На бытовом уровне далеко неидеальное теплообеспечение ощущается большинством. В чем же главные причины такой "неидеальности"? Если всю систему централизованного теплоснабжения разделить на части по технологическому принципу, мы получим три участка: ??производство тепла; ??транспортирование его к потребителю; ??потребление тепла. Производство тепловой энергии в РФ в разрезе условных теплопроизводителей можно оценить из табл. 1 [1]. Транспортирование тепла к потребителю Главный параметр, характеризующий транспортную систему, - ее протяженность и потери. Поэтому необходимо учитывать следующие данные [2]. В настоящее время теплоснабжение около 80 % городского жилищного фонда России осуществляется от централизованных источников; 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 в статистических данных 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). Потребление тепла Единственное оправдание наличия других участков технологической цепочки - удовлетворительное функционирование звена потребления тепла. При отсутствии этого условия все 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. Все это правильно. Но глубинной причиной плохого качества услуг по теплоснабжению скорее всего была политика. Долгие годы все, что не относилось непосредственно к нуждам государства и государственного производства, было обделено вниманием. Так, производство энергии было одной из приоритетных государственных задач, технология ее транспортирования разрабатывалась целым рядом государственных институтов, но разработке системы теплопотребления внимания уделялось значительно меньше. Так или иначе область теплопотребления в технологическом плане была отстающей. На наш взгляд, относительно низкое качество теплотехнических услуг в значительной степени объясняется явным противоречием между достаточно развитыми технологиями производства и транспортирования тепловой энергии и непродуманной системой потребления. Но не только субъективными "российскими" проблемами обусловлено плачевное состояние теплопотребления. Специфика водяного отопления такова, что нужно одновременно решать вопросы гидродинамики (протекания жидкости по сосудам) и теплотехники, теплообмена и теплопередачи. Эффективное решение этой задачи 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. Причем к параметром возвратной воды предъявляются относительно жесткие требования, чтобы излишняя доля неиспользованной энергии, возвращаясь, не ухудшала 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 населенного пункта. Очевидно, что ТЭЦ в этом случае не просто производитель тепла как, например, котельная, а один из элементов сложной системы. И наличие развитых технологий в одной ее 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 перечеркнуты отсутствием таковых на стороне потребления. Именно в этом отечественные технологии заметно отстают от аналогичных импортных. Нашей компанией разработана технология, при помощи которой возможно преодолеть это отставание - "система оптимального теплопотребления" (далее СОТ). Прежде чем представить ее подробно, рассмотрим некоторые стороны наиболее распространенных вариантов существующей технологии теплопотребления. Поскольку в северных странах Европы централизованное теплоснабжение как система бурно развивается с начала 70-х гг. прошлого века и уже достигла высокого технологического уровня, то целесообразно рассматривать те или иные отечественные технологии в сравнении с европейскими. Надо отметить, что некоторые основополагающие принципы, заложенные при построении систем, заметно отличаются. Одно 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 достоинствах и недостатках того и другого подхода. Как это часто бывает в реальной жизни, выбор той или иной технологической схемы определялся не только, и даже не столько оптимальнымитехнологическими соображениями, сколько иными, чаще экономическими, а иногда и политическими соображениями. Так, при "качественном" способе регулирования отпуска тепловой энергии не предполагалось самостоятельное регулирование величины теплопотребления потребителем. Ее определял поставщик тепла, т.е. не потребитель потреблял тепло, а поставщик снабжал его им. Это отразилось даже на терминологии. Была система теплоснабжения, а не теплопотребления. В европейском же варианте изначально главная роль принадлежала потребителю, который самостоятельно должен был определять необходимое ему количество тепла. Для обслуживания потребителей и был заложен принцип количественного регулирования в централизованной или, по западной терминологии, районной системе теплоснабжения. По этой причине качественное регулирование становится ущербным при реализации пользователями российской системы возможности управления потреблением 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, а в недалеком будущем, возможно, и полностью на количественное регулирование. Из этого предположения можно сделать следующий технологический вывод: "в технологической связке "источник-потребитель" при осуществлении регулирования приоритетным становится потребитель (абоненту), производитель (источник) - ведомым". Аналогичный "политический" след и у систем присоединения потребителей к сети: зависимой и независимой. Сегодня в России не менее 90 % потребителей присоединены к сети по зависимой схеме (рис. 1). С появлением на российском рынке импортного оборудования стал пропагандироваться независимый вариант присоединения потребителей к сети. Независимое присоединение (рис. 2) отличается наличием теплообменника между сетью и объектом теплопотребления. Недостатки этой схемы: 1. Необходимость установки дополнительного циркуляционного оборудования и теплообменника. 2. За качество теплоносителя отвечает сам потребитель, для чего потребуется недешевое оборудование для водоподготовки. Возможно избежать такой необходимости, подпитывая систему из сети, но тогда ее уже нельзя назвать независимой, что сводит на нет все предпринятые усилия. Если все же настаивать на этом варианте, придется как минимум оборудовать контур подпитки узлом учета с соответствующей арматурой и понести организационные и технические издержки, связанные с установкой дополнительного узла коммерческого учета. 3. Не стоит забывать, что при отключении электропитания на объекте произойдет остановка системы теплоснабжения, что несет потенциальную опасность как для системы, так и для потребителя. Возможно перечисленные недостатки компенсируются улучшением качества теплообеспечения и тогда жертвы не напрасны. Но давайте рассмотрим процесс передачи энергии из сетевого контура разделительного теплообменника во внутренний контур. Известно, что мощность потока тепловой энергии через некую поверхность раздела определяется уравнением: ~7~; где Q - мощность потока энергии через поверхность; S - площадь теплообмена; K - коэффициент теплопередачи; ?t - разность температур греющей и нагреваемой среды. 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 внутреннего контура всегда будет ниже температуры внешнего (сетевого). Из практики, при оптимальном соотношении ценовых параметров потери тепла на теплообменнике 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. Как правило, она ниже, иногда заметно, и в этом случае дополнительное снижение составит еще 10-20°C. Можно сделать еще один вывод: переход на независимую систему с точки зрения потребителя заметно ухудшает технологические и коммерческие характеристики системы теплопотребления. Следовательно предположение, что независимое присоединение носит не технологический, а преимущественно политико-экономический характер, имеет право на существование. И тем не менее в зарубежных странах независимое присоединение широко распространено. В чем же дело? Как было отмечено выше, наибольшее влияние оказывают не технологические, а юридические вопросы. В условиях безусловного разделения ответственности межу поставщиком и потребителем неопределенность с собственностью самого теплоносителя и его качества никого не устраивала - это главная причина. Сопутствующая - необходимость однозначного прогнозирования гидравлических параметров в месте передачи энергии от поставщика к потребителю. Эту задачу в наших условиях в значительной степени решают ЦТП. Переход на другую концепцию построения системы теплообеспечения требует как минимум выстраивания новой сквозной концепции от производителя к потребителю. Необходимо отметить, что в случаях, когда без гидравлической развязки обойтись нельзя, установка теплообменника у потребителя безусловно целесообразна. В частности при высотном строительстве, для организации горячего водоснабжения в закрытых системах и т.д. Как отмечалось выше, теплообеспечение потребителей качественными услугами - объективно непростая инженерная задача. Сегодня она формулируется еще несколько шире. Необходимо реализовать эффективное теплообеспечение. В практику вошел термин "энергоэффективное здание". Выходя за рамки только энергетической проблемы, говорят о концепции "интеллектуального здания". Несколько слов об этом. Современное здание в рамках концепции "интеллектуального" представляется как объект, в котором люди пребывают заметную часть жизни. __ С точки зрения инженерных коммуникаций возрастающая функциональность приводит ко все более сложной и громоздкой ихконфигурации. Идея же "интеллектуального здания" - комплексно использовать недавно открытые возможности по обработке и передаче информации, управленческие технологии, реализуя "интенсивный" вариант инженерного обеспечения здания. Нашей фирмой подготовлен энергетический участок инженерного обеспечения интеллектуального здания. В кругах специалистов он известен под названием "система оптимального теплопотребления" (СОТ). СОТ смонтирована на десятках объектов в почти десяти городах России. В ней комплексно решены проблемы автоматизации теплопотребления, управления теплопотреблением объекта, оперативного сбора и хранения энергетической информации об объекте. Особого внимания заслуживают "прорывные" с точки зрения технических решений аспекты СОТ. Здесь имеется в виду, прежде всего, диспетчеризация. Так, объект, на котором смонтирована СОТ, может иметь конфигурацию web-сервера. Это значит, что не затрачивая на первом этапе дополнительных средств, можно надежно получать информацию с объекта или передать на объект, в том числе в режиме on-line, используя стандартное программное обеспечение для работы в интернете. Еще одна особенность диспетчерской системы СОТ - возможность использования различных каналов связи для реализации web-технологий, в том числе сотовой связи. Возможные перспективы Не ставя задачу охватить все возможные перспективы, остановимся на некоторых. Дело в том, что в некоторых европейских странах доступ к сетям либерализован и, соблюдая определенную обязательную процедуру, доступ к сети могут иметь не только крупные производители и потребители, но и относительно мелкие производители. Конечно, параметры доступа оговорены и довольно жестки. Но принципиально это возможно. Так, например, в Финляндии несколько производителей поставляют тепловую энергию в единую сеть. И потребители могут приобретать тепло из единой сети у разных производителей. Не вдаваясь в подробности организационных аспектов, можно отметить, что такая ситуация создает много положительных моментов. 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 низкопотенциального тепла. С другой стороны, в практику все больше входят установки, превращающие низкопотенциальную энергию в относительно высокопотенциальную. И в отличие от многих зарубежных стран в каждом крупном населенном пункте уже создан резервуар большой емкости для хранения этого высокопотенциального тепла. Здесь имеются технологические возможности для более эффективного решения проблемы теплообеспечения. Если использование низкопотенциального тепла - перспективная задача, то эффективное использование имеющегося тепла - задача решаемая, 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 %. Рассмотрим поток энергии в тепловой сети некоторой системы теплоснабжения (см. рис. 3). Потребленная пользователями за время ?t энергия представляет собой: ~8~; где Q1 - поток энергии в подающем трубопроводе; Q2 - поток энергии в обратном трубопроводе; Qп - потребленная пользователями энергия; G - расход теплоносителя (система закрытая G = const); с - удельная теплоемкость; 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?с - ?t1 - t2?. (3) Другими словами, с увеличением разности температуры (теплосъема) уменьшается массовый расход теплоносителя в системе. Но уменьшение расхода приводит к улучшению гидравлических характеристик системы, многие проблемы так называемых "хвостовых" потребителей становятся не такими острыми и т.д. На пьезометре это можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 4). При одной и той же мощности потребления массовый расход теплоносителя G2 < G1. Видно, что чем дальше от источника, тем заметнее улучшение гидравлической обстановки у потребителей. Таким образом, наводя порядок у потребителей, мы улучшаем характеристики сети. Другими словами, если лечить болезнь, то симптомы исчезнут сами. Симптомы болезни, поразившей потребителей, проявляются и на всей сети (рис. 4)! Этот пример очень ярко иллюстрирует неразрывную связь в гидравлической системе производителя, сети и потребителя. Эту связь можно назвать "кровной", роль крови выполняет теплоноситель. Корень сегодняшних проблем - неприспособленность для регулирования со стороны потребителя системы, невозможность управления абонентом процессом теплопотребления. Что же из себя представляет СОТ? Практические инженеры и энергетики сталкиваются с необходимостью оптимизации при работе 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 эффективноетеплопотребление не ограничивается решением проблем тепловой автоматики, но входит в нее как часть. Другие части СОТ - это управление теплопотреблением объекта, соблюдение технологических ограничений на параметры обратного теплоносителя (возвращаемой воды), более эффективное использование энергии и, наконец, учет потребленной энергии. Последняя из названных задач, пожалуй, наиболее известна, так как на нее сделан упор во многих энергосберегающих мероприятиях и программах. В связи с этим необходимо обратить внимание на широко распространенное заблуждение, якобы сама по себе установка учета представляет собой энергосберегающее мероприятие. Лучшая демонстрация необоснованности такого подхода - повсеместная установка теплосчетчиков. Если мы узнаем, что потребляем энергии меньше, чем думали, и станем оплачивать только потребленное тепло, то в результате цена единицы повысится. Иного быть не может, так как по экономическим законам потребитель должен покрывать все издержки производителя. 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 повышенный интерес в СОТ вызывают возможность реализации эффективных и гибкоуправляемых проектных решений, дополнительный плюс - гидравлическая устойчивость. Для специалистовэнергетиков повышенный интерес состоит в применении компактных, практически не требующих обслуживания, исполнительных механизмов (клапан с приводом), для эксплуатирующих инженеров - алгоритмы управления теплообменными процессами, для управляющих специалистов - применяемые информационные технологии по передаче информации на расстояние, автоматическая диспетчеризация. Небезынтересен экономический аспект внедрения СОТ на практике. На примере одного из реконструированных объектов в табл. 2 приведены данные об экономии на протяжении четырех отопительных сезонов. Данные взяты из показаний коммерческого узла учета тепловой энергии. Необходимо отметить, что понесенные затраты на реконструкцию объекта составили 125 тыс. руб. в 1999 г. и около 70 тыс. руб. в 2000 г. В базовом отопительном сезоне (1999-2000 гг.) теплосчетчик 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? Журнал АВОК, №1/2004. 3. Н.М. Байтингер, В.В. Бурцев, А.С. Басин. Энергосбережение как необходимый элемент энергоэффективного теплообеспечения. Энергетика: экология, надежность, безопасность (Материалы докладов 9-й Всероссийской научно-технической конференции). Томск, Изд-во ТПУ, 2003. РИСУНКИ: 1~3~; 2~4~; 3~5~; 4~6~; ТАБЛИЦЫ:1~1~;2~2~;