В России все более остро встает вопрос оплаты коммунальных услуг потребителями. Реформа ЖКХ привела к тому, что потребитель встал перед выбором: или продолжать платить по нормативам, которые неизвестным образом увеличиваются, или переходить на учет своего потребления, с целью получения реальной цифры потребленного энергоресурса. Реформа ознаменовала еще один шаг перехода на капиталистические отношения. В западных странах уже давно применяется индивидуальный учет всех энергоресурсов. В России же мы привыкли лишь к счетчику электрической энергии. Кроме электричества в квартирах используются вода, газ, тепло и т.д. Учет этих видов ресурсов еще не достаточно хорошо вошел в нашу жизнь. При отсутствии индивидуальных счетчиков энергоснабжающие организации прибегают к расчетному определению потребления, к вычислению так называемого норматива. Норматив — эта средняя величина энергопотребления, определенная для конкретной местности. Однако эта средняя величина является зачастую завышенной, с целью покрытия неравномерности потребления или выравнивания небаланса. Переход на индивидуальный учет откроет целый ряд преимуществ, как для потребителей, так и для поставщиков. Эти преимущества заключаются, во-первых, в определении реальной цифры потребления, отталкиваясь от которой можно более корректно определять тарифы; во-вторых, это откроет возможность экономии для индивидуальных пользователей, а как следствие к общей экономии энергоресурсов.
Индивидуальный учет не является новой проблемой. С подобной ситуацией сталкивались практически всех европейские страны, где проблема экономии энергоресурсов встает все более остро. По этой причине в Европе уже давно уделяется большое внимание развитию энергосберегающих технологий, а также разработке различных приборов учета энергоресурсов.
Классическая квартира в жилом доме потребляет четыре вида энергоресурсов (электроэнергия, газ, вода и тепло). Учет каждого из них имеет принципиальные отличия. В этой статье будет рассмотрена проблема учета потребления и распределения теплоэнергии между квартирами, поскольку именно затраты на отопление вызывают большое количество разногласий, составляя при этом львиную долю коммунальных платежей.
На сегодняшний день наиболее популярным способом решения задачи поквартирного учета потребляемого тепла заключается в установке единого теплосчетчика на многоквартирный дом, по показаниям которого осуществляется расчет с теплоснабжающей организацией, и распределение суммарного потребленного количества тепла по квартирам по более или менее объективному критерию. Этим критерием может быть площадь квартиры или ее объем.
Индивидуальный учет не является новой проблемой, с подобной ситуацией сталкивались практически всех европейские страны
Приборный учет тепла в квартире представляется возможным лишь в случае горизонтальной разводки системы отопления в доме. В этом случае устанавливается классический счетчик тепла на вводе квартиру. Основной проблемой в этом случае остается небаланс расхода тепла по дому (отопление мест общего пользования и пр.). Получение общей картины по теплопотребления по дому требует объединения всех индивидуальных теплосчетчиков в единую систему. Кроме того, горизонтальные системы отопления скорее редкость, чем правило. Большая часть жилого фонда, оборудована вертикальной разводкой, при которой установка таких теплосчетчиков будет нерентабельной.
Западные производители решают задачу учета потребления тепла в квартирах путем установки индикаторов расхода тепла, по показаниям которых осуществляется расчет величины теплопотребления. Индикаторы работают по принципу учета интегральной температуры отопительного прибора. Такой подход позволяет определить количество теплоты от конкретного радиатора отопления при условии определения коэффициента пропорциональности между температурой отопительного прибора и количеством отданной им теплоты.
Подобный способ распределения затрат на отопления принят Европейскими стандартами EN 834 и EN 835 [1, 2]. Причем Европейский стандарт EN 834 распространяется на электронные распределители потребления тепла, а Евростандарт EN 835 описывает счетчики расхода на отопления, не потребляющих энергопитания и основанных на принципе парообразования. Огандарты устанавливают основные требования к конструкции, материалу, изготовлению, монтажу, работе и к оценке основных параметров, которые производятся этими измерительными приборами.
Такой подход нашел свое применение и на территории России. Электронные счетчики-распределители теплопотребления комнатных радиаторов INDIV-3, изготовленных фирмой Danfoss Comfort Controls (Дания) прошли сертификационные испытания и внесены в государственный реестр средств измерений.
Кроме того, ООО «Витера энергетический сервис», ЗАО «Данфосс» была разработана методика распределения общедомового потребления между индивидуальными потребителями [4], что сделало возможным использование приборов данного типа для коммерческого учета на территории Российской Федерации.
Однако при определении величины теплопотребления таким способом, в расчетах используются корректирующие коэффициенты, которые учитывают различия применяемых радиаторов. Данные коэффициенты носят название радиаторных коэффициентов, и определяются путем проведения стендовых испытаний для каждого отопительного прибора. Институт теплофизики СО РАН создал стенд [5], моделирующий работу отопительных приборов различных типов. На этом стенде определяются радиаторные коэффициенты, и исследуются влияющие на них различные физические и режимные параметры.
Определение радиаторных коэффициентов для различных типов отопительных приборов достаточно трудоемкий процесс, требующий дорогостоящего оборудования и квалифицированного персонала. Сам радиаторный коэффициент зависит от многих внешних факторов. Для примера отметим такие как неоднородность изготовления радиатора (приводящую к неравномерности теплового потока по поверхности), качество теплоносителя (приводящее к изменению радиаторного коэффициента со временем ввиду зашлакованности радиатора), способа подачи теплоносителя и т.д.
Определением зависимостей радиаторного коэффициента от влияния различных факторов достаточно широкая тема для научных исследований. Институт теплофизики провел серию экспериментов по определению зависимости радиаторного коэффициента от различных факторов для одного типа радиаторов. В качестве образца для исследования был выбран чугунный радиатор М140А из семи секций.
Результатом исследований стали следующие факты. Распределение температуры по поверхности чугунного радиатора существенно зависит от способа подачи теплоносителя через радиатор. Причем, при нижней подаче распределение температуры по поверхности более равномерно, по сравнению с верхней подачей. Значения радиаторных коэффициентов зависят от средней температуры поверхности радиатора.
Из всего вышесказанного следует, что точное определение радиаторного коэффициента, во-первых, технически сложно, во-вторых, требует существенных затрат, в-третьих, не учитывает особенности конкретных условий эксплуатации радиатора. Таким образом, этот способ распределения энергозатрат актуален для идеального дома, имеющего высококачественные однотипные радиаторы с четко определенными характеристиками. Кроме того, для его реализации должны быть выдержаны требования к теплоносителю, такие как качество сетевой воды, давление в системе и т.п. На данный момент в России квартиросъемщики используют в качестве радиаторов отопления различные приборы — от привычных чугунных до современных биметаллических. Это приводит к необходимости получения детальных характеристик всех типов радиаторов.
Такого рода проблемы наталкивают на поиск новых вариантов решения учитывающих вышеперечисленные особенности отечественных систем отопления.
В качестве комплексного решения выступает единая информационно-измерительная системы, которая содержит информацию о структуре системы отопления в доме, а также позволяет распределять затраты на отопление для каждого отдельного потребителя.
Сейчас уже разработаны такого рода системы учета и распределения тепловой энергии, адаптированные к российским условиям эксплуатации. Одна из таких систем была изобретена [6] и внедрена в «пилотную» эксплуатацию в городе Омске. Эта система учета энергопотребления локальным потребителем применяется для установки на объекте, являющимся составной частью объединенной системы потребителей. Она может быть установлена в коммунальном хозяйстве для учета потребления тепла многоквартирным домом с распределение доли потребления каждой квартирой.
Данный способ определения количества тепла основан на использовании закона Ньютона-Рихмана:
где Q — количество тепла, использованное потребителем; α — коэффициент теплоотдачи; S — площадь поверхности теплоотдачи объекта; t1 — температура поверхности теплоотдачи объекта; t2 — температура охлаждающей среды; τ — время потребления тепла.
Такой способ предусматривает определение общего расхода тепла объединенной системой потребителей тепла за конкретное время теплоотдачи теплоисточником. Этот расход определяет домовой счетчик тепла.
где Qдом — общедомовое потребление тепла; G — расход теплоносителя на вводе дома за время т; h1, h2 — энтальпии теплоносителя на входе и на выходе из дома, пропорциональные соответствующим температурам. Затем с помощью уравнения теплового баланса:
где Qi — потребление тепла i-й квартирой, при помощи (1) находится средний коэффициент теплоотдачи αср по объединенной системе потребителей тепла:
где τ — время теплоотдачи теплоисточника; Si — площадь поверхности теплоотдачи теплоисточника локального потребителя тепла; Δti — разность температур на поверхности теплоисточника локального потребителя тепла и охлаждающей среды локального потребителя тепла; n — количество отопительных приборов у потребителей тепла.
С помощью этого коэффициента рассчитывается расход тепла локальным потребителем за то же конкретное время потребления тепла.
Данная методика [7] позволяет достаточно корректно распределять величину общего теплопотребления в многоквартирном доме. Точность данного метода тем выше, чем более сходные характеристики у различных применяемых радиаторов отопления. Но разные типы применяемых отопительных приборов обладают различными характеристиками и коэффициентами теплоотдачи. Ввиду усреднения коэффициента теплоотдачи по дому в расчетах индивидуального теплопотребления появляется некоторая ошибка. Она может быть устранена путем введения корректирующего коэффициента, характеризующего эксплуатационные особенности применяемых приборов, их тип.
Способ, изложенный в Патенте РФ № 2138029, позволяет достаточно точно и недорого определить расход тепла в отдельной квартире в многоквартирном доме, при этом αср определяется периодически (например, час или 15 минут), исходя из теплового баланса, составленного для объединенной системы потребителей тепла за то же самое время.
Определение величины теплопотребления каждой квартиры возможно при учете типа отопительного прибора, который играет важную роль при более точном определении количества тепловой энергии, отданной каждым конкретным отопительным прибором (радиатором). То есть, средний коэффициент теплоотдачи должен корректироваться в зависимости от типов применяемых приборов. Кроме этого, было бы более корректным назвать αср средним коэффициентом не теплоотдачи, а средним коэффициентом теплосъема по объединенной системе потребителей тепла, так как понятие теплосъема учитывает не только потребление, но и потери тепловой энергии по объединенной системе потребителей тепла.
Целью статьи является описание способа определения расхода тепла локальными потребителями, входящими в объединенную систему потребителей тепла с максимальной точностью и с учетом всех типов отопительных приборов (радиаторов), установленных в каждой квартире, а также независимо от типа разводки системы отопления (вертикальная, горизонтальная, лучевая и др.).
Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом. В формулу Ньютона-Рихмана (1) вводится коэффициент тепловой эффективности радиатора, который учитывает различные типы отопительных приборов, установленных у локальных потребителей. Для каждого типа отопительного прибора должен быть заранее найден свой коэффициент тепловой эффективности. Тогда расход тепла для каждого отопительного прибора в объединенной системе потребителей тепла определяется выражением:
где βi — коэффициент тепловой эффективности каждого конкретного отопительного прибора, установленного у локального потребителя тепла. Данный коэффициент определяется как:
где qуд.i — удельный номинальный тепловой поток i-го отопительного прибора; qуд.б — удельный номинальный тепловой поток, отопительного прибора, выбранного в качестве базового.
Тогда средний коэффициент теплосъема запишется в виде:
В настоящее время применяются сотни видов отопительных приборов, имеющих разные эксплуатационные характеристики. В технической документации, как правило, приводится значения номинального теплового потока и площади одной секции радиатора.
Из этих данных видно, что, имея равные значения номинального теплового потока, существующие радиаторы могут значительно отличаться по площади поверхности секции. Эти параметры никак не учитываются на сегодняшний день ни одной системой (устройством) учета тепла локальными потребителями.
Переход на индивидуальный учет откроет целый ряд преимуществ, как для потребителей, так и для поставщиков
Но поскольку они являются основными эксплуатационными характеристиками радиаторов отопления, то могут быть взяты за основу для корректировки величины теплопотребления.
В предлагаемом способе корректирующей величиной, которая учитывает различия между типами отопительных приборов, будет являться коэффициент тепловой эффективности радиатора — отношение удельного номинального теплового потока каждого радиатора к удельному тепловому потоку радиатора, выбранного в качестве базового. При этом величины удельных номинальных тепловых потоков рассчитываются по данным технических паспортов радиаторов, а коэффициент тепловой эффективности радиатора βi находится из (6).
Этот коэффициент должен учитываться при расчете величины потребления тепла каждым отопительным прибором у всех локальных потребителей тепла. Для определения коэффициента βi необходимо найти удельный номинальный тепловой поток — это величина, равная отношению номинального теплового потока, создаваемого радиатором, к площади его поверхности:
где qi — номинальный тепловой поток, создаваемый i-м радиатором; Si — площадь поверхности теплоотдачи i-го радиатора. Далее выбирается тип радиатора, который будет считаться базовым. Рассчитанный для этого радиатора удельный номинальный тепловой поток и будет считаться базовым значением удельного потока qуд.б. Из (6) видно, что параметры любого радиатора, установленного у квартиросъемщика, можно привести к параметрам базового с помощью безразмерного коэффициента тепловой эффективности.
В качестве базового можно выбрать любой тип отопительного прибора: с максимальной, минимальной или средней удельной теплоотдачей. Но лучше выбрать тот тип радиатора, который установлен в данном доме в наибольшем количестве. В этом случае с помощью найденного среднего коэффициента теплосъема αср будет более точно определено количество тепла, отданное отопительными приборами у локальных потребителей тепла. Характеристики отопительных радиаторов, позволяющие рассчитывать qуд.i и βi, внесены в их технические паспорта и приведены на сайтах производителей в сети Интернет, например, www.mastercity.ru — радиаторы Royal Thermo, Sira, Global; www.novaflorida.ru — радиаторы Extra Term; www.teplomax.ru — каталог радиаторов Radik и т.д. Расчеты показывают, что российские отопительные приборы — радиаторы МС 140-500 и МС 140-300, имеют одни из лучших удельных номинальных тепловых потоков среди множества других типов радиаторов.
Пусть объединенная система потребителей тепла состоит из локальных потребителей, у которых в совокупности установлено n отопительных приборов (радиаторов), причем за время теплоотдачи теплоисточником т вся система имеет общий расход тепла Qдом по данным входных приборов коммерческого учета, а каждый из радиаторов рассеивает количество тепла Qi.
Рассчитанные коэффициенты тепловой эффективности для всех типов радиаторов, установленных в доме, вводятся в (4) для расчета потребления тепла каждым отопительным прибором по (5).
Введя значение βi в формулу, можно откорректировать величину потребления тепла каждым радиатором в любой квартире. Также произойдет перерасчет среднего значения коэффициента теплосъема, который находится с учетом уравнения теплового баланса (3). Используя полученную величину αср, можно, после подстановки ее в формулу (5), рассчитать величину тепла Qi, рассеиваемого каждым радиатором, а следовательно, и значение потребления тепла каждой квартирой (локальным потребителем) — путем суммирования затрат тепла по находящимся в ней радиаторам.
Очевидно, что в силу соблюдения уравнения теплового баланса, как и в методике по патенту РФ № 2138029, общая сумма потребления тепла по всем локальным потребителям окажется равной количеству тепла, потребленного объединенной системой.
Коэффициент тепловой эффективности может использоваться как величина, объективно характеризующая применяе мый тип отопительных радиаторов в плане его отопительной эффективности по сравнению с выбранным базовым
Однако, по сравнению с вышеупомянутой методикой, при применении коэффициента тепловой эффективности производится корректировка теплопотребления в большую или меньшую сторону в зависимости от типа применяемых отопительных радиаторов у каждого локального потребителя, то есть производится более корректный и объективный подсчет количества потребленного тепла. Кроме того, реализация описанной методики в информационноизмерительных системах, устанавливаемых, например, в многоквартирных домах, позволит определять у локального потребителя, то есть в каждой квартире, более правильную величину его доли потребления тепла без сложных расчетов и поправок.
К тому же сам коэффициент тепловой эффективности может использоваться как величина, объективно характеризующая применяемый тип отопительных радиаторов в плане его отопительной эффективности по сравнению с выбранным базовым, что позволит более объективно подходить к выбору отопительных приборов, решая при этом вопросы комфорта и экономии тепловой энергии.
Предлагаемый способ в экспериментальном варианте использован в информационно-измерительной системе определения расхода тепла в 80-квартирном многоэтажном доме в феврале-мае 2007 года в городе Омске. Способ подтвердил высокую эффективность и корректность при определении расхода тепла по каждой квартире в этом доме. Рассмотрим данную методику на примере использования трех различных радиаторов: российского МС-140, итальянского Calidor Super и немецкого Arbonia.
Примем общедомовое потребление тепла равное 1 Мкал/ч (что составляет величину 1,163 кВт). Время один час.
Разность температур для всех радиаторов примем равной 40 °C. Определим коэффициенты теплосъема и теплопотребления способом, приведенным в Патенте РФ №2138029. Далее, используя (3), (5), (6) и (7), определим значения коэффициентов теплосъема, тепловой эффективности и теплопотребления. Данные действия проведем в двух вариантах: когда в качестве базового радиатора выступает МС 140-500 и Arbonia 2050-500. Автор не приводит подробный расчет, но, как видно из полученных значений, все-таки произошла корректировка расхода каждого прибора отопления. Суммарное потребление тепла составляет 1 Мкал/ч. Можно сделать вывод, что данный способ является наиболее предпочтительным для использования в автоматизированных системах учета потребления тепла. Сравнивая полученные значения с рассчитанными, можно сделать вывод, что независимо от выбора базового типа радиатора значения расхода по каждому отопительному прибору получаются одинаковыми.
Итак, предлагаемая методика производит более корректно распределение тепловой энергии между отопительными приборами. Кроме того, данный метод корректировки не требует дополнительных затрат на стендовые испытания. Он лишь уточняет значения индивидуального потребления, не внося дополнительных погрешностей в измерения.
