системе отопления терморегуляторов и другой арматуры автоматического регулирования.

Отметим также негативную эксплуатационную практику применения таких элеваторов.

С учетом сказанного, считаем актуальным просить авторов проекта актуализированной версии СНиП ОВК исключить рекомендацию по применению элеваторных узлов в системах отопления зданий как противоречащую требованию по обеспечению нормативного энергоэффективного уровня теплопотребления.

Поддержание расчетного распределения потока теплоносителя

Данное мероприятие позволяет исключить перетопы или дефицит тепла на отдельных стояках традиционных вертикальных систем отопления. Такая возможность обеспечивается установкой на стояках автоматических балансировочных клапанов, поддерживающих постоянство перепада давления в стояках двухтрубных систем или постоянство расхода в стояках однотрубных систем отопления.

Для вертикальных двухтрубных систем отопления это мероприятие не вызывает вопросов у специалистов, однако относительно однотрубной системы ряд экспертов высказывают сомнения в его актуальности.

Эти сомнения базируются на следующем:

• значительное количество вертикальных однотрубных систем, особенно в типовом домостроении, рассчитано по методу переменных (скользящих) перепадов температур, что теоретически должно обеспечивать гидравлическую сбалансированность стояков;
• в однотрубных системах отопления даже при срабатывании термостатов поддерживается постоянный расход теплоносителя, то есть автоматизированный контроль и регулировка стояков не требуются.

По каждому из этих утверждений есть достаточно простая контраргументация. В частности, по методу расчета: известны расчетные ограничения этого метода, не позволяющие достаточно точно сбалансировать стояки [2]. Также не корректно утверждение о постоянстве расхода при коэффициенте затекания порядка 0,25 и при изменении расхода теплоносителя, связанного с изменением гравитационного давления в стояках. Все это достаточно легко показать в цифрах.

Однако все эти расчетные эффекты перекрываются влиянием ошибок и допущений, вносимых в систему отопления в массовом порядке при ее проектировании и монтаже, а также изменениями в конструкции системы, вносимыми жильцами в пределах квартиры.

Результаты обследования типовых секционных зданий показали разброс расхода теплоносителя на контрольных стояках в пределах ±30% относительно проектных значений. После установки балансировочных клапанов и их настройки на проектные значения дисбаланс не превышал ±3%.

В результате теплопотребление зданий снизилось на 7–12% за счет сокращения необоснованного проветривания в помещениях на «перегретых» стояках и снижения настроек автоматики узла ввода, защищающих отстающие стояки (рис. 1).

Рисунок 2. Энергоэффективность автоматической балансировки стояков

Терморегулирование стояков как средство качественного регулирования теплоотдачи

Следующий шаг в повышении энергоэффективности традиционной однотрубной системы отопления – обеспечить количественное регулирование теплоотдачи системы не только на уровне отопительных приборов, посредством термостатов, но и на стояках, посредством установки терморегуляторов в корне стояков, совместив их конструктивно с балансировочными клапанами. Принцип регулирования температуры стояка представлен на рис. 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема функционирования стояков

Эффект обеспечивается путем сокращения расхода теплоносителя через конкретный стояк, температура теплоносителя в котором повышается в результате закрытия термостатов при избытке тепла в отдельных помещениях.

Результаты функционирования терморегулятора на одном из контрольных стояков представлены на рис. 3. Из графиков видно сокращение расхода теплоносителя в стояке как следствие повышения в нем температуры теплоносителя в результате закрытия термостатов на отдельных отопительных приборах. При этом температура воздуха в контрольном помещении не изменяется.

Рисунок 3 (подробнее) Результаты функционирования терморегулятора на контрольном стояке

Значения настройки данных устройств определяются в ходе обследования здания и выявления потенциала теплоизбытков. Наиболее эффективны «постоячные» терморегуляторы с электроприводом и системой автоматического контроля температуры теплоносителя в стояках.

Экономический эффект от применения терморегулирования стояков зависит от величины не учтенных в проекте избыточных теплопоступлений в здание, в том числе от избыточной поверхности нагрева отопительных приборов. По результатам обследования экспериментальных зданий эффект составил от 8 до 12% в зависимости от состояния здания.

Энергоэффективность отопительных приборов

Отопительные приборы во многом определяют энергоэффективность системы отопления. Выбор типа отопительного прибора не однозначен и требует анализа большого количества его свойств и особенностей. Для облегчения выбора, адекватного задаче энергоэффективности системы в целом, представляется целесообразным введение системы оценки классов энергоэффективности отопительных приборов, по аналогии с классификацией зданий.

Ниже, в порядке дискуссии, представлена идеология одного из возможных вариантов системы оценки класса энергоэффективности отопительных приборов. Система предполагает балльную оценку качества отопительных приборов по ряду показателей. Показатели могут быть представлены в виде количественной оценки – кВт,%, час и т.п., либо в виде качественной оценки – много, мало, высокий, низкий и т.п. Каждому классу энергоэффективности соответствует сумма баллов, набранная в результате экспертной оценки отопительного прибора по каждому из показателей. Ниже представлен пример такой системы оценки для определенных типов приборов.

Для представленных в табл. 1 показателей принимаем следующую классификацию энергоэффективности отопительных приборов по сумме баллов:

• класс А – 25–30 баллов;
• класс В – 18–24 балла;
• класс С – 12–17 баллов.

В качестве примера рассмотрим стальной пластинчатый конвектор типа КСК.

Пример 1

Оснащение конвектора:

• автоматический терморегулятор на входе теплоносителя;
• «термотормоз» отсутствует;
• замыкающий участок отсутствует.
• Сумма баллов – 25 (см. черные кресты в таблице).

Класс энергоэффективности – А.

Пример 2

Оснащение конвектора:

• автоматический терморегулятор на калаче;
• «термотормоз» на обратной подводке;
• замыкающий участок установлен.
• Сумма баллов – 22 (см. красные кресты в таблице).

Класс энергоэффективности – В.

Индивидуальный (поквартирный) учет тепла

Индивидуальный (поквартирный) учет тепла с оплатой по фактическому его потреблению является важнейшим фактором, мотивирующим жильцов к энергосбережению. Без этого мероприятия система энергосберегающих мероприятий остается «разомкнутой», базирующейся только на административных рычагах.

Известны следующие основные типы систем индивидуального учета тепла, применяемых для традиционных вертикальных однотрубных систем отопления:

• Система с аллокаторами (heat cost allocator – распределитель стоимости потребленной теплоты) на каждом отопительном приборе, регистрирующая разницу температур (∆t_алл) между поверхностью отопительного прибора и воздухом помещения. Расход теплоносителя регистрируется на домовом счетчике и участвует только в расчете подомового теплопотребления.
• Система с датчиками температур теплоносителя, установленными в стояке на каждом этаже, регистрирующая разницу температур (∆t_эт) теплоносителя в стояке в пределах каждого этажа. Расход теплоносителя регистрируется на каждом стояке и в подомовом теплосчетчике.

Для вертикальных двухтрубных систем отопления применяется только система с аллокаторами.

Обе указанные выше системы распределительные, принципы их работы достаточно подробно описаны в литературе. В данной статье рассматривается только один аспект – точность расчета теплопотребления. Эта информация должна позволить проектировщику сделать выбор между системами, адекватный задачам энергосбережения и защиты прав жильца на справедливую оплату за потребленное тепло.

В табл. 2 представлены диапазоны изменения перепадов температур ∆t_алл и ∆t_эт и соответствующие им погрешности вычислений σ_t в рассматриваемых системах индивидуального учета в зависимости от этажности здания и температуры теплоносителя в течение отопительного сезона.

При этом погрешность определения ∆t_эт рассчитана с учетом погрешности измерения датчика температур ∆t_дат = 0,05 °C.

В ходе эксплуатации системы, в силу ряда причин, возможно снижение точности измерения датчика. Для иллюстрации в табл. 2 в скобках представлены данные, рассчитанные для ∆t_дат = 0,1 °C для варианта с наибольшей погрешностью.

Как видно из таблицы, ∆t_алл >> ∆t_эт, при этом абсолютные значения ∆t_эт весьма малы. Оба эти обстоятельства существенно влияют на точность начисления платежей. Так, при среднем ежемесячном начислении за потребленное тепло, например 2000 руб., необоснованная переплата или недоплата отдельных жильцов может составить:

• 450–550 руб./месяц для системы с датчиками на стояках при ∆t_дат = 0,05 °C;
• 650–1 050 руб./месяц для системы с датчиками на стояках при ∆t_дат = 0,1 °C;
• 60–100 рублей в месяц для системы учета с аллокаторами.

Как видно из примера погрешность начисления платежей для системы с датчиками на стояках в несколько раз превышает погрешность системы с аллокаторами.

Очевидно, что ошибка начислений возможна в обе стороны: как в пользу жильца, так и в пользу поставщика ресурсов. В обоих случаях невозможно свести баланс по показаниям поквартирных и подомового счетчика, а также исключить жалобы со стороны жильцов или поставщика тепла, вплоть до судебных разбирательств.

В любом случае, при коммерческом расчете за тепло к применению следует рекомендовать систему индивидуального учета с наименьшей возможной погрешностью.

Заключение

1. Рассмотренные мероприятия по модернизации существующих вертикальных однотрубных и двухтрубных систем отопления показывают, что для существенного повышения их энергоэффективности нет необходимости производить радикальную реконструкцию традиционных систем, достаточно дооснастить их соответствующим оборудованием.
2. Для обеспечения заданного класса энергоэффективности в процессе проектирования нового здания или модернизации существующего здания целесообразно разработать рекомендации по оптимальному выбору основных элементов здания, вплоть до разработки для некоторых из них специальных систем классификации, аналогичных общей системе классификации зданий.

Литература

1. Байбаков С.А., Филатов К.В. О возможности регулирования элеваторных узлов систем отопления // Новости теплоснабжения.– 2010.– № 7.
2. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление.М. : Стройиздат, 1991.
3. Стандарт АВОК «Распределители стоимости потребленной теплоты от комнатных отопительных приборов». СТО НП «АВОК» 4.3–2007 (EN 834:1994).