Оценка эффективности транспортирования тепловой энергии

В рамках реализации ФЗ № 261 «об энергосбережении…» в ближайшие два года уровень оприборивания в централизованных системах теплоснабжения приблизится к 100%. В такой ситуации возникнет реальная возможность инструментального измерения потерь тепловой энергии (ТЭ) при транспортировании и объективной оценки эффективности существующих сетей. Целью таких измерений является управление эффективностью централизованного теплоснабжения в части транспортных издержек. Задачей для достижения данной цели является создание неких коэффициентов (параметров эффективности), с помощью которого мы можем объективно оценивать состояние конкретной сети транспортирующей ТЭ по сравнению с нормой, с другими сетями и изменения рассматриваемой сети в разных временных периодах. Очень важно, что бы такие параметры были приведенными, позволяющими сравнивать между собой эффективность объектов сетей в разных климатических зонах, в разные времена года. В качестве первичной информации предполагается использовать результаты измерений, получаемые с помощью приборов учета (теплосчетчиков) тепловой энергии. Автоматизация получения результатов измерений от СИ позволит автоматизировать расчеты параметров эффективности для самой сети и ее отдельных объектов за выбранный период времени.

Автор предлагает использовать три параметра описывающих эффективность транспортирования ТЭ. Для каждого из параметров можно установить нормативы (ввести классность), проведя корреляцию (сопоставление, установить соответствие) с существующими и применяемыми на сегодняшний день расчетными методиками.

• · Первый - коэффициент циркуляции теплоносителя, Ккал/т. Позволяет определить эффективность использования теплоносителя для транспортирования ТЭ. Предлагается рассчитывать его отдельно для каждого участка трубопровода на основе показаний (суммы показаний) прибора учета. Параметр высчитывается по следующей формуле:

K = Q / M₂*1000

• Где : К – коэффициент циркуляции теплоносителя, Ккал/т;
• Q – энергия в Гкал;
• М₂ – масса теплоносителя прошедшая по обратному трубопроводу, т;

• Второй - коэффициент загрузки трубопровода, м/с. Позволяет определять уровень загруженности трубопровода, оптимальную скорость течения воды. На эту скорость рассчитывается циркуляция и передаваемая мощность для трубопровода. Скорость обоснована расчетами еще в 70-е годы для магистральных сетей, как оптимум по соотношению CAPEX и OPEX, ~ 1,5 м/с. С тех пор изменились и капитальные затраты, и стоимость изоляции, да и температурные графики практически нигде не соблюдаются. Поэтому «эмпирически найденный оптимум» во многих сетях сегодня составляет ~ 2 м/с. Предлагаемый параметр высчитывается по следующей формуле:

К = V * 4 / (Пи*Dу²) / t /3600

Где : К – скорость теплоносителя, м/с;

V – объем теплоносителя за период, м³;

Dу –диаметр трубопровода, м;

t – продолжительность периода, час.

Предлагается рассчитывать его отдельно для каждого участка трубопровода на основе показаний (суммы показаний) прибора учета.

• Третий – коэффициент эффективности теплоизоляции трубопровода. Это коэффициент, показывающий потери энергии за период (месяц), приведенные на площадь и градус температуры. Применение такого коэффициента сопряжено с проблемами обеспечения точности измерений. В случае попытки использовать измеренные приборами значения количества тепловой энергии мы получим проблему неточности измерения ТЭ. Классический счетчик тепловой энергии при измерении энергии имеет пределы погрешностей ± 4%, что не позволяет добиться требуемой точности измерений по причине соразмерности пределов погрешности теплосчетчика и измеряемой величины (рис 1).

В случае попытки использования значения температур измеренных СИ для вычисления потери температуры (часто менее 1ºС) на трубопроводах от источника до потребителя отдельно по трубопроводу подачи и обратки, мы получим проблему неточности измерения температуры. Классический счетчик тепловой энергии при измерении значения абсолютной температуры имеет погрешность ± 1ºС, что также не позволяет добиться требуемой точности измерений опять же по причине соразмерности пределов погрешности теплосчетчика и измеряемой величины (рис 2). Поэтому описанные выше способы измерения и расчета параметра эффективности применить на практике не представляется возможным в силу большой погрешности методов.

Предлагается принять в качестве метода, совместные потери теплового потенциала (разности температур между трубопроводами подачи и обратки), умножив полученные потери потенциала на усредненную массу теплоносителя измеренного в подающем и обратном трубопроводах, мы получим энергию. Классический счетчик тепловой энергии при измерении значения разности температур имеет погрешность ± 0,1ºС, что позволяет добиться приемлемой точности измерения так как размерность пределов погрешности теплосчетчика и измеряемой величины отличается на порядок (рис 3). Разделив полученное таким методом значение энергии на сумму площадей трубопроводов подачи и обратки за рассматриваемый период, и на разность температур воздуха и теплоносителя мы получим искомый параметр (разность между дельтой средневзвешенных температур теплоносителя у поставщика (Δt_И) и дельтой средневзвешенных температур у потребителей (Δt_П) умноженная на массутеплоносителя (М_ИО), отнесенная на площадь поверхности м² трубопроводов (подачи и обратки) и на разность температур между средней температурой теплоносителя и воздуха (Δt_В)):

• К – параметр (коэффициент теплопроводности) эффективности теплоизоляции трубопроводов (потери теплового потенциала), Вт /м²*°С за рассматриваемый период.
• δt_И – средневзвешенная разность температур в трубопроводах подачи и обратки источника ТЭ за рассматриваемый период.
• δT_И^N – средняя разность температур, измеренная в трубопроводах подачи и обратки источника ТЭ за час (N –час).
• М_И^N – усредненная измеренная масса теплоносителя прошедшего в трубопроводах подачи и обратки источника ТЭ за час (N –час).
• М_И – усредненная измеренная масса теплоносителя прошедшего в трубопроводах подачи и обратки источника ТЭ за рассматриваемый период.
• M_П^N – масса теплоносителя прошедшая по трубопроводу, измеренная у конкретного потребителя за рассматриваемый период (N – потребитель).
• M_П^{N, М} - масса теплоносителя прошедшая по трубопроводу, измеренная у конкретного потребителя (N – потребитель) за М-ный час
• δТ_П^N – средневзвешенная разность температур теплоносителя в трубопроводах подачи и обратки у конкретного потребителя за рассматриваемый период (N – потребитель).
• δТ_П^{N, M} - разность температур теплоносителя у конкретного N-ного потребителя за рассматриваемый M-ный час
• δT_В – средняя разность температур между средней температурой теплоносителя в подаче и обратке источника и средней температурой воздуха за рассматриваемый период.
• T_В – средняя температура воздуха за рассматриваемый период.
• T_И^п – средняя температура теплоносителя в подаче источника за рассматриваемый период.
• T_И^О – средняя температура теплоносителя в обратке источника за рассматриваемый период.
• S – площадь трубопроводов рассматриваемого участка сети (м²).
• L – длина трубопроводов рассматриваемого участка сети (м).
• D – диаметр трубопроводов рассматриваемого участка сети (м).

1.) ; °С

2.) ; °С

3.)

4.) ; °С

5.) ; м²

6.)

Итак, для того чтобы оценить состояние сети теплоснабжения по мнению автора, достаточно знать три параметра характеризующую конкретную сеть:

1. Коэффициент циркуляции теплоносителя (КЦТ), Ккал/т.

2. Коэффициент загрузки трубопровода (КЗТ), м/с.

3. Коэффициент эффективности теплоизоляции трубопровода (КЭТТ), Вт/м²*°С.

Используя величины этих коэффициентов, оценка состояния конкретной сети с точки зрения ее эффективности, становится управленческой задачей, имеющей достаточные условия для ее успешного решения.

Не менее важно иметь аналогичные параметры для оценки эффективности потребления тепловой энергии зданиями для нужд отопления. Хотелось бы иметь параметр, который показывает эффективность потребления вне зависимости от температуры воздуха на улице и вне зависимости от площади зданий. В этом случае мы сможем ранжировать здания и сравнивать эффективность использования тепловой энергии зданием в разные периоды времени. Такой параметр рассчитывается следующим образом, информация о количестве потребленной ТЭ за рассматриваемый период (месяц), делится на площадь здания и делится на разность температур воздуха в помещении (норма) и воздуха на улице:

• Ккал/м^2*ºС (коэффициент эффективности потребления Т.Э. - КЭП)И конечно именно по информации, полученной на вводе в здание, вычисляется описанный выше коэффициент циркуляции теплоносителя (КЦТ):
• Ккал/т (коэффициент циркуляции теплоносителя - КЦТ). Если здание подключено к системе централизованного горячего водоснабжения (ГВС), то параметр эффективности потребления горячей воды выглядят как количество потребленной воды одним человеком за месяц:
• м³/чел (коэффициент эффективности потребления горячей воды - КЭГВС)Следует еще оценивать эффективность циркуляции воды в системе ГВС, которая определяется отношением разобранной воды к количеству горячей воды прошедшей по подающему трубопроводу:
• f = _рм³ / _пм³ (коэффициент эффективности циркуляции в системе ГВС - КЭЦГВС)

Рассмотрим на конкретном примере вычисление предложенных параметров эффективности:

есть котельная, есть четыре потребителя, система теплоснабжения открытая, Температура на улице T_В = - 6; температура в помещении T_п = 20.

Q=Q1+Q2; Q1= M2*(T1-T2); Q2=(M1-M2)*(T1-Tk); Tk=10;

Рассмотрим полученные параметры эффективности, для начала по потребителям:

• Параметр КЭП (коэффициент эффективности потребления ТЭ, Ккал/м^2*ºС) выявил, что наиболее эффективным является жилой дом по адресу Московская, д. 46 Первомайская, д. 5 с коэффициентом 0,07, а наименее эффективным жилой дом по адресу Первомайская, д. 3 с коэффициентом 0,15. Обратите внимание разница в два раза, понятно, что на этом доме требуется разработать и провести мероприятии по утеплению здания.
• Параметр КЦТ (эффективность использования теплоносителя для транспортирования ТЭ, Ккал/т) выявил, что наиболее эффективным является жилой дом по адресу Первомайская, д. 3 с коэффициентом 17,86, а наименее эффективным жилой дом по адресу Московская, д. 46 с коэффициентом 9,35, и тоже разница почти в два раза.
• Параметр КЭГВС (эффективность потребления горячей воды, м³/чел) выявил, что наиболее эффективным является жилой дом по адресу Первомайская, д. 5 с коэффициентом 2,37, а наименее эффективным жилой дом по адресу Первомайская, д. 3 с коэффициентом 3,11.
• Параметр КЭЦГВС (эффективность циркуляции в системе ГВС, _рм³ / _пм³) выявил, что наиболее эффективным является жилой дом по адресу Первомайская, д. 3 с коэффициентом 0,23, а наименее эффективным жилой дом по адресу Московская, д. 46 с коэффициентом 0,16.

Теперь рассмотрим полученные параметры по теплосети:

• Значение параметра КЦТ (эффективность использования теплоносителя для транспортирования ТЭ, Ккал/т) составило 15,08. Безусловно, со стороны сети должны быть приняты меры воздействия для изменения ситуации с наименее эффективным объектом (жилой дом по адресу Московская, д. 46) КЦТ = 9,35.
• Параметр КЗТ (эффективность загрузки трубопровода, м/сек) выявил, что... мягко говоря, диаметры трубопроводов явно завышены (по всем участкам скорость движения теплоносителя далека от оптимальной ~ 2 м/с). Следует выполнить расчет, который обоснует экономическую целесообразность замены труб на меньший диаметр.
• Параметр КЭТТ (эффективности теплоизоляции трубопровода, Вт/м²*°С) составил 7,84. Для примера, современная ППУ-изоляция обеспечивает этот показатель на уровне 1,0-1,5. Причина такого неэффективного показателя кроется в нерационально больших Ду применяемых трубопроводов, нерациональность которых мы увидели в параметре КЗТ.

По предложенным автором параметрам мы можем сравнивать объекты, включая теплосеть, как с другими объектами, в том числе находящимися в других климатических регионах, так и наблюдать изменения состояния объекта во временном горизонте в процессе его эксплуатационных изменений и реконструкций.