Значительный потенциал энергосбережения сосредоточен в жилищном фонде, и его величина составляет до четверти энергоёмкости ВВП Российской Федерации [1]. Эксплуатационное энергопотребление существующих жилых и общественных зданий в России в несколько раз превышает аналогичные показатели в европейских странах со сходными природноклиматическими характеристиками. Ежегодный прирост энергоэффективных жилых и производственных зданий за счёт нового строительства не превышает 1% от существующих площадей [1], поэтому основной потенциал энергосбережения содержится в эксплуатационной сфере и может быть реализован посредством реконструкции и санации действующих основных фондов. Важным направлением повышения энергоэффективности существующего жилого фонда является оптимизация тепловых схем систем централизованного теплоснабжения.
Теплоснабжение зданий от центральных тепловых пунктов
В большинстве городских закрытых теплофикационных систем горячее водоснабжение (ГВС) зданий и сооружений производится от централизованных тепловых пунктов (ЦТП). Расходы прямой и обратной сетевой воды Gсв в закрытых системах теплоснабжения практически постоянны и отличаются лишь из-за небольших утечек. ЦТП связаны трубопроводами с линиями прямой и обратной сетевой воды магистральных тепловых сетей и с городским водопроводом. Системы ГВС отдельных зданий соединены с ЦТП трубопроводом горячей водопроводной воды, подогретой в теплообменниках ЦТП до температуры tгв = 60–65°C. К каждому из домов подведён трубопровод холодной воды, подключённый к линиям городского водопровода.
На рис. 1 показана принципиальная схема ГВС от ЦТП [2].
Расход сетевой воды в закрытых системах определяется по расчётным теплофикационным нагрузкам ТЭЦ на систему отопление Qт p, вентиляцию Qв p и систему ГВС Qp ГВС, при расчётных температурах прямой tр пс и обратной tр ос линиях теплосети [3], по формуле (1):
К водоразборным кранам ГВС в каждой квартире жилого здания подведены трубопроводы горячей и холодной водопроводной воды. Жители домов пользуются смесью горячей водопроводной воды Gсм с температурой tгв = 60–65°C, подаваемой из ЦТП, и холодной воды Gхв с температурой, в зависимости от периода года равной tхв = 5–15°C. Температура разбираемой из водоразборных кранов ГВС смеси горячей Gгв и холодной воды Gхв обычно составляет 30–45°C.
Снижение температуры сетевой воды в теплообменниках ЦТП Δtос при подогреве горячей водопроводной воды, далее возвращаемой в магистральный трубопровод 8 обратной сетевой воды, можно определить по величине расчётной нагрузки в системе ГВС
Δtос = QpГВС/(срGсв)
или из уравнения теплового баланса этих теплообменников
Δtос = Gгв/Gсв(tгв — tхв).
Приравнивая правые части этих выражений, можно определить расход горячей воды, подаваемой в здания из центрального теплового пункта:
Из уравнения теплового баланса водоразборных кранов ГВС при смешении в них горячей и холодной воды определяется расход подводимой в них холодной воды:
В соответствии с «Требованиями энергетической эффективности зданий, строений и сооружений…» [2] устанавливается необходимость поэтапного снижения к 2020 году удельного потребления воды жилыми зданиями до 175 л на человека в сутки по отношению к её среднему фактическому потреблению 320 л на 1 января 2008 года. В том числе потребление горячей воды должно уменьшиться со 150 до 80–85 л на человека в сутки. Это снижение должно быть достигнуто за счёт переноса узла приготовления горячей воды из ЦТП в индивидуальные тепловые пункты (ИТП) в зданиях, по мере износа оборудования в ЦТП и внутриквартальных сетей горячего водоснабжения. Предусмотрено оснащение квартир приборами индивидуального учёта потребления воды.
Для повышения энергетической эффективности и реализации Требований [4] предлагается в ИТП каждого из зданий устанавливать два вида теплообменников. На рис. 2 приведена принципиальная схема модернизированной закрытой зависимой системы теплоснабжения с горячим водоснабжением от индивидуального теплового пункта здания.
В двухступенчатом теплообменнике 5 предполагается подогревать горячую водопроводную воду Gхв для водоразборных кранов системы ГВС, а в теплообменнике 7 производить небольшой (на 10–15°C) подогрев до tхв холодной водопроводной воды, подаваемой в водоразборные краны и используемой для хозяйственно-бытовых нужд жителей. Gхоз — расход воды на приготовления пищи и отвод канализационных стоков. При условии сохранения постоянными температуры tсм и количества воды Gсм = (Gгв + Gхв), отбираемой жителями из водоразборных кранов, подогрев водопроводной воды в теплообменнике 7 приведёт к уменьшению расхода горячей водопроводной воды, подводимой к кранам, до величины Gгв, определяемой по формуле:
Полный расход холодной водопроводной воды, подаваемой в здания, удобно выразить как GΣ = Gсм/(1 — λ), где λ = Gхоз/GΣ — доля расхода воды, используемая в жилых зданиях для хозяйственно-бытовых нужд.
Установка в ИТП жилых зданий дополнительных теплообменников 7 позволит увеличить охлаждение обратной сетевой воды по сравнению с вариантом закрытой схемы с ЦТП до температуры, определяемой:
В результате дополнительного снижения температуры теплоносителя после ИТП жилых домов понизится и температура сетевой воды в обратной линии теплосети, возвращаемой на ТЭЦ. При этом уменьшится давление пара в нижних теплофикационных отборах её паровых турбин, возрастёт тепловая нагрузка нижних сетевых подогревателей (НСП) ΔQНСП = GсвсрΔtос и увеличатся теплофикационные отборы пара ΔDНСП = ΔQНСП/gк.
Также повысится теплофикационная тепловая нагрузка ТЭЦ:
Qт = Qт + ΔQНСП,
расход пара на турбины ΔD0 = kpΔDНСП и их электрическая мощность ΔNэ = kpΔDНСП(Hi + Δh)ηмг, здесь kp — коэффициент регенерации; Hi и Δh — внутренний теплоперепад в турбинах до нижних теплофикационных отборов и дополнительный теплоперепад между верхними и нижними теплофикационными отборами. Снижение давления пара в теплофикационных отборах приводит к увеличению экономичной выработки электроэнергии на тепловом потреблении. При этом на ТЭЦ несколько возрастёт расход потребляемого топлива:
Пример расчёта предлагаемой схемы
Сравним эффективность работы закрытой теплофикационной системы по традиционной схеме с горячим водоснабжением жилых зданий от ЦТП и при её реконструкции по предлагаемой схеме с применением ИТП.
Пусть расчётные тепловые нагрузки на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение составляют Qтp = 400 МВт, Qвp = 120 МВт, QpГВС = 70 МВт. Расчётные температуры в прямой и обратной линии теплосети tр пс = 130°C, tр ос = 70°C. В течение отопительного периода расход сетевой воды в магистральной линии теплосети не изменяется, и для принятой расчётной нагрузки ГВС будет равен Gсв = 2070 кг/с. Примем средние значения температур горячей воды tгв = 65°C, холодной водопроводной воды tхв = 5°C и температуру воды (смеси), потребляемой жителями домов, tсм = 35°C.
Тогда, используя приведённые выше выражения, определим расход горячей воды, подаваемой в здания из ЦТП Gгв = 278,64 кг/с, расход холодной воды на водоразборные краны системы горячего водоснабжения Gхв = 278,64 кг/с, и расход смеси Gсм = 557,3 кг/с. В теплообменниках ЦТП температура сетевой воды при этом снизится на Δtос = 8,1°C.
Для закрытой теплофикационной системы с применением ИТП (рис. 2) при подогреве холодной воды в теплообменнике 7 на 10°C получим tхв = 15°C. Тогда расход горячей воды и подогретой холодной воды, поступающих в водоразборные краны системы ГВС будет равен Gгв = 222,91 кг/с и Gхв = 334,37кг/с.
Если считать, что доля расхода воды на хозяйственные нужды λ = 0,3, то суммарный расход холодной воды, подаваемый в здание, равен GΣ = 796,12 кг/с, а её расход на хозяйственные нужды составляет Gхоз = 238,8 кг/с. В рассматриваемом примере обратная сетевая вода, выходящая из систем отопления, охладится в теплообменниках 5 на Δtос = 6,5°C, а в теплообменнике 7 — на Δtос = 2,8°C. Полное охлаждение обратной сетевой воды в ИТП зданий составит ΔtосΣ = 9,3°C.
Заключение
Таким образом, в предлагаемом варианте модернизации закрытой теплофикационной системы с переходом от ЦТП к ИТП, оснащённым дополнительными теплообменниками для подогрева холодной водопроводной воды, величина охлаждения обратной сетевой воды увеличилась на 1,2°C. При этом на ТЭЦ тепловая нагрузка НСП возросла на ΔQНСП = 2741 кВт, электрическая мощность и отпуск электроэнергии увеличилась на 1,3 МВт и 23,4 млн кВт·ч.
