Существующая концепция теплоснабжения жилых и общественных зданий в крупных городах ориентирована, как правило, на централизованное теплоснабжение от крупных источников тепловой энергии (ТЭЦ, а также районные котельные).
«Болевые точки» централизованного теплоснабжения хорошо известны, однако основные из них необходимо напомнить, чтобы на основании сравнительного анализа обосновать альтернативную концепцию: необходимость прокладки и обслуживания протяженных теплотрасс, что сопряжено со значительными затратами и потерями тепла (до 25 %); энергетические потери на транспортировку теплоносителя; отчуждение городской земли под теплотрассы и ЦТП; участившаяся аварийность, вызванная изношенностью сетей, отслуживших свой срок, сопровождающаяся временным отключением теплоснабжения большого числа абонентов; ежегодные трехнедельные отключения ГВС; недостаточная маневренность системы, обусловленная как большой технической инерционностью крупных источников теплоснабжения, так и командным стилем управления теплоснабжением (включить, отключить); ремонт теплотрасс, который в определенный период превращает город в «прифронтовой» (рытье траншей, горы извлеченного грунта и т.д.); несоответствие тарифной политики рыночным отношениям.
В результате имеем повышенные тарифы на тепло, которые более чем в три раза превосходят затраты на отопление аппаратом АОГВ, теплотехнические характеристики которого довольно низки — КПД всего 82 %.
В связи с расширением строительства в сельской местности собственного жилья в последнее время получило широкое распространение индивидуальное теплоснабжение, которое наряду с очевидными преимуществами имеет определенные недостатки. Во-первых, при индивидуальном теплоснабжении недостаточно используется теплота сгорания топлива, во-вторых, такое теплоснабжение более опасно при эксплуатации, чем централизованное.
Автономное теплоснабжение, обслуживающее дом или несколько домов, расположенных компактно, находится как бы в промежутке между централизованным и индивидуальным. Оно характеризуется удобствами, присущими как индивидуальному, так и централизованному теплоснабжению, но не имеет их недостатков. В частности, потери тепла и затраты электроэнергии на транспортировку теплоносителя сведены к минимуму. Автономное теплоснабжение имеет высокую маневренность — подача тепла строго в соответствии с погодными условиями и круглогодично без перерывов подачи горячей воды. Также полностью исключены затраты на содержание теплотрасс, а городская территория может быть использована с большей эффективностью.
И, наконец, очень важный момент — при автономном теплоснабжении (в том случае если котельная находится в собственности потребителей тепла) оплата тепловой энергии осуществляется в соответствии с фактическими затратами. Все это, вместе взятое, может уменьшить оплату населением за теплоснабжение как минимум в 2,5 раза.
Для автономных источников теплоснабжения используются, как правило, водогрейные котлы теплопроизводительностью от 0,2 до 4 Гкал/ч. Характеризуя представленные на рынке отопительной техники отечественные и зарубежные образцы котлов в указанном диапазоне нагрузок, нельзя не заметить, что они в подавляющем большинстве конструктивно выполнены по единой схеме (газотрубный тип). Поэтому имеют весьма близкие характеристики по металлоемкости, габаритам и теплотехническому совершенству (КПД в пределах
Действительно, если пересчитать КПД котла — 92 % по низшей теплоте сгорания (видимой) на высшую (полную) теплотворную способность природного газа, то КПД будет не так велик — всего 82,5 %. Это означает, что недоиспользование теплоты сгорания составляет 17,5 %. Именно этот резерв необходимо преобразовать в полезное тепло и как можно полнее. Для решения этой задачи наиболее эффективно использование котлов водогрейных поверхностно-контактных газовых (ВПКГ). Они представляют собой особый класс водонагревательных устройств, в которых используется два способа теплопередачи между газами и жидкостью.
Сначала нагрев воды производится на поверхности керамической теплоутилизационной насадки (контактный способ), а затем вода нагревается до барометрической температуры кипения и происходит ее деаэрация (в теплопередающей поверхности топочной камеры, а также и газотрубного конвективного пучка).
В отличие от традиционных котлов в котлах ВПКГ теплообмен между средами производится при атмосферном давлении.
Удачное сочетание двух способов теплопередачи позволяет иметь на всех режимах работы продукционную воду, соответствующую требованиям стандартов к качеству сетевой воды при коэффициенте использования теплоты сгорания топлива на
Более высокий коэффициент использования теплоты сгорания топлива в котлах ВПКГ достигается благодаря глубокому охлаждению продуктов сгорания нагреваемой водой на поверхности контактной насадки, в результате чего часть водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, конденсируется, а скрытая теплота конденсации используется для нагрева воды. Одновременно происходит и подпитка нагреваемой воды конденсатом. Количество сконденсированных водяных паров зависит от температуры питательной воды, и чем она ниже, тем выше эффективность процесса в целом.
Котлы ВПКГ встроены в топливосберегающую схему производства тепла, которая обеспечивается установкой за этим котлом теплоутилизационного теплообменника конденсационного типа, в котором производится окончательное охлаждение уходящих из котла газов и предварительный нагрев воды. Поскольку уходящие газы из котла имеют 100 %-ю влажность, при входе в теплообменник сразу же начинается процесс конденсации водяных паров из газов, благодаря чему значительно интенсифицируется теплообмен и не требуется громоздкой поверхности нагрева. Нагретая в теплоутилизационном теплообменнике вода поступает для окончательного догрева до 60 °C в теплообменник ГВС и сливается в бак-аккумулятор, из которого в соответствии с потреблением подается в сеть ГВС.
Главное преимущество топливосберегающей технологии производства этих котлов — экономия природного газа, которая достигает 15 % по сравнению с лучшими образцами зарубежной котельной техники. При этом КПД процесса находится, по существу, на пределе максимально возможного значения. Следует подчеркнуть, что исключительно за счет экономии природного газа стоимость таких котлов окупается по истечении шести месяцев эксплуатации.
Еще одно преимущество технологии — пониженное (более чем в три раза) количество вредных компонентов в уходящих газах, отнесенное к полезному теплу. Объясняется это, с одной стороны, уменьшением расхода топлива, а с другой — эффективной организацией его сжигания.
Благодаря малым габаритам (в плане) котлов ВПКГ и отсутствием некоторых видов громоздкого оборудования (например, деаэраторов) обеспечивается компактное размещение оборудования в здании котельной.
Преимущества этого типа отопительных систем можно продемонстрировать следующим небольшим расчетом. На ТЭЦ при сжигании каждой тонны условного топлива получают примерно 20 % электроэнергии, или 1,4 Гкал/ч (1,624 МВт), и 65 % тепловой энергии — 4,55 Гкал/ч. Из отпущенного тепла до потребителя доходит не более 75 %, 3,4125 Гкал/ч. При автономном теплоснабжении с применением котлов ВПКГ при практическом отсутствии теплопотерь затраты условного топлива на выработку 3,4125 Гкал/ч составят 448,48 кг. Тогда из одной тонны условного топлива (1 т.у.т.) на выработку 1,4 Гкал/ч (1,624 МВт) электроэнергии остается 551,52 кг, что соответствует КПД 36,3 %.
При совмещении автономной теплофикации с производством электроэнергии на лучших зарубежных аналогах (газомоторных и дизельных электростанциях с КПД, равном 47 %) реальная экономия топлива составит около 12,62 %, и при этом полностью будут исключены расходы на строительство, содержание тепловых сетей и сопутствующие им энергетические затраты на транспортировку энергоносителя.
Таким образом, при переходе на автономное теплоснабжение обозначается вектор развития большой энергетики — достижение максимального КПД выработки электроэнергии, к чему должна подтолкнуть ее потеря значительного числа абонентов тепловой энергии. Та небольшая часть тепловой энергии, которая образуется на станции в виде побочного продукта (отбросное тепло) может продаваться потребителям по ценам, соизмеримым с ценами от автономных источников теплоснабжения.
Процесс перехода на автономное теплоснабжение должен иметь постепенный характер. Сначала следует оснащать автономными источниками тепла дома-новостройки, а также дома, расположенные в тех местах, где срок службы теплотрасс истек, либо в скором времени истечет. Механизм перехода на автономное теплоснабжение может быть следующим:
1. Для домов-новостроек — учитывая невысокую стоимость сооружения автономного источника тепла (около 200 руб. на квадратный метр отапливаемой площади, что менее 0,25 % рыночной стоимости жилья), затраты на котельную следует отнести к общей стоимости жилья;
2. Для сложившейся застройки — содержание котельной может производиться на основе кредитов под проценты, которые погашаются в течение четырех-пяти лет за счет разницы между действующими тарифами на тепло и его фактической стоимостью от автономной котельной (в течение указанного срока жильцы платят за тепло по общепринятым тарифам).
Таким образом, источник теплоснабжения становится общественной собственностью с долей каждого жильца, которая учитывается при продаже (покупке) собственного помещения. По типу размещения автономные котельные могут быть крышными, встроенными, пристроенными и отдельно стоящими с полной автоматизацией и управлением с единого диспетчерского пункта, обслуживающими как один дом, так и группу жилых домов, объединенных, например, в кондоминиумы или ТСЖ.
Переход на автономное теплоснабжение наиболее предпочтителен в крупных городах при комплексной реконструкции жилых домов с газовым обеспечением, в том числе массовой застройки первого и второго периодов индустриального домостроения, что позволит значительно снизить эксплуатационные затраты и повысить эффективность реконструктивных мероприятий.
