Фото 1. Энергоэффективные здания в Lsrkehaven (на заднем плане ТЭЦ в Studstruprarket, принадлежащая DONG Energy)
Фото 2. Домовой ИТП с быстрым водонагревателем и тремя теплосчетчиками
Фото 3. Энергосберегающая труба с диффузионным барьером
Исследования в Дании показывают, что центральное отопление является важной частью энергосберегающих зданий даже на территориях с застройкой небольшой плотности. Анализ результатов измерений теплоносителя, отапливающего группу энергосберегающих зданий, показывает, что потери в сети могут быть значительно уменьшены, а температура подачи уменьшена до 55°C и менее без ущерба для комфорта проживания.
Новые технологии были разработаны и опробованы с целью обеспечить совместимость систем централизованного теплоснабжения с современными энергоэффективными зданиями; высокоточные ультразвуковые теплосчетчики служат «глазами и ушами», поставляющими информацию для анализа и решения проблем. Счетчики следят за теплопотерями, выясняют привычки потребителей и фиксируют наилучшие технологические нововведения. В случае, если требования по энергоэффективности появятся строительных нормах и правилах, центральному отоплению тоже придется адаптироваться и снижать потери энергии.
Влияние энергоэффективных технологий на центральное теплоснабжение
Центральное отопление является двигателем развития энергоэффективных технологий, призванных приносить пользу обществу, потребителям и энергетикам. О гибкости концепции центрального отопления свидетельствует тот факт, что в нем используются несколько способов производства энергии: тепло как побочный продукт при производстве электроэнергии (совместное про¬изводство тепла и электричества), сжигание мусора, возобновляемые источники энергии и даже ветрогенераторы.
Сейчас на концепцию центрального отопления особенно влияют энергоэффективные здания (также называемые «зелеными домами»), которые требуют гораздо меньшего количества энергии на отопление, нежели обычно поступает от систем центрального отопления. Датские системы центрального отопления обычно подают потребителям теплоноситель с температурой 70-80°C, в то время как теплосеть малой мощности подает теплоноситель с температурой около 50-55°C.
Работая с энергоэффективными зданиями, традиционные системы распределения тепла становятся экономически неэффективными, т.к. потери при транспортировке слишком велики. Фактически в Дании энергоэффективные здания не подлежат обязательному подключению к центральному отоплению. Муниципальные власти в такой стране как Дания могут обязать владельцев зданий подключать их к общей системе распределения энергии (центральному отоплению или газораспределительной сети), но с 2006 года это требование не распространяется на энергоэффективные здания. Но даже энергоэффективные здания могут получать пользу от центрального отопления. Теплосети нового поколения могут быть эффективным источником энергии для зеленых домов. Основные задачи: первая — понизить температуру подачи до 50-55°С и температуру «обратки», соответственно, до 25-30°С; вторая — снизить общие теплопотери в системах распределения, которые сейчас достигают 40% на неплотно застроенных территориях при температурах подачи 75-80°С и температурах обратки 35-40°С. Новые технологии для теплосетей На новых застраиваемых территориях около города Орхус (Дания), при поддержке Датского энергетического агентства реализуется пилотный проект по подключению энергоэффективных зданий к теплосетям. Цель проекта маломощных теплосетей — разработка новых технологий, материалов и рабочих параметров, которые позволят снизить теплопотери и общие расходы на содержание теплосетей.
Концепция разработана группой инженеров-консультантов COWI, имеющих большой опыт в проектировании теплосетей; консорциум Датских исследовательских институтов, консультантов и поставщиков оборудования для теплосетей осуществляют проект, который должен определить новые стандарты для центрального теплоснабжения энергоэффективных зданий. Обязательным является требование к обеспечению наибольшей эффективности на стадии проектирования и производства работ. Поэтому проект затрагивает все этапы процесса: от производства тепловой энергии и ее распределения до систем отопления потребителей и даже привычек потребителей.
Ключевую роль в проекте маломощных теплосетей играет система измерения тепла. Так как в проекте тестируются прототипы и постоянно подгоняются параметры с целью достичь правильное их соотношение для достижения наибольшей эффективности, точные и часто обновляемые результаты измерений необходимы. Поэтому запущена высокоточная автоматическая система измерений для поиска наиболее эффективного решения и фиксации результатов. Управляющий проектом Кристиан Холм Кристиансен изТехнологического института (Дания) говорит: «Точные результаты измерений абсолютно необходимы нам для целей диагностики и анализа. Без своевременных и достоверных данных проект будет слепым. Очевидно, усовершенствовать энергетические системы возможно только на основе достоверной информации. Счетчики являются виртуальными глазами и ушами проекта».
Демонстрационная площадка расположена в Листрупе, пригороде Орхуса, и состоит из 40 одноэтажных домов с террасами, принадлежащих ассоциации домовладельцев Ринггарден. Дома площадью 100 м2 каждый построены в 2010 году в соответствии с классом «1» энергосбережения, что означает энергопотребление 47,3 кВт-ч/м2 в год. Требования к энергоэффективным зданиям среди прочего включают эффективную теплоизоляцию, установку энергосберегающих окон и дверей и наличие теплосберегающей сбалансированной вентиляции (см.: Описание комплекса энергосберегающих зданий Ларкехавен).
Проект энергосберегающих теплосетей в Листрупе последовал за предыдущим подобным проектом, который доказал, что существует возможность осуществлять отопление водой с температурой ниже 50°C при поддержании температуры в распределительной сети около 55°C. Анализ измерений показал, что горячее водоснабжение возможно с температурой 47°C при температуре подачи 50°C, т.е. температура ГВС всего на 3°C ниже температуры первичного контура (рапорт 2, п. 5).
В текущем проекте целью ставится усовершенствовать созданную технологию. Технологические усовершенствования теперь возможны благодаря усовершенствованиям измерительного оборудования с момента осуществления первого проекта в 2007 году.
Проект маломощных теплосетей фокусируется на двух важных пунктах: понижение температуры подачи и снижение теплопотерь при транспортировке. Снижение температуры подачи само по себе значительно снижает теплопотери благодаря меньшей разности температур с окружающей средой; принимая во внимание теплопотери около 40% в обычных теплосетях, здесь предоставляется большое поле для усовершенствований.
Конструкция труб и ИТП
С целью снизить теплопотери и температуру подачи в проекте используются трубы маленького диаметра, имеющие профиль «два в одном», производства Logstor. Двойная труба имеет трубу подачи и обратную трубу в единой внешней оболочке, что позволяет снизить теплопотери в сравнении с обычными одиночными трубами. Оболочка усилена диффузионным барьером, препятствующим выходу газа из ячеек изоляционной пены наружу оболочки трубы. Также в проекте ставится эксперимент с двумя разными типами теплообменников и индивидуальных теплопунктов, устанавливаемых в каждом здании. Оба являются опытными образцами, разработанными специально для проекта маломощных теплосетей.
Первым типом является домовой ИТП с резервуаром в первичном контуре, второй тип – ИТП с быстрым водоподогревателем. Оба тестируются на способность обеспечить обычный одноквартирный дом отоплением и горячим водоснабжением с малой мощностью.
Типы ИТП отличаются друг от друга работой в системе горячего водоснабжения. Тип с быстрым водоподогревателем (Danfoss Redan Aqua Lux TD unit special) имеет теплообменник, специально разработанный для работы при небольших перепадах температур и повышенном расходе воды в первичном контуре. Другой тип (Danfoss Redan Comfort LGM120L) имеет резервуар для сетевого теплоносителя емкостью 120 л. Резервуар подключен к теплообменнику. Накопление сетевого теплоносителя в резервуаре – в отличие от накопления подогреваемой воды – мотивируется низкой температурой воды теплосети. От традиционной емкости, накапливающей воду для нужд ГВС, пришлось отказаться по гигиеническим соображениям (существует риск роста бактерий в периоды, когда вода долгое время не потребляется).
Оба типа ИТП имеют преимущества и недостатки. Наиболее заметна разница в требуемой тепловой мощности: быстрый водо-подогреватель потребляет 32 кВт, в то время как ИТП с резервуаром в первичном контуре требует гораздо меньше – 3 кВт, поскольку период теплообмена растягивается на весь день. Также здания оснащаются специально адаптированными радиаторами, обеспечивающими эффективную отдачу тепла и тем самым обеспечивающими температуру обратной воды не выше 25-30°С.
Интеллектуальный учет энергии
Так как низкотемпературные теплосети работают при очень малых разностях температур, требуется тщательный контроль с постоянным снятием показаний. Для этих целей более 67 счетчиков энергии установлены на демонстрационной площадке, состоящей из 40 жилых домов и одного дома для презентаций.
Измерительное оборудование используется для анализа и фиксации потребляемой энергии и температур, потерь тепла в сетях и потребляемую насосами электроэнергию.
Главный счетчик типа Multical 801, используемый для коммерческого учета теплосетью, установлен в доме для презентаций вместе с насосом и аппаратурой, регулирующей подачу теплоносителя. Во всех остальных зданиях установлены теплосчетчики Multical 601, отображающие на дисплее кубические метры с тремя знаками после запятой, таким образом, расход теплоносителя учитывается с точностью в 10 раз большей, чем обычно.
Все 40 зданий и дом для презентаций оснащены индивидуальными теплосчетчиками, измеряющими тепло, используемое для отопления и горячего водоснабжения, включая потери тепла у потребителя. Дополнительные теплосчетчики установлены в контурах горячего водоснабжения каждого ИТП для определения энергии, расходуемой только на нужды горячего водоснабжения.
Важный аспект проекта – показать низкие теплопотери и анализировать работу двух типов ИТП. Для этих целей два дополнительных теплосчетчика установлены в концах двух веток, к которым подключены по 11 ИТП каждого типа – с быстрым водонагревателем и с резервуаром в первичном контуре.
С помощью дополнительных счетчиков можно сравнить и зафиксировать сетевые потери в обоих случаях, понять различия режимов работы, характерные для двух принципов действия ИТП. Также оба типа ИТП проверяются на способность обеспечить надежное горячее водоснабжение в часы пиковых нагрузок. Комнатная температура в 22 зданиях регистрируется для предварительной оценки условий при планировании режима отопления. Комнатная температура регистрируется теплосчетчиком как T3. Все счетчики энергии оснащены модулями M-Bus, подключенными к сети, имеющей два концентратора. Данные собираются на локальный сервер и затем передаются на центральный сервер, расположенный в Технологическом институте.
Счетчики опрашиваются в реальном времени – это означает, что новый запрос посылается сразу после получения ответа на предыдущий запрос. Такой способ связи требует некоторого времени, на практике данные получаются с каждого счетчика раз в четыре минуты. Показания счетчиков с такой частотой снимаются в течение пяти месяцев, что обеспечивает детальную картину потребления и потерь тепла Считываются следующие параметры: расход теплоносителя Q, л/ч; накопленный объ¬ем теплоносителя V, л; тепловая энергия, Вт-ч; температура подачи f], °С; температура обрат¬ки f2, °С; разность температур f] - f2, °С; тепловая мощность P, Вт; энергия подачи E8, м3-^; энергия обратки E9, м3^2. Два последних параметра (E8 и E9) используются для вычисления средних температур за периоды наличия расхода теплоносителя. Комнатная температура (T3) считывается вручную с помощью оптического порта счетчика.
Дополнительно управляющий теплосетью имеет специальный интерфейс, подключенный к счетчикам, позволяющий ему производить мониторинг теплопотребления и получать оповещения в случаях нештатных ситуаций, таких, как слишком большой расход теплоносителя или слишком большая температура обратки. Чаще всего такие ситуации возникают в результате неправильных действий потребителей или неправильных настроек оборудования (раппорт 2, пп. 27-28).
Перспективы проекта таковы. Опыт эксплуатации нескольких проектов с 2007 года показывает, что низкотемпературные теплосети вполне работоспособны и энергоэффек¬тивные здания могут отапливаться с их помощью. Среди технологических усовершенствований в этих проектах можно отметить адаптированные радиаторы и теплые полы, повышение эффективности транспортировки тепла, новые сетевые трубы и новые конструкции ИТП для работы в маломощных низкотемпературных теплосетях.
Благодаря технологическим инновациям теплопотери могут быть значительно снижены, обеспечивая эффективное использование энергии. Достигнуты низкое энергопотребление насосами и низкие теплопотери в сети – в настоящий момент на демонстрационной площадке они составляют 17%, но это не является пределом. Температуры сетевой воды 50°С достаточно для обеспечения горячего водоснабжения с температурой 45°С. Теперь концепцию необходимо опробовать в зданиях, построенных по последним стандартам. И возможно, когда все существующие здания будут приведены в соответствие с новыми стандартами энергосбережения, все теплосети станут энергосберегающими.
Участники – компании и организации: Kamstrup, Danfoss/Danfoss Redan, Logstor Ribe Jernindustri, TOWI, Технологический институт (Дания), Датский технологический университет (Отдел гражданского инжиниринга), Ассоциация домовладельцев Ringgarden, AffaldVarme Aarhus, Hoje Taastrup Fjernvarme, Fjernvarmens Udviklingscenter. Проект маломощных энергосберегающих теплосетей софинансируется как EUDP-проект Датским энергетическим агентством (Energistyrelsen).
