Введение

Проблема энергосбережения в административных помещениях является одной из наиболее актуальных в наше время, поскольку именно там энергетический ресурс расходуется менее рационально [1–3]. Согласно [4] в бюджетных учреждениях определён ряд обязанностей по проведению энергосберегающих мероприятий, за соблюдение которых предусмотрены поощрительные меры, а за несоблюдение — штрафные санкции.

В качестве исследуемого объекта рассматривается больница, которая состоит из четырёх лечебных помещений (стационар, поликлиника, хирургический корпус и врачебная амбулатория) и четырёх административно-хозяйственных помещений (здание администрации, гараж, общежитие, склад, столовая), общая площадь которых составляет 6868 м².

В Репьевской больнице теплоноситель подаётся по централизованной схеме отопления. Увы, централизованная система отопления в нашей стране является инертной: изменение температуры теплоносителя в источнике теплоты происходит с отставанием. К тому же централизованная система акцентируется на среднего потребителя, именно поэтому здания, которые находятся ближе всего к источнику, имеют завышенные показатели температуры теплоносителя. Когда температура воздуха на улице увеличивается, то для обеспечения комфорта приходится выпускать тепло. На сложившуюся ситуацию следует обратить внимание для того, чтобы добиться максимальной экономии.

Основная часть

Так как наш объект является частью социальной сферы, именно в нём имеются большие резервы экономии за счёт периода отсутствия людей в отапливаемом помещении. Мы получим большую выгоду, задав заниженные параметры обеспечения теплом и горячей водой, и при этом не нарушим комфорт в рабочее время.

Сэкономить на отоплении можно, установив в индивидуальном тепловом пункте здания системы автоматического регулирования тепла (САРТ). Целью предложенной системы является регулировка теплопотребления в здании в зависимости от реальных потребностей в данный период. Основные задачи САРТ:

1. Исключить подачу на объект теплоносителя с завышенными («перетопы») и с заниженными параметрами, а также определить оптимальные параметры теплоносителя в зависимости от температуры окружающей среды с минимальной инерцией. Корректировки предложенной системы происходят мгновенно.

2. Регулировать температуру теплоносителя в обратном трубопроводе теплосети, что помогает избежать штрафных санкций со стороны источника энергоснабжения за превышение установленной температуры. С помощью САРТ возможно ограничить забор теплоносителя из сети и запускать его повторно из обратного трубопровода до тех пор, пока его температура не достигнет нормы.

3. Экономить тепловую энергию за счёт понижения температуры в помещении в ночные часы, а также в праздничные и выходные дни.

4. Поддерживать заданный температурный режим здания с помощью датчиков, размещённых в контрольных помещениях. Это обеспечит комфортные условия для пациентов и персонала.

САРТ включает в себя датчики температуры, насосы, различные контроллеры, регулирующий клапан, а также аппаратуру связи (в случае управления на расстоянии). Анализ температуры осуществляется с помощью датчиков. После чего все данные передаются в центр управления системой. Контроллер снимает показания датчиков и отправляет информацию в регулирующий клапан в соответствии с заданной программой.

Важную роль в системе автоматического регулирования занимает блок управления. Он является центром автоматики и позволяет:

  • регулировать температурный режим помещения на каждый день недели, учитывая выходные дни;
  • автоматически поддерживать установленный режим регулирования подачи теплоносителя;
  • программно задавать конфигурацию системы регулирования тепла из набора типовых схем.

САРТ позволяет рационально использовать тепловую энергию и создаёт комфортные условия как для пациентов, так и для работников данного учреждения. Также в системе предусматривается техническая возможность выдачи сигналов в единый диспетчерский центр о выходе регулируемых параметров за пределы регулирования. Это значительно повышает её надёжность и минимизирует вероятность отказа системы и оборудования.

Экономический расчёт показал значительную выгоду от внедрения САРТ в Репьевской больнице. Понижение температуры воздуха в помещении составляет (рис. 1):

  • в нерабочие дни ≈ 15 %;
  • в нерабочие часы ≈ 20 %;
  • исключение перетопов ≈ 5 %.

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 1

Кроме экономии и комфортных условий, внедрение САРТ обеспечивает балансировку системы отопления, увеличивает срок эксплуатации оборудования системы теплоснабжения, повышает статус и уровень развития больницы и соответствует требованиям законодательства по энергосбережению [4–6]. Немаловажным фактором является и срок окупаемости САРТ, который составляет от полудня до двух лет. При этом срок службы оборудования при правильной эксплуатации весьма существенен — не менее 15 лет.

Дополнительно можно установить модуль коммерческого учёта потребляемой энергии в тепловом пункте. После чего мы платим за реальное теплопотребление, а не расчётное, и, таким образом, снижаем расходы на отопление. Исходя из опыта установки модулей учёта тепла на объектах социального назначения, средняя экономия в течение отопительного периода может составлять до 40 % [7].

Рассмотрим математическую модель управления системой отопления для Репьевской больницы. Которая показывает, как функционирует зависимая схема присоединения системы отопления со смешением воды (рис. 2). Предлагаемая конструкция состоит из подающего 1 и обратного 2 трубопроводов, регулирующие клапаны с энергоприводом V1 3 и V2 4, смесительный насос N 5, тепловую нагрузку (обогреваемое помещение) R 6, САР 7, датчики температуры отапливаемого помещения 8, наружного воздуха 9, теплоносителя 10. Рассмотрим номинальный режим работы схемы на рис. 2.

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 2

Горячая вода подаётся на клапан V1 из подающего трубопровода, который отрегулирован для её подачи на тепловую нагрузку R и создания номинальной температуры в обогреваемом помещении.

Далее в точке А она «запитывает» контур A–R–B–A тепловой нагрузки R с помощью смесительного насоса N, обеспечивает непрерывный тепловой поток горячей воды через клапан V2. Отдавшая часть тепла вода остывает в контуре и попадает в обратный трубопровод и возвращается во внешнюю подающую систему. Насос N, работая в номинальном режиме с постоянной частотой оборотов вала, проталкивает через клапан V2 постоянную порцию охлаждённой воды из контура A–R–B–A. Если температура наружного воздуха снижается, САР пропорционально увеличивает открытие клапана V1 и, соответственно, прикрывает клапан V2, что приводит к увеличению порции тепла, подаваемого на тепловую нагрузку R. Если температура наружного воздуха возрастает, САР пропорционально прикрывает клапан V1 и открывает клапан V2, что приводит к уменьшению порции тепла, подаваемого на тепловую нагрузку R.

Схему (рис. 2) можно улучшить, убрав из неё питающий клапан V2 и перенеся его функции на смесительный насос N (рис. 3). Тогда наша система автоматического регулирования будет реагировать на смену температуры наружного воздуха, контролируя частоту оборотов вала N и управляя входным клапаном V1 (рис. 3).

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 3

На рис. 3 представлена более простая и менее дорогостоящая схема функционирования системы отопления.

Разберём процесс теплообмена в системе отопления, а также перечислим его основные параметры: t1 и t2 — температуры подающего и обратного трубопроводов, К; tА, tК и tн — температура воды за точкой А в контуре А–R–B–A, температура в обогреваемом помещении и температура наружного воздуха, К; K1 и KN — доля полного открытия клапана V1 и коэффициент полной производительности смесительного насоса N; k — коэффициент теплопередачи фасадного ограждения, Вт/(м²·°C); G1, G2, GN и GK — расходы воды в подающем и обратном трубопроводах, смесительном насосе N, отапливаемом помещении (тепловой нагрузке R), кг/ч; Q1, Q2, QN, QК, Qоб и Qм — тепловые потоки, переносимые в подающем и обратном трубопроводах, смесительном насосе N, отапливаемом помещении (тепловой нагрузке R); Qоб — тепловой поток от оборудования, Qм — тепловой поток от других источников тепловыделения, Вт; F — площадь поверхности обогреваемого помещения (тепловой нагрузки R), м² [8].

Также отметим, что в номинальном режиме ко всем индексам будет добавлена буква «н».

В нашем случае общий входной тепловой поток Qвх расходуется на суммарный выходной тепловой поток Qвых.

При установке смесительных насосов для систем отопления, рекомендуемых в соответствии с требованиями [9], на перемычке между подающим и обратным трубопроводами (напор — на 2–3 м больше потерь давления в системе отопления) следует определять подачу насоса (расход воды) GN.

В соответствии с правилами, при установке смесительных насосов для систем отопления на перемычке между обратным и подающим трубопроводом следует определять расход воды, то есть подачу насоса GN.

Перечислим некоторые параметры, применяемые в нашей схеме: удельная теплоёмкость воды c = 4,266 кДж/ (кг·°C) при температуре t1 = 130 °C; t1 и t2 — температура подающего и обратного теплопроводов, °C; u — коэффициент смешения; tA — температура воды за точкой А в контуре A–R–B–A, °C.

Также важно отметить, что осуществление номинального процесса отопления происходит в стационарном режиме, то есть в контуре отопления значения (расход жидкости, тепловой поток) остаются неизменными с течением времени.

Учтём, что тепловые потоки пропорциональны соответствующим расходам (Q1 ~ G1, QN ~ GN).

Тёплая вода проходит через вентиль V1 с долей полного открытия K1, затем прокачивается через контур A–R–B–A с тепловой нагрузкой R с помощью смесительного насоса N, работающего с коэффициентом полной производительности КN.

Тепловой поток QK, переносимый по контуру A–R– B–A, передаётся в тепловую нагрузку R (отапливаемое помещение), создавая в нём номинальную температуру tK = 20 °C. При стационарном режиме он посредством теплопередачи передаётся через твёрдую стенку ограждения [10].

Учитывая все условия, мы придём к выводу, что:

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 4

Упростим формулу (1), введя новые обозначения:

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 5

Придём к зависимости, связывающей коэффициенты:

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 6

где а > 0, b > 0, 0 < K1 < a/b.

Из формулы (2) следует, что коэффициенты KN и K1 связаны обратной пропорциональной зависимостью, причём с ростом температуры наружного воздуха tн соответствующая кривая семейства приближается к оси абсцисс и пересекает её в точке a/b.

На рис. 4 кривым I, II и III соответствуют температуры tн1 < tн2 < tн3. Отметим, что величина Q1 для номинального режима известна и хранится в памяти системы автоматического регулирования.

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 7

Рассмотрим один из возможных вариантов энергосбережения при помощи математической модели. Проведя анализ формулы (2), мы получили зависимость между K1 и KN, которая позволяет управлять электроприводами клапана V1 и смесительного насоса N. Очевидно, что при данном перепаде температур t желательно, чтобы расход тепла в системе отопления был минимален.

В этом случае получим:

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 8

Исследуем функцию F(K1) на локальный экстремум:

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 9

Если 1 – a/K12 = 0, тогда K11 = – √a, K12 = √a — критические точки первого рода. Если учесть, что K1 > 0, то остаётся K12 = √a. Из рис. 5 следует, что имеет локальный минимум в точке K12 = √a, причём F(√a ) = 2√a – b.

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 10

Определим:

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 11

График функции F(K1) изображён выпуклостью вниз на полуинтервале (0; 1], точек перегиба не имеет (рис. 6).

Энергосберегающие мероприятия в системе отопления учреждений здравоохранения. 6/2018. Фото 12

Выводы

Разработан ряд энергосберегающих мероприятий, которые не только будут способствовать экономии теплоэнергии, но и помогут повысить уровень комфортности больницы, что благоприятно скажется на пациентах и работниках учреждения. Обоснован более простой вариант управления процессом отопления.

Применена математическая модель управления системой отопления для Репьевской больницы, в которой подробно описаны значения, позволяющие получить минимальный расход тепла, что поможет добиться высокого уровня экономии энергосбережения в системе отопления. При таком варианте теплоснабжения один из управляющих клапанов (V2) может быть исключён, а его функции теплорегулирования перенесены на клапан V1 и смесительный насос N. Это позволяет сократить производственные затраты на обеспечение теплом и упрощает управление САРТ этим процессом.

Путём внедрения САРТ в отопительную систему Репьевской больницы экономия теплоэнергии составит до 40 %, тем самым установка системы окупается менее чем за два года. На данный момент это является оптимальным решением, так как наше предложение не только повысит уровень энергоэффективности объекта, но и выведет больницу на новый уровень в применении передовых технологий, что однозначно повысит её рейтинг и привлечёт дополнительные инвестиции.