Энергоэффективные и энергосберегающие технологии в системе теплоснабжения жилого района Куркино г. Москвы

А. Я. Шарипов, канд. техн. наук, директор ФГУП «СантехНИИпроект»

Три года тому назад идея была воспринята неоднозначно, было много споров и дискуссий, хотя они не закончились и по сей день. Тем не менее, благодаря пониманию со стороны генерального директора Управления экспериментальной застройки г. Москвы В. М. Силина, начальника Управления топливно-энергетического хозяйства г. Москвы М. А. Лапира, Первого заместителя председателя Москомархитектуры Ю. В. Гольдфайна концепция была поддержана Правительством Москвы. Идея воплотилась в реальный проект автономного теплоснабжения экспериментального жилого района Куркино, разрабатываемый институтом и реализуемый в настоящее время в строящихся там микрорайонах.

Что из себя представляет экспериментальный жилой район Куркино? Это район массовой жилой застройки в одном из живописных мест ближнего Подмосковья площадью 800 гектаров, в 18 микрорайонах которого должно быть построено 920 тыс. м² жилья и около 450 тыс. м² объектов соцкультбыта. Часть микрорайонов в основном застраивается многоэтажными жилыми домами, в другой части идет сочетание многоэтажной и коттеджной застройки. Район был оторван от инженерной инфраструктуры города. Суммарная расчетная тепловая нагрузка Куркино составила 142,2 МВт.

Сегодняшнее состояние и дальнейшее развитие централизованного теплоснабжения, занимающего одно из главных мест в инфраструктуре и жизнеобеспечении городского хозяйства, с каждым годом будет требовать все больше и больше капитальных затрат.

Затраты на тепло – в силу климатических условий России – являются основными в бюджете государства, регионов и населения и, как показывают события в Приморье, являются причиной социальной и политической нестабильности.

Рисунок 1. Централизованная система потери на источнике (КПД и регулирование)   потери в тепловых сетях   потери распределения (ЦТП и ИТП регулирование)   сверхнормативные потери через ограждающие конструкции   потери, связанные с несовершенством внутренних инженерных систем использованное тепло на отопление и ГВС

Расчеты (рис. 1) свидетельствуют о том, что тепло полезно используется только на 30% (с учетом ненормативных потерь тепла в существующем жилом доме через ограждающие конструкции, потерь, связанных с несовершенством внутренних инженерных систем), т. е. коэффициент энергетической эффективности существующей централизованной системы (речь идет только о раздельной выработке тепла) не превышает 0,3. Потенциальная возможность повышения коэффициента энергетической эффективности такой системы даже при принятии весьма дорогостоящих мер (при переходе на количественно-качественное регулирование, полном устранении ненормативных потерь через ограждающие конструкции и др.) не превышает величины 0,5–0,55 по отношению к «полезно» использованному теплу.

Существующие расчетные методы определения затрат на оплату тепловой энергии на отопление и ГВС не учитывают энергетическую эффективность технологии и дают возможность возложить оплату нерациональных потерь и приращение тарифов на плечи потребителей и бюджета.

Действующие экономический, правовой, технический механизмы объективно не способствуют заинтересованности производителя, продавца и потребителя в реализации и принятии мер по энергосбережению. Первым это не выгодно, последний не имеет рычагов влияния.

Таким образом, эта отрасль жилищно-коммунальных услуг представляет собой «черную дыру», поглощающую не только энергосистемы, но и деньги бюджета и населения.

Жилье, подключаемое к такой системе теплоснабжения, теряет свою коммерческую привлекательность.

Рисунок 2. (подробнее) Комплексная автоматизированная система управления теплоснабжением жилого района при количественно-качественном регулировании

Альтернативой может стать автономное теплоснабжение, в котором можно использовать новые технические и технологические решения, позволяющие полностью устранить или значительно сократить все непроизводительные потери в цепи выработки, транспортировки, распределения и потребления тепла: и не просто путем строительства мини-котельной, а возможностью использования новых энергосберегающих и эффективных технологий, таких как:

• переход на принципиально новую систему количественного регулирования выработки и отпуска тепла на источнике;
• эффективное использование частотно-регулируемого электропривода на всех насосных агрегатах;
• сокращение протяженности циркуляционных тепловых сетей и уменьшение их диаметра;
• отказ от строительства центральных тепловых пунктов;
• переход на принципиально новую схему индивидуальных тепловых пунктов с количественно-качественным регулированием в зависимости от текущей температуры наружного воздуха с помощью многоскоростных смесительных насосов и трехходовых кранов регуляторов;
• установка «плавающего» гидравлического режима тепловой сети и полный отказ от гидравлической увязки подсоединенных к сети потребителей;
• установка регулирующих термостатов на отопительных приборах квартир;
• поквартирная разводка систем отопления с установкой индивидуальных счетчиков потребления тепла;
• автоматическое поддержание постоянного давления на водоразборных устройствах горячего водоснабжения у потребителей.

Реализация указанных технологий позволяет в первую очередь минимизировать все потери и создает условия совпадения по времени режимов количества выработанного и потребленного тепла.

При этом количество потребляемого тепла определяется текущей температурой наружного воздуха без «перетопов» и «недотопов» в зависимости от теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций зданий. Любое изменение нагрузок моментально определяется при постоянной температуре сетевой воды ее количеством и изменением гидравлического режима сети, улавливаемого датчиком Р/Q.

Рисунок 3. (подробнее) Температурный (слева) и пьезометрический графики (справа) температура первичного теплоносителя   температурный график отопления   температурный график горячего водоснабжения

Повышается надежность и комфортность обеспечения теплом потребителей.

Принципиальные схемы источника тепла и индивидуальных тепловых пунктов с использованием энергосберегающих технологий представлены на рис. 2, температурный и пьезометрический графики – на рис. 3. Принципиальная схема количественного регулирования с помощью регулятора Р/Q представлена на рис. 4. Результаты расчета экономического эффекта по расходу электрической энергии на примере микрорайона 7А Куркино представлены на рис. 5.

Рисунок 4. Вид регулирования .P/Q: регулирование перепада давления в функции расхода (измерение расхода с помощью расходомера)   Краткое описание принципа управления Каждому значению расхода соответствует определенное значение перепада давления. С помощью программы таймера может устанавливаться до 3 (также в локальном режиме) программируемых характеристик насосов, соответственно от 1 до 4, и выполняться необходимое подрегулирование в соответствии с индивидуальными характеристиками насосной станции. Каждая характеристика насоса составляется по программируемым опорным точкам, число которых может достигать 8 (например, от a до h, график характеристики 3).

 

Рисунок 5. График годового расхода электроэнергии: котельная - ИТП график расхода электроэнергии циркуляционными насосами котельной при поддержании постоянного DP   график расхода электроэнергии циркуляционными насосами котельной при поддержании DP/Q   суммарный график расхода электроэнергии циркуляционными насосами на системы ГВС в ИТП корпусов   суммарный график расхода электроэнергии циркуляционными насосами ИТП независимой системы отопления корпусов   суммарный график расхода электроэнергии при работе всех насосов котельной и ИТП при поддержании DP/Q

Из расчетов видно, что суммарный годовой расход электрической энергии на транспортировку и распределение теплоснабжения при принятой технологии сокращается более чем в 2 раза.

Таким образом, анализ составляющих потерь при автономном теплоснабжении позволяет:

- для существующего жилого фонда повысить коэффициент энергетической эффективности теплоснабжения до 0,67 против 0,3 при централизованном теплоснабжении;

- для нового строительства только за счет увеличения термического сопротивления ограждающих конструкций повысить коэффициент энергетической эффективности теплоснабжения до 0,77 против 0,45 при централизованном теплоснабжении;

- при использовании всего комплекса энергосберегающих технологий повысить коэффициент до 0,85 против 0,66 при централизованном теплоснабжении.

Если проследить всю цепь: источник-транспорт-распределение-потребитель, то можно отметить следующее:

1. Источник тепла – значительно сокращается отвод земельного участка, удешевляется строительная часть (под оборудование не требуется фундаментов). Установленную мощность источника можно выбрать почти равной потребляемой, при этом предоставляется возможность не учитывать нагрузку горячего водоснабжения, так как в часы максимум она компенсируется аккумулирующей способностью здания потребителя. Сегодня это резерв. Упрощается и удешевляется схема регулирования. Исключаются потери тепла за счет несовпадения режимов выработки и потребления, соответствие которых устанавливается автоматически. Практически, остаются только потери, связанные с КПД котлоагрегата. Таким образом, на источнике имеется возможность сократить потери более чем в 3 раза.

2. Тепловые сети – сокращается протяженность, уменьшаются диаметры, сеть становится более ремонтопригодной. Постоянный температурный режим повышает коррозионную устойчивость материала труб. Уменьшается количество циркуляционной воды, ее потери с утечками. Отпадает необходимость сооружения сложной схемы водоподготовки. Отпадает необходимость поддержания гарантированного перепада давления перед вводом потребителя, и в связи с этим не нужно принимать меры по гидравлической увязке тепловой сети, так как эти параметры устанавливаются автоматически. Специалисты представляют, какая это сложная проблема – ежегодно производить гидравлический расчет и выполнять работы по гидравлической увязке разветвленной тепловой сети. Таким образом, потери в тепловых сетях снижаются почти на порядок, а в случае устройства крышной котельной для одного потребителя этих потерь вообще нет.

3. Распределительные системы ЦТП и ИТП. Необходимость в ЦТП отпадает, и отсутствуют потери, связанные с ним. Схема индивидуального теплового пункта с количественно-качественным регулированием, многоскоростным смесительным насосом в контуре отопления как при зависимом, так и независимом присоединении, а также с многоскоростным циркуляционным насосом по греющей среде в контуре горячего водоснабжения, делает его независимым от гидравлического режима тепловой сети. Кроме того, ИТП автоматически устанавливает свой гидравлический режим во внутренних системах потребителя и автоматический тепловой режим по погодному регулятору, забирая из сети ровно столько тепла, сколько в текущий момент необходимо потребителю, совершенно не влияет и не зависит от условий работы соседних потребителей.

Автоматически устанавливаются режимы ночного и дневного времени. Потери сокращаются в 5–6 раз.

4. Внутренние системы потребления, существующие или проектируемые по традиционным технологиям, должны оснащаться регуляторами циркуляции на стояках и термостатами на отопительных приборах.

Новые системы должны быть с поквартирной разводкой системы отопления и установкой на вводах регулятора потребления тепла по датчику температуры внутри помещения и счетчиком потребления тепла.

К сожалению, не все энергосберегающие технологии по системам распределения (ИТП) и по внутренним системам потребления удалось реализовать в Куркино, основная причина этого – отсутствие нормативных требований, запрещающих использование традиционных неэффективных технических решений.

Использование в проекте теплоснабжения экспериментального жилого района Куркино энергосберегающих технологий и эффективных технических решений позволило:

1. Снизить:

- суммарную установленную мощность источников тепла на 20%;

- годовую выработку тепла и, соответственно, годовой расход топлива на 41%;

- годовой расход электроэнергии в 2,5 раза;

- количество воды на подпитку тепловой сети более чем в 5 раз.

2. Сократить:

- протяженность тепловых сетей на 40,3 км (наиболее трудоемкую и капиталлоемкую ее часть – магистральные);

- капитальные вложения на строительство на 53%, в т. ч. на источники тепла на 39,6%, а на тепловые сети почти в 2,8 раза.

3. Уменьшить стоимость потребляемого тепла более чем в 1,5 раза.

Однако автономное теплоснабжение – это не просто строительство мини-котельных, приближенных к потребителю. При плюсах энергоэффективности сооружение автономного источника тепла в непосредственной близости от жилого здания создает проблемы по экологии: эмиссию вредных выбросов и шум. Кроме того, наличие здания промышленного типа, отдельно стоящая дымовая труба не красят жилой район, не гармонируют с его архитектурным ансамблем и могут снижать стоимость квартир.

Все эти вопросы были учтены при проектировании.

Проблема экологической безопасности по снижению вредных выбросов в атмосферу была решена путем применения экологически чистых горелок финской фирмы «Ойлож» с эмиссией Noк не более 30 ррm.

Проблемы шума устранены путем применения малошумных насосов, вентиляторов, устройством противошумных экранов и звукопоглощающих стен.

Использовалась безреагентная водоподготовка – таким образом были полностью устранены сбросы реагентов в канализацию. Архитектурно-строительная часть источников тепла проектировалась как органически неотделимая часть жилого здания.

Особо удачным решением являются встроенные в торцевую часть жилого дома бесшумные дымоотводы с двойной стенкой, поставленные и смонтированные фирмой «Рэйнбоу».

Технологическая часть пристроенных автономных источников поставлялась и монтировалась СП «Комбинова теплотехника», крышная котельная монтировалась фирмой «Маги» с применением отечественного оборудования.

К сожалению, не во всех микрорайонах удалось пристроить автономные источники к жилым зданиям из-за позиций генпроектировщиков, в этих случаях дымоходы встроены в более высокие здания с подземной прокладкой газоходов на расстояние почти 35 м.

Контроль за работой всех автономных источников за исключением АИТ коммунальной зоны осуществляется из единого диспетчерского пункта района. Такое решение существенно сокращает эксплуатационные затраты.

Еще один существенный положительной аспект автономного теплоснабжения – это возможность ввода мощностей без замораживания огромных капитальных вложений в РТС и магистральные тепловые сети к сроку ввода жилья и соцкультбыта.

При всех положительных аспектах автономного теплоснабжения, при наличии возможности теплоснабжения на базе комбинированной выработки электрической и тепловой энергии выбор должен быть произведен на основании технико-экономических расчетов.

Значительные трудности при внедрении новых энергоэффективных технологий возникают при согласовании с надзорными и согласующими органами. Хотелось бы видеть в их лице не оппонентов, а партнеров в реальном внедрении энергосберегающих технологий.

Программа по экспресс-оценке эффективности энергосберегающих решений –

Программа позволяет оценить вклад конкретного энергосберегающего решения в снижение теплопотребления конкретного здания за счет применения энергосберегающего оборудования, технологии или мероприятия, таких как: - регулирование расхода потребления тепловой энергии на вводе в здание или квартиру (устройство ИТП, автоматизированного узла управления, квартирного теплового пункта и т.д.); - регулирование теплоотдачи отопительных приборов (пофасадное регулирование, прерывистый режим отопления, устройство термостатов, комнатных контроллеров); - снижение трансмиссионных теплопотерь через наружные светонепроницаемые ограждающие конструкции (уменьшение влияния мостиков холода, повышение теплотехнической однородности ограждающей конструкции); - снижение трансмиссионных и инфильтрационных теплопотерь через наружные светопроницаемые ограждающие конструкции (применение ночных штор); - регулирование вентиляционного воздухообмена в зависимости от потребности (устройство приточных регулируемых устройств, центральных и местных вентиляционных установок, персональной вентиляции). - использование утилизаторов теплоты вытяжного вентиляционного воздуха для нагрева/охлаждения приточного (применение пластинчатых теплообменников, теплообменников с вращающейся теплообменной насадкой (роторных рекуператоров), теплообменников с промежуточным теплоносителем (теплообменники жидкость-воздух). Подробнее