Теплоснабжение и СОТ.

статья опубликована в журнале "Сантехника, отопление, кондиционирование" (С.О.К.) за октябрь 2005 г.

Байтингер Н. М. Директор ЗАО НПО "Лайф Новосибирск",
Бурцев В.В. Ведущий специалист ЗАО НПО "Лайф Новосибирск".

   Проблему эффективности теплоснабжения для России трудно переоценить. Среди большинства специалистов укоренилось убеждение, что путь к надёжному теплообеспечению России лежит в централизованном, или по западной терминологии районном, теплоснабжении. Практика теплообеспечение северных стран Европы подтверждает этот вывод. Однако из этого утверждения вовсе не следует, что всё, что можно, уже сделано. Как раз "ученики" централизованного теплоснабжения показывают, как далеко они обошли своих учителей. Принципиально правильно выбранное направление само по себе ещё не гарантирует хорошего результата. Это лишь предпосылка, которую необходимо реализовать.
   На бытовом уровне далеко не идеальное теплообеспечение ощущается большинством. В чём же главные причины "неидеальности"?
   Если всю систему централизованного теплоснабжения разделить на части по технологическому принципу, то мы получим три участка:

• Производство тепла;
• Транспортирование тепла к потребителю;
• Потребление тепла.

   1. Производство в РФ тепловой энергии в разрезе условных теплопроизводителей можно оценить из нижеприведенной таблицы [1].

   2. Транспортирование тепла к потребителю.
   Поскольку главным параметром, характеризующим транспортную систему, является её протяжённость и потери приведём эти данные [2].
   В настоящее время теплоснабжение около 80 % городского жилищного фонда России осуществляется от централизованных источников, и общая протяженность магистральных участков тепловых сетей диаметром 600-1400 мм составляет 13 000 км, а протяженность распределительных и внутриквартальных участков трубопроводов диаметром 50-500 мм достигает 125 000 км (в пересчете на двухтрубную систему).
   Эксплуатация тепловых сетей сопровождается тепловыми потерями от внешнего охлаждения в размере 12-20 % тепловой мощности (нормируемое значение 5 %) и с утечками теплоносителя от 5 до 20 % расхода в сети (при нормируемом значении потерь с утечками до 0,5 % от объема теплоносителя в системе теплоснабжения, с учетом объема местных систем). Неудовлетворительное состояние тепловой и гидравлической изоляции трубопроводов, износ и низкое качество монтажа и эксплуатации оборудования тепловых сетей отражается статистическими данными по аварийности. Так, 90 % аварийных отказов приходится на подающие трубопроводы и 10 % - на обратные, из них 65 % аварий происходит из-за наружной коррозии и 15 % - из-за дефектов монтажа (преимущественно разрывов сварных швов).

   3. Потребление тепла.
   Единственным оправданием наличия других участков технологической цепочки является удовлетворительное функционирование этой - потребления тепла. При отсутствии этого условия всё остальное теряет смысл. Но как раз здесь накопилось больше всего проблем. Можно говорить о недостатках обслуживания, плохих параметрах теплоносителя, плохой организационной структуре и т. д. Всё это правильно. Но глубинной причиной плохого качества услуг по теплоснабжению населения скорее всего была политика. По традиции в прошлом всё чего не касались непосредственно нужды государства и государственного производства тому уделялось недостаточное внимание. И если технологии производства энергии уделялось большое внимание как государственной задаче, если технологии транспортирования энергии разрабатывались соответствующими государственными институтами, то разработке технологии теплопотребления уделялось значительно меньше внимания. Так или иначе область теплопотребления в технологическом смысле была отстающей. Как представляется, относительно низкое качества теплотехнических услуг в значительной степени объясняется явным противоречием относительно развитых технологий производства и транспортирования тепловой энергии и не развитых его потребления.
   Но не только субъективными, "Российскими" проблемами обусловлено не вполне удовлетворительное состояние теплопотребления. Эта проблема объективно не простая. Специфика водяного отопления такова, что нужно одновременно решать проблемы гидродинамики (протекания жидкости по сосудам) и теплотехники, теплообмена и теплопередачи. Но её эффективное решение осложняет и другая проблема. Дело в том, что в случае, например, электрической энергии поток осуществляется в одном направлении - от производителя к потребителю. Отопительная же вода курсирует и в обратном направлении, возвращая обратно источнику часть предназначенной для отопления энергии. Причём к параметром возвращаемой воды предъявляются относительно жёсткие требования, чтобы не возвращать источнику излишнюю долю неиспользованной энергии и не ухудшать параметры ТЭЦ. Для лучшего понимания некоторых граней проблем, возникающих при централизованном теплоснабжении может быть полезным описание его в терминах классической термодинамики. 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 играет система централизованного теплоснабжения близлежащего населённого пункта. В этом представлении становятся очевидным, что ТЭЦ не просто производитель тепла, как, например, котельная, а один из элементов сложной системы. И наличие развитых технологий в одной её части (на источнике - ТЭЦ) безусловно предполагает наличие близких по качеству технологий и в других частях системы в том числе и в "холодильнике" - потребителе. Другими словами высокие технологии при производстве в случае централизованного теплоснабжения могут быть перечёркнуты отсутствием таковых на стороне потребления. Именно в этой части заметно отставание отечественных технологий от аналогичных "импортных". Для преодоления этого отставания и предназначена Система оптимального теплопотребления (СОТ) фирмы "Лайф". Но прежде чем подробнее описать СОТ необходимо вкратце коснуться некоторых сторон существующей технологии теплопотребления в наиболее распространённых вариантах её применения.
   Поскольку централизованное теплоснабжение как система с начала 70-х годов прошлого века бурно развивается в странах севера Европы и достигла там высокого технологического уровня, то целесообразно рассматривать те или иные отечественные технологии в сравнении с европейскими. Надо отметить, что некоторые основополагающие принципы, заложенные при построении этих двух систем, заметно отличаются. Одними из главных отличий - регулирование отпуска энергии по принципу качественного регулирования в России (СССР) и количественному принципу в Европе; преимущественно независимые системы в Европе и преимущественно зависимые системы в России. Остановимся кратко на технологических преимуществах и недостатках того и другого подхода.
   Как это часто бывает в реальной жизни, но выбор той или иной технологической схемы определялся не только и даже не столько оптимальными технологическими соображениями, сколько иными, чаще экономическими и даже политическими соображениями. Так способ регулирования отпуска тепловой энергии "качественным регулированием" определялся тем обстоятельством, что не предполагалось чтобы потребители самостоятельно определяли величину своего теплопотребления. То есть считалось, что они не должны самостоятельно в оперативном порядке изменять количество потребляемой энергии. Поставщик тепла определял величину потребления. Не потребитель потреблял тепло, а поставщик снабжал теплом. Это отразилось, в том числе и в терминологии. Была система теплоснабжения а не теплопотребления. В европейском же варианте изначально главным всегда был потребитель, и он самостоятельно должен был определять количество потребляемого тепла. Для обслуживания таких потребителей и был заложен принцип количественного регулирования в централизованной или по западной терминологии районной системе теплоснабжения. По этой причине качественное регулирование в технологическом смысле является ущербным при реализации пользователями российской системы возможности управления своим потребление тепла. По этой причине ведущие специалисты российского теплоснабжения пересмотрели традиционный взгляд и считают неизбежным, в случае реализации возможности управления своим теплопотреблением, переход на качественно- количественное регулирование, а в недалёком будущем возможно и полностью на количественное регулирование. Из этого предположения следует как минимум следующий технологический вывод:
- В технологической связке источник - потребитель ведущим в осуществлении регулирования является потребитель (абонент), ведомым- производитель (источник).
   Столь же "политический" след и у зависимой и независимой системы присоединения потребителей к сети. Преимущественно политико - экономическими соображениями разделения собственности на теплоноситель поставщиков тепла - сетей с одной стороны и потребителей тепловой энергии - абонентов с другой определялся выбор независимого присоединения в "западном" варианте организации районного тепло- обеспечения. Поскольку с проникновением на Российский рынок импортного оборудования стал пропагандироваться независимый вариант присоединения потребителей к сети следует остановиться на технологических аспектах того и другого варианта более подробно.
   Сегодня в России не менее 90% потребителей присоединены к сети по зависимой схеме. Схематично это можно представить следующим образом (Рис. 1).

Покажем вариант независимого присоединения (Рис.2). В теплотехническом смысле он отличается от зависимого присоединения наличием теплообменника между сетью и объектом теплопотребления.

Здесь Т1 - температура теплоносителя в подающем трубопроводе до теплообменника;
Т11- температура теплоносителя в подающем трубопроводе после теплообменника;
Т2 - температура теплоносителя в обратном трубопроводе после теплообменника;
Т21 - температура теплоносителя в обратном трубопроводе после системы отопления;

   Начнём с недостатков.

• Для обеспечения циркуляции теплоносителя на объекте теплопотребления потребителю потребуется установка дополнительного циркуляционного оборудования.
• Кроме того к дополнительному оборудованию можно отнести и сам теплообменник.
• Теплоноситель внутри объекта должен готовить сам потребитель. Высокого качества водоподготовки нельзя ожидать.
• Можно уйти от необходимости готовить воду внутреннего (потребительского) контура самим пользователем и заполнять а также подпитывать внутреннюю систему всё - таки из сети. Но тогда независимая система становится не вполне независимой и всё ради чего сыр - бор затевался теряет смысл.
• Если всё же настаивать на этом варианте то придётся на подпитку установить как минимум расходомерный узел для учёта подпитки с соответствующей арматурой и понести организационные и технические издержки связанные с установкой дополнительного узла коммерческого учёта.
• Также не стоит забывать, что при отключении электропитания на объекте, произойдет остановка системы теплоснабжения, и соответственно могут произойти опасные для потребителя и его системы последствия.

   Возможно перечисленные недостатки компенсируются улучшением качества тепло обеспечения и тогда жертвы не напрасны. Но давайте рассмотрим процесс передачи энергии из сетевого контура разделительного теплообменника во внутренний контур.
   Как известно мощность потока тепловой энергии через некую поверхность раздела определяется уравнением:

Q = S K T ;    (1)

Здесь:
Q -мощность потока энергии через поверхность;
S - площадь поверхности раздела;
K - коэффициент теплопроводности материала поверхности раздела;
T - разность температур с одной и другой стороны поверхности раздела.

   Из формулы следует, что ненулевая мощность энергии через поверхность существует только в том случае, когда разность температур между одной и другой стороной поверхности раздела ?T ? 0. На бытовом языке это означает, что температура теплоносителя во внутреннем контуре всегда будет ниже температуры внешнего (сетевого) теплоносителя. Из практики при оптимальном соотношении ценовых параметров на теплообменник потери температуры составляют не менее 10°C, часто они равны 15°C и более. Все мы знаем, что температура теплоносителя в последние годы очень редко соответствует нормативной особенно при низких температурах наружного воздуха. Она как правило ниже, иногда заметно, а в этом случае будет снижение дополнительно ещё на 10°C - 20°C.
   Общий вывод: переход на независимую систему с точки зрения потребителя заметно ухудшает технологические и коммерческие характеристики системы теплопотребления. Следовательно предварительно сделанное предположение, что независимое присоединение носит не технологический а преимущественно политико - экономический характер имеет право на существование.
   И тем не менее в "импортном" исполнении независимое присоединение широко распространено. В чём же дело? Как отмечалось выше главной причиной являлись не технологические причины а причины юридического характера. В условиях безусловного разделения ответственности межу поставщиком и потребителем неопределённость с собственностью самого теплоносителя и его качества никого не устраивала. В этом состоит главная причина. Сопутствующая причина состоит в том, чтобы сетевые компании однозначно прогнозировали гидравлические параметры в месте передачи энергии от поставщика к потребителю. Эту задачу в наших условиях в значительной степени решают ЦТП. Переход на другую концепцию построения системы тепло обеспечения требует как минимум выстраивания этой новой сквозной от производителя до потребителя концепции.
   Необходимо отметить, что в некоторых случаях, когда без гидравлической развязки обойтись нельзя применение теплообменника у потребителя является безусловно целесообразным. В частности при высотном строительстве, для организации горячего водоснабжения в закрытых системах и т.д. Но в этом случае это является обоснованным и специальным решением.
   Как отмечалось выше задача тепло-обеспечения потребителей качественными услугами является объективно непростой инженерной задачей. Сегодня же задача формулируется несколько шире. Необходимо реализовать эффективное теплообеспечение. В практику вошёл термин "энергоэффективное здание". Выходя за рамки только энергетической проблемы говорят о концепции "интеллектуального здания". Несколько слов об этом.
   Современное здание в рамках этой концепции представляется как объект, в котором люди пребывают заметную часть жизни. С точки зрения инженерных коммуникаций здания возрастающая его функциональность приводит ко все более сложной и громоздкой их конфигурации. Идея же "интеллектуального здания" состоит в том, чтобы используя открывшиеся в последнее время возможности по обработке и передаче информации, а также возможности управленческих технологий, использовать их комплексно для реализации "интенсивного" варианта инженерного обеспечения здания. Новосибирская фирма "Лайф" подготовила энергетический участок инженерного обеспечения интеллектуального здания. В кругах специалистов он известен как Система оптимального теплопотребления (СОТ). СОТ смонтирована на десятках объектах в почти 10 городах России. В ней комплексно решены проблемы автоматизации теплопотребления, управления теплопотреблением объекта, оперативного сбора и хранения энергетической информации об объекте.
   Особое внимание необходимо обратить на прорывные, с точки зрения технических решений, аспекты СОТ. Здесь имеется в виду, прежде всего, технологический участок, который получил название "диспетчеризация" Так объект, на котором смонтирована СОТ, может быть увиден как Web- сервер. Это значит, что не затрачивая на первом этапе дополнительных средств можно надёжно получать информацию с объекта и передать на объект, в том числе и в режиме on- line, используя стандартное программное обеспечение, которое установлено на компьютере для работы в Интернете. Ещё одной особенностью диспетчерской системы СОТ является возможность использования различных каналов связи для реализации Web- технологий, в том числе и сотовой связи.

   4. Возможные перспективы.
   Не ставя задачу охватить все возможные перспективы можно остановиться на некоторых. Дело в том, что в некоторых европейских странах доступ к сетям либерализован и соблюдая определённую обязательную процедуру, могут иметь доступ к сети не только крупные производители и потребители, но и относительно мелкие производители. Конечно, в технологическом смысле параметры доступа оговорены и довольно жестки. Но в принципиальном смысле это возможно. Так, например, в Финляндии поставщиками тепловой энергии в единую сеть являются несколько производителей. И потребители могут приобретать тепло из единой сети у разных производителей. Не вдаваясь в подробности организационных аспектов такого положения можно лишь заметить, что в такой ситуации появляется много положительных моментов. На одном из них, который ранее не обсуждался, быть может, есть смысл заострить внимание.
   Как известно из классической термодинамики, все процессы с преобразованием энергии, в конечном счете, оканчиваются переходом в тепловую энергию. Это мы часто наблюдаем в обыденной жизни, замечая, что работающее устройство греется. Другими словами нас окружает море так называемого низко- потенциального тепла. С другой стороны в практику всё больше входят установки, превращающие низко- потенциальную энергию в относительно высоко- потенциальную. И в отличие от многих зарубежных стран в каждом крупном населённом пункте уже создан резервуар большой ёмкости для хранения этого высоко- потенциального тепла. Здесь имеются технологические возможности для более эффективного решения проблемы тепло обеспечения.
   Если использование низко-потенциального тепла задача перспективы, то эффективное использование тепла имеющегося задача в принципиальном смысле рёшённая, в том числе и на примере СОТ от "Лайф". И дело даже не только в том, что СОТ приносит реальную экономию потребителям от 20% до 35%. Дело даже несколько в другом. Рассмотрим поток энергии в тепловой сети некоторой системы теплоснабжения (см. Рис.3)

Потреблённая пользователями за время энергия

Q2-Q1 = Qп = Gc(T1-T2);     (2)

Здесь:
Q1 - поток энергии в подающем трубопроводе;
Q2 - поток энергии в обратном трубопроводе;
Qп - потреблённая пользователями энергия;
G - масса теплоносителя (система закрыта и m=const в подающем и обратном трубопроводе);
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);     (3)

    Другими словами, увеличивая разность температуры (по другой терминологии теплосъём) уменьшается массовый расход теплоносителя в системе. Но с уменьшением расхода гидравлические характеристики системы улучшаются, многие проблемы так называемых хвостовых потребителей становятся не такими острыми и т. д. На пьезометре это можно проиллюстрировать следующим образом (см. Рис. 4). При одной и той же энергии (мощности) потребления массовый расход теплопносителя G2 меньше G1. Видно, что чем дальше от источника тем заметнее улучшение гидравлической обстановки у потребителей. То есть- наводя, таким образом порядок у потребителей мы улучшаем характеристики сети. Другими словами если лечить болезнь, то симптомы исчезнут сами. Болезнь находится у потребителей, её же симптомы, в том числе и в сети!

Здесь:
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.

   На этом примере особенно выпукло видно, как неразрывно связаны в гидравлической системе производитель, сеть и потребитель. Эта связь действительно "кровная" если кровью считать теплоноситель. Законы гидродинамики не позволяют произвольно вести себя на любом из участков этой единой системы. Причём на сегодняшний день наибольшее количество нерешенных технологических проблем на стороне потребителя. Корень сегодняшних проблем состоит в том, что неприспособленную для регулирования со стороны потребителя систему необходимо приспособить под возможность управлять процессом теплопотребления со стороны абонента. Именно для решения непротиворечивым образом этой проблемы и была разработана СОТ от "Лайф". Что же из себя представляет СОТ- Система оптимального теплопотребления сегодня ?
   Для практических инженеров и энергетиков столкновение с "оптимизацией" происходило тогда, когда приходилось иметь дело с тепловой автоматикой. По "классической" терминологии автоматизация работы различных теплообменников(калориферов, приточных воздушных тепловых систем, бойлеров и т.п.) осуществлялась средствами так называемой тепловой автоматики. Из сказанного выше ясно, что оптимальное или эффективное теплопотребление не ограничивается решением проблем тепловой автоматики, но входит в неё как часть. Другими частями СОТ являются управление теплопотреблением объекта, соблюдение технологических ограничений на параметры обратного теплоносителя (возвращаемой воды), более эффективного использования энергии и наконец учёта потреблённой энергии. Последняя из названных задач пожалуй наиболее известна широкому кругу специалистов, так как на неё сделан упор во многих энерго- сберегающих мероприятиях и программах. В связи с этим необходимо обратить внимание на имеющееся широко распространённое заблуждение, что сама по себе установка учета является энерго сберегающим мероприятием. Лучшей демонстрацией необоснованности такого подхода является то, что если мы повсеместно установим теплосчётчики и узнаем, что потребляем энергии меньше, чем думали и станем оплачивать только потреблённое, то в результате цена единицы повысится. И иного быть не может, так как по экономическим законам производитель может существовать только в том случае, когда потребители оплатили ВСЕ его издержки.
   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 оптимального теплопотребления.
   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".
   По-видимому не безынтересен экономический аспект внедрения СОТ на практике. На примере одного из реконструированного под СОТ объектов, приведены данные об экономии на протяжении четырёх отопительных сезонов. Данные взяты из показаний коммерческого узла учёта тепловой энергии.

Необходимо отметить, что понесённые затраты на реконструкцию объекта "под СОТ" составили 125 т.р в 1999 г. и около 70 т.р в 2000 г. В базовом отопительном сезоне (1999г. - 2000г.) теплосчёттчик измерил суммарное потребление 1462,4 Гкал.

Литература

1. Концепция развития теплоснабжения в России включая коммунальную энергетику, на среднесрочную перспективу// Минэнерго РФ, 2003.
2. П. А. Хаванов Автономная система теплоснабжения-альтернатива или шаг назад? // АВОК №1, 2004, С.34-38
3. Байтингер Н.М., Бурцев В.В., Басин А.С. Энергосбережение как необходимый элемент энергоэффективного теплообеспечения // Энергетика: экология, надежность, безопасность (Материалы докладов 9-й Всеросс. н.-т. конф.) - Томск: Изд-во ТПУ, 2003. Т. 2. С.4-7.

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

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