Анализ перспективных систем теплоснабжения

Ориентация российской энергетики на теплофикацию и централизованное теплоснабжение как основной способ удовлетворения тепловых потребностей городов и промышленных центров технически и экономически себя оправдали. Однако в работе систем централизованного теплоснабжения и теплофикации имеется много недостатков, неудачных технических решений, неиспользованных резервов, которые снижают экономичность и надежность функционирования таких систем [1]. Производственный характер структуры систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) с ТЭЦ и котельными, необоснованность масштабов подключения потребителей и практическая неуправляемость режимами работы СЦТ (источники — тепловые сети — потребители) во многом обесценили преимущества централизованного теплоснабжения.

Если источники тепловой энергии еще сопоставимы с мировым уровнем, то анализ в целом СЦТ показывает, что:

• техническая оснащенность и уровень технологических решений при строительстве тепловых сетей соответствуют состоянию 1960-х годов, в то время как резко увеличились радиусы теплоснабжения, и произошел переход на новые типоразмеры диаметров труб;
• качество металла теплопроводов, теплоизоляция, запорная и регулировочная арматура, конструкции и прокладка теплопроводов значительно уступает зарубежным аналогам, что приводит к большим потерям тепловой энергии в сетях;
• плохие условия теплогидроизоляции теплопроводов и каналов тепловых сетей способствовали повышению повреждаемости подземных теплопроводов, что привело к серьезным проблемам замены оборудования тепловых сетей;
• отечественное оборудование крупных ТЭЦ соответствует среднему зарубежному уровню 1980-х годов, и в настоящее время паротурбинные ТЭЦ характеризуются высокой аварийностью, так как практически половина установленной мощности турбин выработала расчетный ресурс;
• на действующих угольных ТЭЦ отсутствуют системы очистки дымовых газов от NOX и SOX, а эффективность улавливания твердых частиц часто не достигает требуемых значений;
• конкурентоспособность СЦТ на современном этапе можно обеспечить только внедрением специально новых технических решений, как по структуре систем, так и по схемам, оборудованию энергоисточников и тепловых сетей.

Кроме того, принимаемые на практике традиционные режимы работы централизованного теплоснабжения имеют следующие недостатки:

• практическое отсутствие регулирование отпуска теплоты на отопление зданий в переходные периоды, когда особенно большое влияние на тепловой режим отапливаемых помещений оказывают ветер, солнечная радиация, бытовые тепловыделения;
• перерасход топлива и перетоп зданий в теплые периоды отопительного сезона;
• большие потери теплоты при его транспортировке (около 10%), а во многих случаях — намного больше;
• нерациональный расход электроэнергии на перекачку теплоносителя, обусловленный самим принципом центрального качественного регулирования;
• длительная эксплуатация подающих трубопроводов теплосети в неблагоприятном режиме температур, характеризующимся нарастанием коррозионных процессов и др.

Современная система децентрализованного теплоснабжения представляет сложный комплекс функционально взаимосвязанного оборудования, включающего автономную теплогенерирующую установку и инженерные системы здания (горячее водоснабжение, системы отопления и вентиляции).

В последнее время многие регионы России проявляют интерес к внедрению энергоэффективной технологии поквартирного теплоснабжения многоэтажных домов, представляющего собой вид децентрализованного теплоснабжения, при котором каждая квартира в многоквартирном доме оборудуется автономной системой обеспечения теплотой и горячей водой. Основными элементами системы поквартирного отопления являются отопительный котел, отопительные приборы, системы подачи воздуха и отвода продуктов сгорания. Разводка выполняется с применением стальной трубы или современных теплопроводных систем — пластиковых или металлопластиковых.

Объективными предпосылками внедрения автономных (децентрализованных) систем теплоснабжения является:

• отсутствие в ряде случаев свободных мощностей на централизованных источниках;
• уплотнение застройки городских районов объектами жилья;
• кроме того, значительная часть застройки приходится на местности с неразвитой инженерной инфраструктурой;
• более низкие капиталовложения и возможность поэтапного покрытия тепловых нагрузок;
• возможность поддержания комфортных условий в квартире по своему собственному желанию, что в свою очередь является более привлекательным по сравнению с квартирами при централизованном теплоснабжении, температура в которых зависит от директивного решения о начале и окончании отопительного периода;
• появление на рынке большого количества различных модификаций отечественных и импортных (зарубежных) теплогенераторов малой мощности.

Теплогенераторы могут размещаться на кухне, в отдельном помещении на любом этаже (в том числе чердачном или подвальном) или в пристройке. Наиболее распространенная схема автономного (децентрализованного) теплоснабжения включает в себя: одноконтурный или двухконтурный котел, циркуляционные насосы для отопления и горячего водоснабжения, обратные клапаны, закрытые расширительные баки, предохранительные клапаны. При одноконтурном котле для приготовления горячего водоснабжения применяется емкостной или пластинчатый теплообменник.

Достоинствами децентрализованного теплоснабжения являются:

• отсутствие необходимости отводов земли под тепловые сети и котельные;
• снижение потерь теплоты из-за отсутствия внешних тепловых сетей, снижение потерь сетевой воды, уменьшение затрат на водоподготовку;
• значительное снижение затрат на ремонт и обслуживание оборудование;
• полная автоматизация режимов потребления. В автономных системах теплоснабжения не рекомендуется использовать неподготовленную воду из водопровода в виду ее агрессивного воздействия на элементы котла, что вызывает необходимость в фильтрах и других устройствах водоподготовки.

Среди экспериментальных зданий, построенных в российских регионах, есть как элитные дома, так и дома массовой застройки. Квартиры в них стоят дороже аналогичного жилья с централизованным теплоснабжением. Однако уровень комфорта дает им преимущества на рынке недвижимости. Их владельцы получают возможность самостоятельно решить, сколько им нужно теплоты и горячей воды; исчезает проблема сезонных и других перебоев в теплоснабжении.

Децентрализованные системы любого вида позволяют исключить потери энергии при ее транспортировке (в результате снижается стоимость теплоты для конечного потребителя), повысить надежность систем отопления и горячего водоснабжения, вести жилищное строительство там, где нет развитых тепловых сетей. При всех этих достоинствах децентрализованного теплоснабжения имеются и негативные стороны. У мелких котельных, в том числе и «крышных», высота дымовых труб, как правило, значительно ниже, чем у крупных.

При суммарном равенстве тепловой мощности величины выбросов не изменяются, однако резко ухудшаются условия рассеивания. Кроме того, небольшие котельные располагаются, как правило, вблизи жилой зоны. В пользу централизованного теплоснабжения следует также рассматривать комбинированную выработку тепловой и электрической энергии на ТЭЦ. Дело заключается в том, что рост количества автономных котельных однозначно не приведет к снижению потребления топлива на ТЭЦ (при условии неизменной выработки электроэнергии). Это говорит о том, что в целом по городу возрастает потребление топлива, и уровень загрязнения воздушного бассейна увеличивается [1]. При сравнении вариантов одними из основных показателей являются следующие виды затрат.

Они наглядно представлены в таблице 1[2]. В качестве подтверждения вышеизложенного нами был произведен расчет двух вариантов систем с централизованным и децентрализованным теплоснабжением одного квартала. Рассматриваемый квартал представляет собой четыре 3-секционных 5-этажных жилых здания. На этаже каждой секции расположены по четыре квартиры общей площадью 70 м2 (Таблица ~4~). Допустим, что данный район отапливается котельной с котлами КВГМ-4 на природном газе (I — вариант). В качестве II варианта — индивидуальный газовый котел со встроенным проточным теплообменником для приготовления горячей воды. Зависимость удельной стоимости котла (DM/кВт) от установленной мощности приведена на рис. . Расчет нами был произведен в соответствии с [3].

Котлы «De Dietrich»

Котлы «Viessmann»

Котлы «Vaillant»

При анализе зависимостей использовались данные для импортных котлов. Котлы российского производства на 20-40 % дешевле, в зависимости от фирмы производителя и фирмы посредника. При определении основных техникоэкономических показателей для децентрализованных систем теплоснабжения необходимо учитывать расходы, связанные с увеличением величины диаметров газопроводов низкого давления, так как в этом случае возрастают потери газа.

Но в этом есть положительный фактор, выступающий в пользу децентрализованного теплоснабжения: отпадает необходимость в прокладке тепловых сетей. Расчетные данные наглядно представлены на рис. 2 и 3, из которых видно, что: — годовой расход топлива при децентрализованном теплоснабжении снижается в среднем на 40-50 %; — снижаются затраты на обслуживание примерно в 2,5-3 раза; — затраты на электрическую энергию в 3 раза; — эксплуатационные расходы при децентрализованном теплоснабжении также меньше, чем при централизованном теплоснабжении.

Применение поквартирной системы теплоснабжения многоэтажных жилых домов позволяет полностью исключить потери тепла в тепловых сетях и при распределении между потребителями, и значительно снизить потери на источнике. Позволит организовать индивидуальный учет и регулирование потребления теплоты в зависимости от экономических возможностей и физиологических потребностей.

Поквартирное теплоснабжение приведет к снижению единовременных капитальных вложений и эксплуатационных затрат, а также позволяет экономить энергетические и сырьевые ресурсы на выработку тепловой энергии и как следствие этого, приводит к уменьшению нагрузки на экологическую обстановку. Поквартирная система теплоснабжения является экономически, энергетически, экологически эффективным решением вопроса теплоснабжения для многоэтажных домов. И все-таки, необходимо проводить всесторонний анализ эффективности применения той или иной системы теплоснабжения, принимая во внимание множество факторов.

По материалам 5-го Московского Международного Форума по проблемам проектирования и строительства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения в рамках международной выставки HEAT&VENT’2003 MOSCOW (стр. 95–100), Издатель ITE Group PLC, под редакцией профессора, к.т.н. Махова Л. М., 2003 г.