В настоящее время, в связи с неуклонно возрастающим энергопотреблением, как в нашей стране, так и за рубежом (в мировых масштабах), вопросы снижения затрат на потребление топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) становятся всё более актуальными [1–6]. В соответствии с требованиями Федерального закона от 23 ноября 2009 года №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [7], в России масштабно проводятся обязательные энергетические обследования объектов.

Энергетическое обследование объектов (зданий и сооружений) представляет собой сбор и обработку информации о потреблении объектом энергоресурсов в целях получения достоверной информации об объёмах используемых энергоресурсов, о показателях энергоэффективности, выявления возможностей энергосбережения и повышения энергоэффективности с отражением полученных результатов в энергетическом паспорте.

Энергетическое обследование объектов направлено на решение следующих основных задач:

  • оценка фактического состояния энергоиспользования объекта, выявление причин возникновения и определение значений потерь ТЭР;
  • разработка плана мероприятий, направленных на снижение потерь топливно-энергетических ресурсов;
  • определение требований к объекту по совершенствованию учёта и контроля расхода энергоносителей;
  • технико-экономическое обоснование разработанных мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности объекта.

Перечислим также цели разработки энергетических мероприятий:

  • повышение эффективности использования ТЭР;
  • надёжное функционирование и динамическое развитие, собственно, самих систем энергосбережения;
  • снижение необоснованных расходов на содержание зданий при обеспечении комфортных параметров пребывания сотрудников;
  • создание организационных, технических и экономических условий для совершенствования как систем отопления, так и систем горячего водоснабжения объекта, и обеспечения их необходимыми энергетическими ресурсами.

Большинству обследуемых объектов необходимы типовые мероприятия, направленные на снижение потерь ТЭР. Как правило, для сбережения электроэнергии предлагается замена осветительных приборов на более современные, для экономии холодной воды предлагают замену устаревших водоразборных устройств и т. д. При формировании рекомендаций по сокращению затрат тепловой энергии имеется ряд трудностей: эти мероприятия являются одними из самых дорогостоящих, а оплата тепловой энергии часто производится по завышенному нормативу, а не по фактически потреблённому количеству, и т. д.

Также проведение некоторых мероприятий без предварительного технико-экономического анализа может привести к увеличению потребления ТЭР. Например, к таким мероприятиям могут относится рекомендации по изоляции трубопроводов малого диаметра в индивидуальных тепловых пунктах (ИТП). Это, в свою очередь, связано с высокими температурами на поверхности трубопроводов, что наглядно видно на рис. 1.

В условиях постоянного и иногда даже скачкообразного увеличения стоимости энергоносителей и тарифов на тепловую энергию неэффективное использование ТЭР недопустимо. Поэтому разработка и проведение мероприятий по повышению энергоэффективности становится одной из приоритетных задач каждого предприятия. Анализу энергопотребления и разработке мероприятий по повышению энергоэффективности посвящено множество научно-прикладных исследований [6, 8]. Также усилия специалистов направлены на улучшение теплоизоляционных свойств материалов [5, 9, 10] и разработку новых универсальных материалов [1, 5, 9, 10].

Однако, на данный момент, несмотря на значительные достижения науки в области создания ультрасовременных теплоизоляционных материалов, традиционные теплоизоляторы применяются в преобладающем количестве, что обусловлено их доступностью и низкой ценой.

Мероприятия по снижению теплопотерь на трубопроводах малых диаметров должны проводиться после расчёта критического диаметра изоляции и определения толщины неэффективной изоляции трубопровода. Под неэффективной изоляцией понимается такая толщина теплоизолирующего материала, при которой термическое сопротивление будет равно термическому сопротивлению неизолированной «голой» трубы.

Результаты расчёта неэффективной изоляции и критического диаметра представлены в табл. 1–3. Расчёт коэффициентов теплоотдачи был произведён по «Методике расчёта коэффициентов теплоотдачи», изложенной в [11].

Расчёт общего термического сопротивления Ri [ м²·К/Вт]:

где di1 — внутренний диаметр трубы, м; α1 — коэффициент теплоотдачи при переносе теплоты от жидкости к внутренней стенке, Вт/( м²·К); λтр — коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м·К); di2 — внешний диаметр трубы, м; α2 — коэффициент теплоотдачи при переносе теплоты от внешней стенки трубы или изоляции (при её наличии) к воздуху в окружающей среде, Вт/( м²·К).

Толщина неэффективной изоляции определялась из уравнения теплопередачи для трубы длиной 1 м:

где qгол — тепловые потери с 1 м трубы при отсутствии теплоизоляционных материалов, Вт/м; qиз — тепловые потери с 1 м трубы при наличии теплоизоляционных материалов на поверхности трубопровода, Вт/м; tжид — средняя температура теплоносителя (воды), °C; tокр — температура окружающей среды (воздуха), °C; Fгол — площадь поверхности трубы без изоляции, м²; Rгол — термическое сопротивление голой трубы, м²·К/Вт; Rиз — термическое сопротивление трубы с теплоизоляционными материалами, м²·К/Вт; dиз — толщина теплоизоляционного материала, м. Для проводимого в рамках исследования расчёта использовались исходные данные, сведённые в табл. 4 и 5.

Основываясь на результатах расчёта неэффективной теплоизоляции для стальных труб, можно сделать ряд выводов:

  • утепление труб, диаметр которых менее 10,2 мм, экономически нецелесообразно в большинстве случаев;
  • явление неэффективной изоляции характерно для всех трубопроводов диаметром меньше 75,5 мм;
  • при наружных диаметрах ≤ 10,2 мм толщина неэффективной изоляции минеральной ватой может достигать 10 мм;
  • толщина неэффективной изоляции незначительно зависит от наружного диаметра трубопровода;
  • использование тепловой изоляции для труб свыше 75,5 мм целесообразно в большинстве случаев, а размеры изоляции невелики по отношению к внешнему диаметру.

Аналогично были рассчитаны толщины неэффективной изоляции для труб из других материалов, а именно для напорных труб из термопластов и полиэтилена. Исходные данные по размерам труб были взяты из ГОСТ 32415–2013 [14] и ГОСТ 18599–2001 [15], соответственно. Результаты расчётов представлены в табл. 2 и 3.

По результатам расчёта неэффективной теплоизоляции для напорных труб из термопластов и полиэтилена можно сделать ряд выводов:

  • использование ППУ в большинстве случае экономически целесообразно;
  • толщина неэффективной изоляции ППУ слабо зависит от внешнего диаметра трубы;
  • на рассматриваемых диаметрах трубопроводов толщина неэффективной изоляции, в зависимости от диаметра труб из термопластов, изменяется по разным функциям.

Зависимость толщины неэффективной изоляции из минеральной ваты и из пенополистирола является степенной функцией, а из пенополиуретана — линейной функцией:

dППС = 7,304di20,152;

dмин.вата = 14,765di20,248;

dППУ = 0,0048di2 + 2,7881.

Выводы

По результатам проведённого исследования выявлено:

1. Неэффективная изоляция затрагивает не только трубопроводы с наименьшими диаметрами. Данное явление характерно для всех рассчитанных диаметров трубопроводов, всех материалов изоляции и материалов самих трубопроводов.

2. Необходимо проводить технико-экономический расчёт для каждого отдельного случая (особого внимания заслуживают трубопроводы диаметров до 75,5 мм и случаи применения теплоизоляции из устаревших материалов).

3. Температура внешнего слоя теплоизоляции для неэффективной теплоизоляции не превышает 35°C при температуре воды внутри трубопровода 90°C.

4. Наложение пенополиуретановой толщиной менее 3 мм практически невозможно, поэтому данный расчёт необходимо проводить прежде всего для устаревших трубопроводов, а также изоляций с относительно высокой теплопроводностью, таких как минеральная вата, древесные опилки и т. д.