Оптимизация теплопотребления в городских условиях.
"Интеллектуальное здание", "Энергоэффективный дом".

статья опубликована в журнале "Проектирование и строительство Сибири", №3

Байтингер Николай Михайлович. Директор ЗАО НПО "Лайф Новосибирск"
Бурцев Вадим Валериевич. Ведущий специалист ЗАО НПО "Лайф Новосибирск"

Здание как объект приложения инженерной мысли в каком то смысле объект особенный. Технологии, заложенные при его возведении фиксируются в нём на многие годы вперёд. Здание чаще всего переживает своих созидателей. В нём наш технологический посыл даже не детям - внукам. И в этом смысле с одной стороны желательно заложить в него самое передовое и современное, чтобы подольше не устарело, а с другой стороны хорошо зарекомендовавшее и проверенное - изменить потом очень трудно, иногда невозможно.

Касаясь проблем инженерного обеспечения здания необходимо отметить, что они имеют тенденцию заметного усложнения. Причём усложнение идёт высокими темпами, как минимум по двум причинам. Во первых в связи все усложняющейся его функциональностью. Во вторых в связи со всё возрастающими требованиями к параметрам среды обитания. По этим причинам так называемый "экстенсивный" вариант развития инженерных коммуникаций подошел практически к своему пределу. Дальнейшее их усложнение приводит к неоправданному увеличению цены, а также к снижению надёжности, безотказности, усложнению и удорожанию обслуживания, увеличению влияния так называемого "человеческого фактора" и т.д.

С другой стороны наблюдается устойчивая тенденция всё возрастающего внедрения практически во все инженерные системы современной микропроцессорной техники и связанного с ним программного обеспечения. Подавляющее место в них занимают цифровые системы. Так или иначе но на уровне обработки информации с формальной точки зрения любая из инженерных систем становится мало различима одна от другой. Не вдаваясь в дальнейшие специальные области по обработки информации можно констатировать, что с информационной точки зрения все инженерные системы в принципе идентичны.

Исходя из этих и других факторов объективно возник "интенсивный" вариант развития инженерных систем зданий и сооружений. Так или иначе в среде специалистов по инженерным коммуникациям стал курсировать термин "интеллектуальное здание". Как всякий новый термин его смысл не вполне устоялся. Разные специалисты вкладывают в него несколько различный смысл. Однако в среде разработчиков в процессе обмена информацией по той или иной проблеме по объективным причинам так или иначе возникает консенсус, облекаемый в формы стандартов. Эти документы раньше всего возникают в развитых рыночных структурах, адаптированных к быстрому освоению новых тенденций в той или иной области. Таким образом появился стандарт EN ISO 16484 "Building Automation and Control systems - BAGS". Российские разработчики иногда называют такие системы системой автоматизации и управления зданиями, или сокращённо САиУЗ. По-видимому является очевидным перспективность работ в этом направлении. Это иллюстрирует высокая исследовательская и инженерная активность в этом направлении. Одним из подтверждений актуальности этих проблем являются, в частности, многочисленные выставки и конференции по этой тематике. Так например С 23 по 26 ноября 2005 года в Московском Гостином Дворе состоялась Международная Выставка HI-TECH HOUSE-2005, на которой ведущие мировые производители интеллектуальных инженерных систем демонстрировали новейшее оборудование, решения по оснащению интеллектуальными системами объектов коммерческой и жилой недвижимости, реализованные в России проекты зданий и домов. Участники Hi-Tech House-2005 представляли в общей сложности 19 стран. Были обсуждены основные проблемы и перспективы актуальной для российского потребителя отрасли: подняли вопросы экономической привлекательности "интеллектуальных" проектов, их важности в рамках реформы ЖКХ, а также перспективы развития интеллектуальных загородных поселков и масштабы использования интеллектуальных технологий в регионах.

Говоря о подобных "интеллектуальных" технологиях представляется очевидным, что в них присутствует "интеллектуальный" энергетический компонент. Одной из целей этого компонента является энергетическая эффективность. Для специалистов энергетических инженерных систем, наверное более известен термин энерго- эффективных инженерных систем, или энерго- эффективного здания. Для Российских и тем более сибирских условий он является коренным компонентом и может быть стержнем, на основе которого могут "интеллектуализироваться" иные компоненты и системы. Во всяком случае очевидно, что без "энерго- эффективного" здания не может быть здания "интеллектуального". Поэтому с целью более подробного рассмотрения некоторых аспектов возможной реализации концепции "интеллектуального" здания можно попытаться не примере его энергетического и, в частности теплотехнического или по другой терминологии климатического компонента несколько углубиться в эту проблему.

Пытаясь рассматривать энергетический компонент инженерных коммуникаций или систем здания необходимо понимать, что он является своего рода надстройкой во всей энергетической системе. Ясно, что в его фундаменте присутствует так называемый "силовой", собственно энергетический компонент, а интеллектуальная или информационная составляющая управляет или корректирует энергетический процесс. Это безусловно относится к любым энергетическим составляющим. На примере теплоэнергетической составляющей попытаемся более подробно рассмотреть энергетический сегмент "интеллектуального" здания в интерпретации НПО "Лайф Новосибирск". Особую в прямом смысле жизненную актуальность этой проблемы каждый год подтверждают сибирские зимы.

Производимая тепловая энергия на ТЭЦ с экономической точки зрения является относительно дешевой, по сравнению с получением на других источниках так как производится совместно с выработкой электричества. Необходимо отметить, что ценовые сравнения должны быть корректными. Надо производить сравнение для одного вида топлива. Это замечание связано с тем, что иногда сравнивают энергию производимую при сжигании низкосортных углей на ТЭЦ и энергию получаемую из других источников, использующих газ, который приобретается далеко не по рыночным цена и имеющий другую теплотворную способность.

Есть другие аспекты системы централизованного теплоснабжения, которые часто подвергаются критике. Обязательным атрибутом её является транспортная система, в которой присутствуют неизбежные потери. Отставание технологий, которые борются с потерями, в частности, технологичные и долговечные изоляционные материалы, безусловно являются недостатком действующей системы в России. Однако опыт стран северной Европы значительно позже вступивших на путь построения централизованных ("районных" по европейской терминологии) систем свидетельствует, что возможности по кардинальному снижению потерь существуют. Другими словами с экономической точки зрения для местностей с относительно длительным отопительным сезоном трудно найти альтернативу централизованному теплоснабжению на основе ТЭЦ.

Однако для строительной практики существуют проблемы, которые сильно влияют на процесс использования этого источника энергии. Эти проблемы связаны с относительно сложным процессом получения разрешения для подключения дополнительных потребителей к уже существующей системе. Объективно главная проблема, состоит не в проблемах организационного характера. Главная проблема находится в технологической плоскости. И дело здесь даже не в том, что существующая система рассчитана на вполне определённые максимальные тепловые нагрузки. Часто эти резервы по мощности существуют из - за того что, "при коммунизме" строились мощности с определённым запасом и в расчётах учитывался большая часть тепловых нагрузок для производства. В связи с резким его сокращением в перестроечное время образовались определённые резервы. Следует учитывать и некоторое влияние прочих, сокращающих потребление энергии факторов, в том числе мероприятия по энергосбережению, которые впрочем далеко не реализовали весь свой потенциал. Так или иначе часто резервы генерирующих мощностей присутствуют. Но очень трудно разрешимым ограничением является сама сеть, реконструкция которой в городских условиях дело очень затратное и затруднительное по многим факторам.

В связи с этим рассмотрим этот аспект проблемы более подробно. Ранее для более наглядного представления уже использовалась упрощенно - схематическое представление системы централизованного теплоснабжения. Она приведена для наглядности на Рис. 1. Для более простого понимания вернёмся к применявшемуся ранее для описания происходящих процессов в терминах классической термодинамики. Напомним, что в этом случае источник - ТЭЦ является тепловой машиной, преобразующей тепловую энергию в механическую, (которая затем в электрической машине преобразуется в электрическую). По второму началу термодинамики часть тепла необходимо при этом "сбросить" в так называемый "холодильник", роль которого может играть система централизованного теплоснабжения близлежащего населённого пункта.

Q2-Q1 = Qп = Gc(T1-T2);     (1)

Здесь:
Q1 - поток энергии в подающем трубопроводе;
Q2 - поток энергии в обратном трубопроводе;
Qп - потреблённая пользователями энергия;
G - масса теплоносителя (система закрыта и G=const);
с - удельная теплоёмкость;
T1 - температура в подающем трубопроводе;
T2 - температура в обратном трубопроводе;

При постоянной мощности расход теплоносителя обратно пропорционален разности температур между подающим и обратным трубопроводом.

G = Qп/c(T1-T2);     (2)

То есть массовый расход (количество, масса теплофикационной воды курсирующей по трубопроводу в единицу времени) обратно пропорционален разности температур между подающим и обратным трубопроводом. Другими словами, увеличивая разность температуры за счёт уменьшения температуры обратной воды (по другой терминологии увеличивая теплосъём) уменьшается массовый расход теплоносителя в системе (этого можно осуществить системой автоматизации).

Но с уменьшением расхода гидравлические характеристики системы улучшаются, (?P растёт), многие проблемы так называемых хвостовых потребителей становятся не такими острыми и т. д. На пьезометре это можно проиллюстрировать следующим образом (см. Рис. 2). Представлены для примера три потребителя, расположенных на разном удалении от источника тепловой энергии. G1 - расход у каждого потребителя при "обычной" существующей ситуации. G2 - расход у тех же потребителей при "гипотетической", возможной ситуации когда удалось каким то способом снизить T2 температуру обратного теплоносителя у каждого из них. Из (2) следует что при сделанных допущениях о постоянстве потребляемой энергии (мощности) массовый расход теплоносителя G2

Этот вывод можно интерпретировать и иначе. Сохраняя существующую гидравлическую обстановку можно увеличить пропускную способность сети, то есть появляется возможность подсоединение к существующей сети дополнительных потребителей без её реконструкции. Простой расчёт на основе (2) показывает что, увеличение теплосъёма на 10°С - 15°С позволит дополнительно подсоединить не менее 20% - 30% тепловой нагрузки при той же сети.

Нарисованная радужная теоретическая картина ставит один пока на практике трудно разрешимый вопрос. Его можно сформулировать следующим образом. Как, не снижая теплосъема у потребителей, увеличить тепловой напор (T1-T2). Специально не рассматривается вопрос о повышении T1, этот вопрос не в компетенции сети и тем более потребителей. Этот вопрос в ведении источника, он давно исследован и всё возможности исчерпаны на данном технологическом уровне. Вопрос стоит в снижении T2, он в значительной если ни сказать в решающей степени в руках потребителей. Более того в случае решения в той или иной степени этой проблемы и производитель может получить дополнительные выгоды. Специалисты, знают, что коэффициент полезного действия тепловой машины (на ТЭЦ она вырабатывает электричество) может быть повышен при системном снижении T2.

где:
P1(G1), P2(G1), P3(G1) - перепад давления (располагаемый напор) у абонентов при расходе в сети G1.
P1(G2), P2(G2), P3(G2) - перепад давления (располагаемый напор) у тех же абонентов при расходе в сети G2.

Возвращаясь к теме интеллектуального здания можно заметь следующее. Рассматривая его энергетический аспект в разрезе интенсивного варианта решения проблем собственно здания, мы при правильном применении возможностей, которые при этом возникают, можем решить и собственно энергетические проблемы системы теплообеспечения в целом в контексте дальнейшего повышения её эффективности. Столь заманчивые перспективы теоретически нарисованные могут вызвать оптимизм. Но что реально обосновано и есть ли сегодня инструменты продвижения к этому? Определённые шаги уже сегодня реализованы в так называемой Системе оптимального теплопотребления (СОТ) от НПО "Лайф Новосибирск".

В СОТ упор сделан на главные с точки зрения технологии аспекты. Это гибкое управление, автоматизация и эффективное использование энергии. Для этого она оснащена современными микропроцессорными устройствами, программным обеспечением, средствами передачи информации и связи, необходимыми исполнительными механизмами и арматурой. Она представляет из себя комплекс взаимно увязанных решений, реализующих задачу энерго- эффективного объекта в рамках концепции "интеллектуальное здание"..

У специалистов - проектировщиков в СОТ повышенный интерес вызывает проектные решения, связанные с проектированием систем с одной стороны эффективно и гибко управляемых, а с дугой - гидравлически устойчивых. У специалистов- энергетиков повышенный интерес вызывают применение компактных, практически не требующих обслуживания, исполнительных механизмов (клапан с приводом). У инженеров так называемых "автоматчиков" алгоритмы управления теплообменными процессами. У специалистов по передаче данных - применяемые информационные технологии. У управленцев - решение передачи информации на расстояние - диспетчерские функции, диспетчеризация. Все эти задачи нашли своё решение в СОТ и тем самым обеспечивают практическую реализацию на сегодняшнем этапе модели энерго- эффективного здания и на своем участке потенциальную встраиваемость в комплекс инженерных коммуникаций объекта в рамках концепции "интеллектуальное здание".

Сегодня уже существует многолетняя практика внедрения СОТ. Наработан соответствующий опыт монтажа, эксплуатации и обслуживания. Имеется статистика эффективности. Для иллюстрации приведены показатели эффективности для локального применения на отдельно взятом объекте. На примере одного из реконструированного под СОТ объектов, приведены данные об экономии на протяжении пяти отопительных сезонов. Данные взяты из показаний коммерческого узла учёта тепловой энергии.

В базовом отопительном сезоне (1999г. - 2000г.) тепло-счётчик измерил суммарное потребление 1462,4 Гкал.

Россия, 630058, г. Новосибирск
ул. Русская, 41
ЗАО НПО "Лайф Новосибирск"

Телефон/Факс: (383) 306-62-28
E-mail: life@online.nsk.su