Следует отметить, что определение тепловых потерь на теплотрассах требует проведения измерений тепловых потоков и температурных полей в зоне прохождения теплотрасс в реальных (полевых) условиях их эксплуатации. Причем при изменении внешних условий изменяются теплофизические свойства изоляции, а следовательно, и величина тепловых потерь. Все это налагает особые требования к методикам выполнения измерений и применяемым средствам измерений. В последние годы во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» выполнен целый ряд работ во всех этих направлениях. ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» совместно с ГУ «Петербурггосэнергонадзор» разработана «Методика определения тепловых потерь через изоляцию теплопроводов». Под теплопроводом понимается трубопровод, по которому транспортируется теплоноситель. Методика устанавливает содержание и порядок проведения работ по определению тепловых потерь через изоляцию теплопроводов и распространяется на все теплопроводы (надземные и подземные) пара и воды, используемые в распределительных, квартальных и магистральных тепловых сетях. Методика состоит из двух частей: методики измерений и методики расчета тепловых потерь через изоляцию теплопроводов. Методика измерений тепловых потерь через изоляцию теплопроводов предназначена для определения фактических эксплуатационных тепловых потерь через тепловую изоляцию тепловых сетей в условиях стационарного теплового режима и применяется для теплопроводов, доступных для измерений. Существующий в настоящее время нормативный документ РД 34.09.255–97 «Методические указания по определению тепловых потерь в водяных тепловых сетях» регламентирует порядок определения полных потерь, как через теплоизоляцию теплопроводов, так и за счет утечек теплоносителя. Метод определения полных потерь базируется на создании циркуляционного кольца («петли»), что требует при проведении измерений на конкретном участке тепловой сети отсоединения от циркуляционного кольца всех ответвлений и отдельных абонентов. Это обстоятельство существенно затрудняет применение данной методики, особенно в отопительный период, когда оно становится практически невыполнимым. В отличие от РД 34.09.255–97 разработанная методика измерений тепловых потерь через изоляцию теплопроводов позволяет проводить измерения без отключения других, не интересующих в данный момент абонентов. Проведение испытаний тепловых сетей предусматривает определение величины линейной плотности теплового потока QL (Вт/м), равной потерям тепловой энергии с одного метра тепловой изоляции по длине теплопровода, для характерных участков и аномальных зон. Полные фактические тепловые потери в испытуемой теплосети определяются как сумма потерь на характерных участках и аномальных зонах. Оценка состояния тепловой изоляции теплопроводов производится на основании расчета коэффициента Кф.н., равного отношению фактических среднегодовых к нормативным значениям потерь тепловой энергии через изоляцию теплопроводов. Для расчета нормативных значений потерь тепловой энергии через изоляцию теплопроводов используются требования СНиП 2.04.14–88* или других нормативных документов. В ходе проведения измерений определяются следующие параметры. Для теплопроводов воздушной прокладки: . плотность теплового потока на наружной поверхности изоляции трубопровода q (Вт/м2); . температура наружной Тиз.н. и внутренней Тиз.вн. поверхностей изоляции, °С; . температура теплоносителя Тт, °С; . температура окружающего воздуха Тв, °С). Для теплопроводов подземной бесканальной прокладки и прокладки в непроходных каналах: . температура поверхности грунта Т0, °С; . температура грунта Тh, °С, на регламентируемой глубине h; . температура окружающего воздуха Тв, °С. При проведении измерений на трубопроводах в проходных (вентилируемых) каналах необходимо проводить измерения потерь тепла, уносимых с вентилируемым воздухом. Эти потери определяются как разность полных энтальпий воздуха на выходе и входе в проходной (вентилируемый) канал. Скорость ветра при проведении измерений не определяется. Влияние теплоотдачи от наружной поверхности изоляции теплопровода учитывается при вычислении фактических среднегодовых потерь путем введения нормативного значения коэффициента теплоотдачи. Измерения плотности теплового потока осуществляются с помощью портативных измерителей плотности тепловых потоков ИПП-2 и ИПП-2М в зависимости от диапазона измеряемой величины. Измерения температуры осуществляются с помощью портативных измерителей температуры ИТ-5 и ИТ-6 также в зависимости от диапазона измеряемой величины. Допускается использование других средств измерений, не уступающих по метрологическим характеристикам представленным выше. Для теплопроводов воздушной прокладки линейная плотность теплового потока QL1 вычисляется по формуле: QL1 = π x D x q, (1) где D — наружный диаметр изоляции теплопровода. Для теплопроводов подземной прокладки линейная плотность теплового потока QL2 вычисляется по формуле: QL2 = 2 x π x λ x (Тh – Т0)/ln[h0 + h)/(h0 – h)], (2) где h = (0,5 – 0,75) x h0 от поверхности грунта (h0 — расстояние от поверхности грунта до оси теплопровода) в осенневесенний и летний периоды, а в зимний — ниже глубины промерзания; λ— теплопроводность грунта (Вт/(м•К)), значение которой либо берется из справочных данных, либо определяется в результате независимых измерений. Методика расчета тепловых потерь через изоляцию теплопроводов применяется для определения тепловых потерь при стационарных режимах теплосети для теплопроводов, недоступных для измерений, и для предварительной оценки тепловых потерь в магистралях, доступных для измерений. Рабочие формулы различны для разных способов прокладки теплопроводов. Представлены подробно алгоритмы вычисления линейной плотности теплового потока (величины тепловых потерь с единицы длины теплопровода) для следующих случаев: . потери в конкретный момент для воздушной прокладки; . среднегодовые потери для воздушной прокладки; . среднегодовые потери для подземной бесканальной прокладки; . среднегодовые потери для подземной прокладки в непроходном невентилируемом канале. В качестве иллюстрации приведены расчеты для некоторых конкретных случаев. Они выполнены по программам, составленным в оболочке Excel 97. ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» совместно с фирмой ООО АП «ДИсСО» (г. Санкт-Петербург) разработана «Методика определения транспортных тепловых потерь в подземной сети теплоснабжения в эксплуатационном режиме». Методика утверждена Госстроем РФ. Она устанавливает содержание и порядок проведения работ для определения тепловых потерь сети теплоснабжения подземной прокладки в режиме эксплуатации и распространяется на все подземные теплопроводы пара и воды, используемые в распределительных, квартальных и магистральных тепловых сетях. Под подземным теплопроводом понимается трубопровод из одной или нескольких параллельных труб, по которым транспортируется теплоноситель (горячая вода или пар), уложенных в грунт в одну траншею (в коробе, футляре или без них). Наиболее типичным в водяных сетях централизованного теплоснабжения является теплопровод, состоящий из двух труб (подающей и обратной) одинакового диаметра. В соответствии с Правилами технической эксплуатации в сетях централизованного теплоснабжения необходимо определять фактическую величину транспортных тепловых потерь при охлаждении теплоносителя с периодичностью не реже 1 раза в 5 лет. Данная методика предназначена для определения фактических тепловых потерь по всей подземной сети централизованного теплоснабжения непосредственно в эксплуатационном режиме (без отключения абонентов). Методика базируется на измерениях величины тепловых потерь на специально подготовленных опорных участках действующей тепловой сети и результатах определения относительных значений тепловых потерь по всей обследуемой сети теплоснабжения по данным дистанционной инфракрасной съемки. Дистанционная инфракрасная съемка позволяет проводить измерения радиационной температуры поверхности объекта (грунта) по всей зоне размещения теплопровода. Инфракрасная съемка осуществляется радиометрами, тепловизорами и сканерами, измеряющими и регистрирующими радиационную температуру в среднем (3–5 мкм) и дальнем (8–12 мкм) диапазоне теплового излучения. Тепловизоры могут быть установлены на воздушный носитель или наземный транспорт. Транспортные потери тепла в подземной тепловой сети могут быть определены в произвольное время отопительного периода при установившемся режиме теплоснабжения и при допустимых погодных условиях проведения дистанционной инфракрасной съемки. Опорные участки для измерения фактических тепловых потерь создают для каждого семейства (группы) теплопроводов, для которых нормируемая линейная плотность теплового потока QL(н)различается более чем в 1,5 раза. Величина QL(н) определена в нормативных технических документах в зависимости от диаметра труб теплопровода и среднегодовой температуры теплоносителя и грунта. Относительные значения тепловых потерь определяют по температурным контрастам на поверхности грунта, покрывающего подземные теплопроводы, измеренным дистанционной инфракрасной съемкой. Температурный контраст на поверхности грунта, покрывающего подземный теплопровод, — разница значения температуры (термодинамической или радиационной) над теплопроводом и фоновой температуры такой же поверхности на удалении от теплопровода. Значения температурных контрастов должны быть измерены практически одновременно (в пределах 1–3 ч) или приведены к одному времени по данным повторных измерений в некоторых местах. Наиболее производительным способом измерения температурных контрастов является инфракрасная аэросъемка. Особое значение фактические данные о величине линейной плотности теплового потока (измеренной на опорных участках) имеют в сочетании с дистанционным инфракрасным методом обследования тепловых сетей. На основе привязки относительных величин линейной плотности теплового потока на сети теплоснабжения, определенных по материалам дистанционной тепловой съемки, к фактическим значениям, измеренным на опорных участках, можно получить количественное распределение значений тепловых потерь по всей обследуемой сети, т.е., по существу, нанести шкалу на результаты дистанционных инфракрасных измерений. Измерения фактической величины тепловых потерь на опорных участках подземной тепловой сети имеют также самостоятельное методическое значение. Результаты измерений могут быть использованы в качестве контрольных данных для иных методов определения транспортных тепловых потерь в сети теплоснабжения, для непосредственного экспериментального определения зависимости величины тепловых потерь от времени (по сезонным условиям и при изменении температуры теплоносителя), а также определения фактической энергетической характеристики по тепловым потерям в течение отопительного периода. При изменении температуры теплоносителя измерения тепловых потерь следует осуществлять каждые 1–3 ч, при установлении режима теплоснабжения — раз в 2–3 дня. Важное самостоятельное значение имеет также раздел методики, связанный с дистанционной инфракрасной съемкой и обработкой ее материалов, для диагностики технического состояния подземных теплопроводов и повсеместного определения на тепловой сети относительной величины тепловых потерь. Фактическую величину транспортных потерь тепла на специально оборудованных опорных участках подземной тепловой сети определяют путем измерения плотности теплового потока с поверхности труб теплопровода с помощью датчиков теплового потока. Опорный участок теплопровода должен быть однороден по конструкции и не иметь углов поворота, арматурных элементов и теплофикационных камер ближе 5 м до места установки датчиков. Все трубы теплопровода и их изоляционные покрытия должны быть в хорошем техническом состоянии, не подвергаться постоянному или временному подтоплению грунтовыми водами. Срок эксплуатации теплопроводов, на которых будут установлены датчики теплового потока, не должен превышать 10 лет, чтобы иметь возможность долгосрочных измерений. Опорные участки желательно не подвергать разрушительным температурным и гидравлическим испытаниям. Опорный участок теплопровода может быть как канальной, так и бесканальной прокладки с невентилируемым каналом. Желательно, чтобы конструкция теплопровода на опорном участке была характерной (типичной) для тепловой сети в целом или для определенной группы теплопроводов. Линейная плотность теплового потока не должна резко изменяться на протяжении опорного участка (5 м в обе стороны от точки установки тепловых датчиков). Это условие проверяют дистанционными измерениями температурных контрастов (разности температуры над теплопроводом и на удалении от него) на поверхности грунта, покрывающего теплопровод, с помощью инфракрасного радиометра, сканера или тепловизора. Температурные контрасты над осью теплопровода, измеренные практически одновременно, не должны изменяться по участку более чем на 10 %. Поверхность грунта в пределах 10 м во все стороны от зоны установки тепломеров должна быть однородной и открытой для дистанционной инфракрасной съемки. На опорном участке раскапывают подземный теплопровод и на наружной поверхности изоляции всех труб с равномерным шагом по окружности размещают датчики плотности теплового потока. Вблизи датчика плотности теплового потока в верхней части трубы устанавливают датчик температуры. Каждый датчик через линию связи подсоединяют к измерительному прибору. Измерительный прибор может быть расположен на поверхности грунта (в т.ч. в помещении) или располагаться под землей вблизи труб. Во втором случае на поверхность грунта выводят кабель от измерительного прибора и к нему подключают регистрирующее устройство. Теплопровод, вместе с размещенным на нем оборудованием, закапывают, утрамбовывая грунт. Поверхность грунта в зоне раскопки выравнивают. Обустраивают место вывода кабеля от датчиков (или измерительного прибора) на поверхность грунта в стороне от теплопровода. В процессе измерений регистрируют величину плотности теплового потока qi (Вт/м2) на каждом датчике теплового потока, значения температуры поверхности теплоизоляции труб Тиз в точках установки датчиков температуры (достаточно одной точки измерения на каждой трубе теплопровода) и температуру поверхности металла трубы Тт, которая близка к температуре теплоносителя. В дальнейшем по значениям плотности теплового потока по окружности изоляции каждой трубы теплопровода qi вычисляют линейную плотность теплового потока QL (Вт/м). Величина QL есть тепловые потери через теплоизоляцию трубы теплопровода с единицы длины трубы. Вместо набора датчиков теплового потока можно установить на трубы ленточные тепломеры. В этом случае непосредственно будет измерена величина линейной плотности теплового потока QL. Все приборы и оборудование, находящиеся под землей, должны быть надежно изолированы от проникновения влаги и механического воздействия при засыпке теплопровода и усадки грунта. Датчики теплового потока, установленные на поверхности теплоизоляции труб подземного теплопровода, должны работать при температуре от 0 до 80°С и измерять плотность теплового потока от 10 до 200 Вт/м2. Датчики должны быть приклеены или прикреплены к теплоизоляции с помощью крепежных приспособлений. Необходимо обеспечить хороший тепловой контакт датчиков с поверхностью изоляции труб и грунтом, для чего можно использовать специальную теплопроводящую пасту. Если устанавливают датчик для измерения Тт на поверхности металла трубы, то температурный диапазон работы датчика должен лежать в диапазоне 5–130°С для водяных теплопроводов и 5–300°С для паропроводов. В качестве датчиков теплового потока, обеспечивающих требуемую точность измерений, могут быть использованы термобатареи на основе как полупроводниковых, так и металлических термоэлектродов. Погрешность измерения датчиков температуры должна лежать в пределах ±1°С. ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» совместно с ООО АП «ДИсСО» разработана измерительная система тепловых потоков СИТП-1. Система предназначена для измерений поверхностной плотности тепловых потоков, в дальнейшем плотности тепловых потоков (тепловых потерь) на участках сети теплоснабжения подземной и надземной прокладки в режиме эксплуатации, включая теплопроводы, используемые в распределительных, квартальных и магистральных тепловых сетях. Система может использоваться также для определения тепловых потерь через ограждающие конструкции и их сопротивления теплопередаче при проведении энергоаудита зданий жилого и производственного назначения. Наиболее эффективно использование СИТП-1 на опорных участках тепловой сети в сочетании с дистанционным инфракрасным методом обследования тепловых сетей. На основе привязки относительных величин линейной плотности теплового потока на сети теплоснабжения, определенных по материалам дистанционной тепловой съемки, к фактическим значениям, измеренным на опорных участках, можно получить количественное распределение значений тепловых потерь по всей обследуемой сети, т.е., по существу, нанести шкалу на результаты дистанционных инфракрасных измерений. СИТП-1 включает в себя 12 каналов измерений плотности теплового потока, два канала измерений температуры и два резервных канала. По заявке потребителя в зависимости от размеров испытуемых теплопроводов СИТП-1 может выпускаться с другим количеством каналов измерений плотности теплового потока и температуры. Основные технические характеристики СИТП-1: диапазон измерений плотности тепловых потоков — 10–300 Вт/м2; диапазон измерений температуры теплоносителя и наружной поверхности теплоизоляции теплопроводов — 0–100°С; диапазон измерений разности температур между наружной поверхностью теплоизоляции и металлической трубой теплопровода — 0–100°С; предел допускаемой относительной погрешности при измерении плотности тепловых потоков — ±7 %; предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении температуры теплоносителя и наружной поверхности теплоизоляции теплопроводов — ±1°С; предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении разности температур между наружной поверхностью теплоизоляции и металлической трубой теплопровода—±2°С. В состав СИТП-1 входят датчики плотности теплового потока — тепломеры (12 шт.), датчики температуры (2 шт.), кабель измерительный двужильный, коммутатор, регистрирующий прибор. В качестве датчиков плотности теплового потока (тепломера) в системе СИТП-1 используются термобатареи К1-127-1,0/2,5 НПФ «Остерм» (г. СанктПетербург). Они имеют форму пластины площадью 30 x 30 мм2 и толщиной 4,8 мм. Рабочая температура, при которой эксплуатируются тепломеры, составляет от 0 до 80°С. Значение выходного сигнала тепломера Е (мВ) связано с величиной плотности теплового потока q (Вт/м2) следующим соотношением: q = К x Е, (5) где К — коэффициент преобразования, Вт/(м2•мВ); Е — термо э.д.с., вырабатываемая датчиком. Значение К определено при температурах 28 и 67°С и составляет при 28°С— от 2,4 до 2,8 Вт/(м2•мВ) и при 67°С — от 3,0 до 3,4 Вт/(м2•мВ). Температурный ход зависимости коэффициента К от температуры составляет (0,3–0,5)% на 1°С. В качестве датчиков температуры используются датчики температуры AD592, фирмы Analog Devices (США). Датчики выполнены на основе двухконтактной, монолитной интегральной схемы, которая обеспечивает выходной ток пропорциональный абсолютной температуре. Для широкого диапазона напряжения источника питания датчик работает как высокоимпедансный источник тока 1 мкА/К в зависимости от температуры. Основные метрологические характеристики датчиков AD592: рабочий диапазон температур — от –25 до 105°С; предел абсолютной погрешности измерений— ±1°С во всем диапазоне температур. В качестве электронного коммутатора используется высокоэффективный аналоговый коммутатора ADG406 фирмы Analog Devices. ADG406 — это монолитный КМОП аналоговый коммутатор. ADG406 коммутирует один из 16-ти входов к общему выходу под управлением 4-битовой двоичной адресной шиной А0, А1, А2 и А3. ADG406 спроектирован по передовой LC2MOS технологии, которая обеспечивает малую рассеиваемую мощность, при этом достигается высокая скорость коммутации и малое сопротивление включения. Эти характеристики позволяют использовать микросхемы в высокоскоростных системах сбора данных. Низкая рассеиваемая мощность позволяет использовать модули в системах, питающихся от батарей. Каждый канал, когда он включен, проводит одинаково хорошо в обоих направлениях и имеет уровень входного сигнала, который может достигать напряжения источника. В выключенном состоянии сигнал к источнику блокирован. Все каналы выдают прерывание перед моментом переключения, предотвращая короткое замыкание во время переключения каналов. Время переключения каналов — менее 160 нс. Регистрирующий прибор МИПТП-1 разработан ООО АП «ДИсСО» (г. СанктПетербург) на базе интегрирующего АЦП на 3,5 десятичных разряда с выходом на ЖКИ — MAX130 фирмы Maxim Integrated Products (США). МАХ130— это 3,5-знаковые АЦ преобразователи со встроенными драйверами ЖКИ дисплеев. Рабочий диапазон температур— от –40 до +85°С. При измерениях на опорных участках тепловой сети подземной прокладки принцип действия СИТП-1 сводится к следующему. На опорном участке раскапываются теплопроводы и на наружной поверхности их изоляции по окружности теплопровода размещаются тепломеры и датчики температуры. Затем теплопровод вместе с размещенными датчиками закапывается, провода от датчиков через линию связи и коммутатор выводятся наружу на разъем, к которому при проведении измерений подсоединяется регистрирующий прибор МИПТП-1. Показания датчиков плотности теплового потока измеряются по всем каналам. Путем численного интегрирования их показаний определяется среднеинтегральное значение поверхностной плотности теплового потока (Вт/м2) от теплопровода. Линейная плотность теплового потока (количество теплоты, отводимое от 1 м теплопровода, Вт/м) равна среднеинтегральной поверхностной плотности теплового потока, умноженной на длину окружности наружного слоя изоляции. Значения температуры наружной поверхности изоляции теплопровода Тиз.н.i используются для определения значения коэффициента преобразования датчика плотности теплового потока, которое зависит от температуры. Температура теплоносителя Тт определяется датчиком температуры, размещенным непосредственно на поверхности металлической трубы под изоляцией теплопровода. В тех случаях, когда имеется возможность автономного измерения температуры теплоносителя в коллекторе теплопровода в непосредственной близости от испытуемого участка (на расстоянии до 50 м), второй температурный канал не используется. По температуре Тт определяются также нормативные тепловые потери для данного вида прокладки теплопровода по СНиП 2.04.14–88* или другим нормативным документам. Основная роль температурных каналов при определении тепловых потерь на теплопроводах сводится к определению разности температур (Тиз.н. – Тт) для учета температурного хода коэффициента преобразования датчиков плотности теплового потока. Система СИТП-1 изготовлена ООО АП «ДИсСО» в количестве 5 экземпляров. Она прошла испытания в ГЦИ СИ ВНИИМ с целью утверждения типа единичных образцов и внесена в Государственный реестр СИ Российской Федерации (сертификат №26442–04 от 5 марта 2004 г.). СИТП-1 является единственной сертифицированной системой в России по определению тепловых потерь в тепловых сетях. Зарубежных аналогов не имеет. Предполагается в дальнейшем выпуск СИТП-1 малыми сериями. Система СИТП-1 и разработанные методики выполнения измерений проходят опытную эксплуатацию на тепловых сетях в ТЭК Санкт-Петербурга и Республики Коми. Дальнейший прогресс в области измерений тепловых потерь требует проведения интенсивных работ по совершенствованию средств измерений, эталонной базы и нормативных документов в данной области измерений.