Сбалансированность энергетических параметров зданий в городской системе теплоснабжения

Е. Г. Гашо, канд. техн. наук, доцент НИУ МЭИ

А. А. Гилев, инженер

 

Теплоснабжение мегаполисов

Городская система теплоснабжения мегаполиса – это, как правило, весьма распределенная, инерционная система с большим количеством источников тепла и потребителей, сложными гидравлическими режимами, взаимовлиянием разных элементов системы друг на друга. Влияет все: климат и размер города, режимы подачи и качество воды, рельеф города, число котельных и состояние сетей, тарифы и потребительское поведение.

Кроме того, в отличие от двух–трех вариантов схем подключения городских объектов к электрическим сетям, присоединение зданий к тепловым сетям возможно по двум десяткам разных схем, отличающихся по соотношению и способам регулирования тепловых нагрузок отопления, вентиляции, горячего водоснабжения. Общее устройство отопительных инженерных систем зданий тоже весьма существенно различается (по количеству стояков, верхней или нижней раздаче теплоносителя), наличию балансировочных устройств, систем дополнительного пофасадного или иного регулирования.

Отопительная характеристика зданий

Количественной характеристикой интенсивности теплоотдачи (диссипации) здания в окружающую среду принято считать удельную отопительную характеристику, отражающую удельные потери тепла с единицы объема при перепаде температур внутри и снаружи здания в 1 °C. Нам представляется, что теплотехнически более точно было бы назвать этот параметр удельной диссипативной (или некой «теплопотерьной») характеристикой, поскольку она характеризует именно диссипативные свойства здания в процессах тепловой релаксации с окружающей средой.

Что же физически более правильно считать отопительной характеристикой? Полагаем, что это величина удельной генерации тепловой энергии отопительной системой здания, также отнесенная к единице объема и перепаду температур между помещениями и окружающей средой в 1 °C. Очевидно, что в идеале эти величины должны совпадать, обеспечивая тем самым полное покрытие тепловых потерь зданием и, соответственно, комфортные условия для проживания или другой жизнедеятельности.

Энергетическое исследование зданий

Тем не менее более десятилетия назад нами были выявлены значительные и разнородные дисбалансы в поставках тепла в здания, обусловленные разными причинами. Опыт работы в Центральном административном округе (ЦАО) Москвы в 2001–2006 годах показывал существенные расхождения между расчетными (договорными) и фактическими поставками тепловой энергии потребителям, наличие значительных перепоставок – перерасходов в подаче тепла (перетопов). Подобные дисбалансы наблюдали и многие другие специалисты при энергетических обследованиях зданий, массовой установке приборов учета тепла в разных городах страны, разработке схем теплоснабжения городских поселений. Были получены обобщенные значения удельного потребления тепла жилыми зданиями, убедительно доказано, что оно превышает «передовые западные показатели» ориентировочно на 35–55 %, а не в разы.

Эти результаты были учтены в программах энергосбережения ряда городов, при проведении капитальных ремонтов жилого фонда и бюджетной сферы, наконец, при разработке генеральных схем теплоснабжения. В числе важнейших причин ситуации назывались нестабильные гидравлические режимы, разрегулированность инженерных систем в зданиях или в контуре ЦТП, зашламованность трубопроводов, несоблюдение температурного графика тепловой сети.

Что изменилось за эти годы? Анализ показаний большого массива приборов учета тепловой энергии за последние три года в Москве продемонстрировал те же существенные расхождения фактических и расчетных нагрузок, реального и договорного потребления тепловой энергии зданиями.

Анализ данных с приборов учета тепловой энергии

По результатам анализа данных всех приборов учета тепла, установленных в домах разных серий (рис. 1), стало очевидно, что показания приборов учета фиксируют удельные значения расходов тепла на отопление в диапазоне 0,08–0,33 Гкал/м², в среднем около 0,226 Гкал/м². При этом среднее значение теплопотребления всех зданий города (по данным энергобаланса) составляет около 0,14–0,15 Гкал/м². Более того, примерно такая же цифра удельного потребления тепла (0,135 Гкал/м²) получается, если учесть в анализе только работоспособные и исправные приборы учета тепловой энергии. Следует отметить, что около 950 счетчиков тепла в зданиях (31 %) неработоспособны и требуют ремонта и/или поверки, что заставляет более внимательно относиться к их показаниям.

Рисунок 1. Показатели удельного потребления тепла на отопление зданий разных серий

При этом всего около 1 000 зданий (33 %) потребляют тепловую энергию в соответствии с расчетными значениями (или несколько ниже), свыше 1 050 зданий (35 %) согласно приборам учета потребляют тепла значительно больше расчетных значений (табл. 1). Усредненная величина перепоставок тепловой энергии зданиям составляет от 122 до 138 %, при этом количество зданий с зафиксированными приборами перетопами колеблется в зависимости от месяца в пределах 12–25 % (табл. 1). Количество зданий с «перебором» тепловой энергии максимально в октябре и марте–апреле, минимально в декабре–январе.

Таблица 1. Динамика текущих параметров исследуемых зданий

Параметры 2013 год 2014 год октябрь ноябрь декабрь январь февраль март апрель Средняя температура наружного воздуха за месяц, °С, 0С 6,7 3,8 -1,9 -8,4 -2,1 3 7,4 Количество строений с превышением расчетной нагрузки, шт. Средний процент превышений, % 1128 127,00 1212 127,80 1155 125,70 1113 121,70 1197 125,80 1268 127,60 1446 137,20 Количество строений с зафиксированным перетопом по температуре Т3, шт. Процент от общего количества, % 651 57,70 544 44,80 533 46,10 418 37,50 549 45,90 578 45,60 715 49,40 Количество строений с зафиксированным несоответствием по температуре Т4, шт. Процент от общего количества, % 237 21 292 24 167 14,40 262 23,5 258 21,50 327 25,70 172 11,90 Запитано от ЦТП/ ИТП 1103/25 1188/24 1133/22 1088/25 1173/24 1241/27 1421/25 Количество зданий с выявленными значениями удельных отопительных характеристик строений менее 0,2 Вт/м3·град 339 2 119 10 11 2 203 0,2 - 0,5 Вт/м3·град 428 207 390 364 267 263 331 более 0,5 Вт/м3·град 361 1003 646 739 919 1003 912

Мониторинг параметров теплоносителя в течение всего отопительного сезона позволяет выявить отклонения температурных параметров как прямой, так и обратной сетевой воды, питающей здания тепловой энергией. Основными причинами «переборов» тепла зданиями в значительной степени является разрегулированность домовых инженерных систем (≈24 %) и гидравлики в контуре ЦТП (≈55 %).

Безусловно, в каждом конкретном случае причины могут существенно различаться: разрегулированность внутреннего контура ЦТП, несоответствие мощностей подающих насосов, забитость инженерных систем зданий, плохая настройка элеваторов или других регулирующих устройств в зданиях. Кроме того, здания могут быть присоединены к тепловой сети по зависимым или независимым схемам.

Результаты капитального ремонта зданий

По итогам капитального ремонта (который был проведен почти в каждом четвертом здании одного из административных округов Москвы) далеко не всегда были снижены тепловые нагрузки и фактическое теплопотребление. Да и новые здания разных серий, которые, по заверениям строителей, имеют необходимые параметры тепловой защиты (больше 3,13 °C•м²/Вт), на деле потребляют энергии на 25–30 % больше. Это соответствует существенно меньшим параметрам приведенного сопротивления теплопередаче ограждений (0,9–1,3 °C•м²/Вт).

В среднем превышение договорных нагрузок в зависимости от периода (месяц) составляет 36,7–47,6 % от общего количества жилых домов, участвовавших в анализе. Значит, около трети домов округа потребляет тепловой энергии больше максимально возможных значений. Усредненная величина превышения фактического потребления над расчетным колеблется от 121,7 до 137,2 % (табл. 1). Количество домов с превышением (рис. 2) прямо пропорционально изменению температуры наружного воздуха, т. е. чем теплее, тем больше количество превышений.

Усредненный процент зафиксированного перетопа по температуре теплоносителя (воды) в подающем трубопроводе Т3 от температурного графика колеблется от 37,5 до 57,7 % от общего количества домов с превышением договорных нагрузок и зависит от температуры наружного воздуха. Усредненный процент домов с отклонением температуры воды в обратном трубопроводе Т4 от температурного графика колеблется от 11,9 до 25,7 %. Получается, что примерно пятая часть домов с превышением договорных нагрузок и соответствием по температуре Т3 не соблюдает температурный (а возможно, и гидравлический) режим. Подавляющее большинство зданий с превышением расчетных нагрузок запитано от ЦТП, лишь в 2 % от ИТП (табл. 1). Усредненный год постройки домов с превышением договорных нагрузок – 1970 год.

Анализ системы теплоснабжения

С чем еще может быть связано такое значительное проявление дисбалансов (перепоставок) тепла в городском поселении? Представляется, что частично ответ на этот вопрос может дать анализ работы системы теплоснабжения, ее режимов, особенностей энергоисточников.

Жилой фонд выбранного для анализа административного округа Москвы (с общей численностью свыше полутора миллионов жителей) снабжается теплом по большей части от крупных ТЭЦ (около 60 %), с соответствующим температурным графиком 150/70 °C.

Если перепоставки тепла первого типа, выявленные полтора десятилетия назад, были в основном связаны с приличными теплотехническими характеристиками зданий (постройки начала прошлого века с R = ~1 °C•м²/Вт), то перепоставки тепла в зданиях в основном 1970-х годов постройки – прямое следствие неработоспособности систем регулирования, изношенного состояния инженерных систем зданий и повышенного температурного графика теплосети непосредственно от городских ТЭЦ.

Для более точного анализа по данным параметров учета тепла и ретроспективным температурам наружного воздуха зимой были выявлены именно теплогенерационные параметры зданий, которые мы по традиции называем удельными отопительными характеристиками с размерностью Вт/(м³•°C).

Динамика удельных теплопритоков в зданиях

Рассмотрим примерное изменение количества зданий с различным превышением удельных показателей генерации тепла инженерными системами (удельная отопительная характеристика значительного количества зданий с «перебором» тепла составляет 0,5–0,6 Вт/(м³•°C) в течение отопительного сезона 2013–2014 годов (рис. 2). На рисунке четко видна динамика удельных теплопритоков, которая переходит в разное количество перетапливаемых зданий в течение отопительного сезона. Число зданий с весьма значительными перепоставками тепла свыше 0,5–0,6 Вт/(м³•°C) при включении отопления достигает тысячи (практически треть жилого фонда ЦАО) и снижается примерно до 600 в холодное время года (20 % всех зданий). 524 здания показывают существенные изменения теплового режима в течение всего отопительного периода. В основном к ним относятся здания 1966–1978 годов постройки. Практически все эти здания запитаны от ЦТП.

Рисунок 2. Динамика количества зданий с разными показателями удельной поставки в течение отопительного периода 2013/2014 годов

Полученные данные по выявлению удельных отопительных характеристик свидетельствуют не столько о низких параметрах тепловой защиты здания (то есть их диссипативных параметрах) в рассматриваемом периоде, сколько именно о несоответствии режимов поставки тепла в здания расчетным теплопотерям.

Среднее значение удельной отопительной характеристики за весь период составляет гигантскую величину 0,54 Вт/(м³•°C). Зависимость удельной отопительной характеристики от объема зданий свидетельствует о том, что здания с меньшим объемом имеют характеристику более 0,5 Вт/(м³•°C). Усредненное количество жилых домов с удельной отопительной характеристикой менее 0,2 Вт/(м³•°C) составляет всего 8 % от общего количества.

Перепоставки тепла в новых домах

Но самой большой неожиданностью при анализе показаний приборов учета явились достаточно массовые перепоставки тепла (т. е. расхождения между расчетными нагрузками и фактическими значениями приборов учета) домов новых серий: П-44-М, П-111, П-44-К, КОПЭ. Безусловно, эти расхождения несколько ниже, чем у домов 1970-х годов постройки, тем не менее статистически весьма значимы. Все эти здания имеют проектные значения теплозащиты около 3 °C•м²/Вт и присоединены к тепловой сети через современные и, как правило, функционирующие тепловые пункты (ИТП).

Из сопоставления удельных затрат тепла на отопление (табл. 2) логично предположить, что здания могут иметь более низкие показатели теплозащиты 1,4–1,7 °C•м²/Вт, чем проектные. При этом ИТП подает в здание количество тепла, расчитанное исходя из проектных значений, а на самом деле зданию его требуется больше. В зависимости от фактических ГСОП удельный расход тепла на отопление при R = 3,13 °C•м²/Вт должен составить 0,06–0,07 Гкал/м².

Таблица 2. Параметры потребления тепла на отопление новых зданий Москвы в 2013-2014 годах

Cерия дома (толщина перекрытий, см) Отапливаемая площадь, м2 Суммарный расход тепла, Гкал/год Удельный расход тепла, Гкал/м2 П 44-М (28 см) 14 834 2 176 0,147 13 321 1 843 0,138 9 870 1 427 0,145 13 104 1 966 0,150 14 067 1 861 0,132 П 111 (35 см) 8 998 1 281 0,142 22 799 2 539 0,111 22 601 3 038 0,134 22 282 3 042 0,137 П 44 К (30 см) 18 210 2 717 0,149 18 840 2 525 0,134 26 065 2 637 0,101 11 157 3 727 0,334 11 157 2 581 0,231 24 694 1 546 0,063 24 840 3 276 0,132 КОПЭ (35 см) 28 819 4 567 0,158 41 104 4 763 0,116 36 216 1 102 0,030 10 176 995 0,098 36 311 5 122 0,141 9 480 1 089 0,115 438 945 55 820 0,127

 

К сожалению, корреляции между существенным снижением удельных расходов тепла на отопление у новых зданий с повышенной теплозащитой не выявлено, есть некоторое снижение в пределах 10–15 %, причем не у всех новых зданий.

Литература

1. Бодров В.И., Федорова Г.В. Энергоэффективность систем обеспечения параметров микроклимата.// СОК. 2015. №6. С.22-27.
2. Васильев Г.П., Попов М.И. Эффективность использования первичной энергии при энергоснабжении жилого фонда Москвы. // Энергия: Экономика. Техника. Экология. - 2012. № 1. С. 15-22
3. Гагарин В.Г. Чжоу Чжибо О нормировании тепловой защиты в Китае.// Жилищное строительство. 2015. № 6. С.18-22.
4. Гашо Е.Г. Рогалев Н.Д. Энергопотребление мегаполиса: О некоторых результатах комплексного подхода к рационализации энергопотребления коммунального хозяйства мегаполиса// АВОК. 2005. №3. С.80-85.
5. Гашо Е.Г., Тихоненко Ю.Ф. Энергосбережение в Москве: от концепции к городской целевой программе.// Энергосбережение. 2008. № 8, С.2-10.
6. Гашо Е.Г., Пузаков В.С., Степанова В.С. Резервы и приоритеты теплоэнергоснабжения российских городов. Доклад на 159 заседании семинара «Анализ и прогноз развития отраслей топливно-энергетического комплекса». – М.: Издательство ИНП РАН, 2015 г.
7. Гринфельд Г.И. Диалектика нормативных требований к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций // Жилищное строительство. 2012. № 1. С 22–24

¹ Проблеме перерасхода тепловой энергии на отопление в зданиях с повышенными параметрами тепловой защиты посвящен ряд публикаций В. И. Ливчака, см., например, статью «Последовательность в исполнении требований повышения энергоэффективности многоквартирных домов» в журнале «Энергосбережение», №6, 2010.