Тепловые гидродинамические насосы: Теория: Сравнение систем централизованного и автономного отопления

 

▪  Сравнение традиционных систем отопления ▪  Сравнение систем централизованного и автономного отопления ▪  Автономное отопление ▪  Частотный преобразователь ▪  Дизельные котлы ▪ Статьи

Сравнение систем централизованного и автономного отопления

При реконструкции старых и строительстве новых объектов возникает проблема выбора системы теплоснабжения. Естественно, что желательно выбрать систему, которая имеет меньшие затраты. Мы живем в самой холодной стране мира. Среднегодовая температура в России минус 5,5 оС, а, например, в Финляндии плюс 1,5 оС. Удельный расход энергии на отопление 1 кв. м. площади жилых зданий в США – 55 кВт-час, в Швеции и Финляндии 135 кВт-час, в Германии 269 кВт-час, в России – 418 кВт-час. Это в 7,6 раза больше, чем  в Америке и в 3 раза – чем в Финляндии. Затраты на теплоснабжение жилых домов составляют в общих эксплуатационных расходах 26%. В себестоимости продукции цена отопления составляет 25-30%. На рисунке 1 показан ход среднемесячных температур наружного воздуха в разных регионах. Для Москвы отопительный сезон составляет 210 дней.

Для того, чтобы выпускать конкурентоспособную продукцию, затраты на отопление необходимо снижать внедряя энергосберегающие технологии.

Первый вопрос, на который необходимо ответить при выборе системы теплоснабжения  – какая система предпочтительнее: централизованная система отопления или децентрализованная?

В плановом советском хозяйстве автономное теплоснабжение практически не развивалось, поскольку это не соответствовало государственной идеологии. Предпочтение отдавалось объектам, обслуживающим целые города. Львиная доля средств затрачивалась на строительство гигантских ТЭЦ, а котельные малой и средней мощности оставались на периферии государственных интересов в коммунальном теплоснабжении. Кроме того, развитие малой и средней энергетики существенно тормозила государственная политика в сфере цен на энергоресурсы. Из-за дешевизны основных видов топлива производители не нуждались в передовом ресурсосберегающем оборудовании.

С переходом к рыночной экономике ориентиры в российской энергетике изменились. Мощность действующих ТЭЦ с 1992 г. по 2006 г. уменьшилась с 725 млн. Гкал до 474 млн. Гкал. В то же время выросла выработка энергии на низкоэффективных котельных, оснащенных устаревшим оборудованием.

 Общий кризис экономики, систематическое выделение финансовых средств по остаточному принципу вызвали резкое ухудшение состояния коммунальных объектов в России. По оценочным данным, физический износ основных фондов ЖКХ в целом по России составил: котельных - 54,5%; центральных тепловых пунктов – 50,1%; тепловых сетей – 62,8%; Теловых насосных станций – 52,3%.

Степень износа объектов коммунального хозяйства по отдельным муниципальным образованиям достигает 70-80%. Причем темпы нарастания износа составляют 1-2% в год» (из доклада Министра регионального развития РФ В.А. Яковлева 11 мая 2006 г. на заседании Правительства РФ).

 Разрушающиеся теплотрассы отапливают улицу, а не дома. Затраты же на отопление улиц коммунальщики перекладывают на конечного потребителя. Установка тепловых счетчиков даст лишь временную передышку. После того, как большинство потребителей установят счетчики, теплопроизводящие компании обязательно повысят тарифы, чтобы компенсировать свои потери в теплотрассах. При этом рост тарифов не уменьшает вероятность остаться без тепла в пик морозов.  

Похожая ситуация сложилась на многих крупных предприятиях. Построенные в советское время централизованные заводские котельные уже по нескольку раз выработали свой ресурс. Внутризаводские теплотрассы обветшали. Перепрофилирование производственных помещений вызывает необходимость изменения схем их отопления. В результате приватизации многие заводы разделены на несколько независимых частей, при этом котельная остается в собственности одного юридического лица. В такой ситуации местный монополист не только может, а реально в большинстве случаев, увеличивает  в несколько раз тарифы на отопление.

Даже при условии отсутствия всех экономических сравнительных расчетов по  капитальным и эксплуатационным затратам критерий выбора системы отопления по принципу децентрализации вполне достаточен, чтобы понять, насколько такая система экономичней:

- потери при производстве и передаче тепла;

- регулируемость системы по заданной температуре непосредственно в рабочей зоне;

- прямые затраты на отопление, эксплуатационные затраты на содержание системы (плановые ремонты и заработная плата обслуживающего персонала);

- легкость перевода системы отопления на дежурный режим (поддерживающий минимальный температурный режим в нерабочее время).

Основной недостаток крупных систем централизованного теплоснабжения, являющийся главной причиной неэкономичного расходования тепла в них, состоит в том, что огромное количество присоединенных к нему потребителей тепла, имеющих свой, в каждом случае особый режим теплоснабжения, практически лишено возможности регулирования теплоподачи. Это положение усугубляется тем, что системы централизованного теплоснабжения подают тепло не только для отопления и вентиляции, но и для горячего водоснабжения, хотя режимы теплопотребления этих систем совершенно различны. Центральное регулирование на источнике тепла вынуждено ориентироваться на удовлетворение всех потребителей. В холодное время отопительного периода такими потребителями являются наиболее неблагополучные помещения с большими удельными теплопотерями, без внутренних тепловыделений и теплопоступлений от солнечной радиации. В теплое время отопительного периода (30-35% его продолжительности) такими потребителями являются системы горячего водоснабжения. В результате имеет место перегрев огромного количества помещений выше оптимальной температуры. Чрезмерный перегрев помещений снимается проветриванием их через окна и форточки, что приводит к недопустимой сухости воздуха и вредно отражается на здоровье людей.  

Что такое энергосберегающая система теплоснабжения? Ответ лежит в самом названии. Это система, которая производит и передает тепло с наиболее высоким коэффициентом полезного действия. И самый простой способ сделать систему отопления энергосберегающей – приблизить производство тепла, к потребителю этого тепла. Это и есть принцип децентрализации. Как результат, любая децентрализованная система при анализе вышеперечисленных параметров будет иметь преимущества перед централизованной, и может считаться энергосберегающей системой.

Себестоимость тепла практически повсеместно значительно ниже цены тепла, покупаемого «со стороны». Намного перспективней тратить деньги на свое собственное развитие, а не на развитие другого коммерческого предприятия, являющегося, как правило, монополистом.

1. Выбор вида энергоносителя для систем отопления,  теплоснабжения и ГВС.

Второй вопрос, на который необходимо ответить: какой вид энергоносителя выбрать? Существующие виды автономного теплового оборудования по виду энергоносителя можно подразделить на: твердотопливные (уголь, дрова), на жидком топливе (мазут, дизельное топливо), газовые, электрические (ТЭНы, электродные, индукционные и т.д.). Каждый вид оборудования имеет свои достоинства и недостатки и находит своего потребителя.

Основными типами оборудования для децентрализованных систем, на которые по большей части и ориентируются при разработке последних, являются достаточно традиционные нагревательные устройства, основанные на прямом нагреве теплоносителя. Однако, как отмечают многие специалисты, такие устройства обладают целым рядом недостатков, снижающими их конкурентоспособность по сравнению с централизованными системами теплоснабжения. Среди них: более высокий удельный расход топлива и потенциально более высокая опасность в эксплуатации. Кроме этого при эксплуатации твердотопливных котлов необходимо доставлять, разгружать и хранить топливо, утилизировать шлаки, устанавливать и эксплуатировать очистные системы. Кочегары должны работать в три смены, что значительно увеличивает эксплуатационные расходы. Использование котлов на жидком топливе снимает часть проблем, однако стоимость жидкого топлива значительно выше, чем твердого.

При выборе теплового оборудования все большее внимание уделяется экологической безопасности. Тепловое оборудование на твердом и жидком топливе во многих случаях не проходит по критерию экологической безопасности, так как при сгорании этих видов топлива выделяется много вредных веществ, а при сгорании твердого топлива еще остается большое количество шлаков, которые необходимо утилизировать.

Поэтому реально в большинстве случаев выбор стоит между газом и электричеством. 

Затраты на отопление, теплоснабжение и ГВС можно разделить на три группы:

- затраты на энергоноситель;

- текущие эксплуатационные затраты;

- капитальные затраты.

В настоящее время ее средний уровень газификация по стране составляет 53%, в отдельных регионах - около 30%. ОАО «Газпром» постоянно настаивает на увеличении предельного уровня тарифов на газ на внутреннем рынке. В ОАО «Газпром» считают, что: «Заниженная стоимость газа на внутреннем рынке оказывает негативное влияние не только на финансово-экономическое положение Газпрома, но и способствует развитию отрицательных тенденций в экономике в целом. Если сохранится недооценка газа как основного топливного ресурса, то цены на газ по-прежнему не будут экономически стимулировать потребителей к внедрению энергосберегающих технологий, способствовать снижению высокой энергоемкости экономики страны и будут препятствовать повышению ее конкурентоспособности». По мнению экспертов в течение ближайших двух лет потребности в газе превысят объемы его добычи. Из этого следует, что тарифы на газ и стоимость выделения лимитов на подключения к газовой сети будут расти. Однако потребитель покупает не топливо, а средство для получения тепла. Не топливо должно быть дешевым, а тепло, которые потребители получают во время зимних вьюг.

По затратам на энергоноситель в отопительном сезоне 2007/2008 годов, в среднем по РФ, эти затраты для тепловых гидродинамических насосов были сопоставимы с затратами на отопление газом (примерно на 15% ниже). Опережающий рост тарифов на газ дает тепловым гидродинамическим насосам преимущество перед газовыми котлами даже по затратам на энергоноситель. Тарифы на электроэнергию для населения предполагается повысить в 2009-2011 годах - на 25 процентов ежегодно. Цены на газ, отпускаемый населению, увеличатся в году на 25 процентов, в 2010 году - на 30 процентов, а в 2011 - на 40 процентов (заявление заместителя главы Минэкономразвития Андрея Клепача 06.05.2008 г.). Кроме   этого,   во   многих   местах устанавливаются многотарифные электросчетчики. Например, на базе отдыха «Дубна», г. Сергиев Посад Московской области, установлены пятитарифные счетчики. Минимальный тариф за 1 кВт-час электроэнергии - 80 коп, максимальный – 5,00 рублей. Нагрев воды для отопления и ГВС ведется при минимальном тарифе, что резко снижает расходы.

Эксплуатационные расходы на отопление, теплоснабжение и ГВС при использовании тепловых гидродинамических насосов значительно ниже, чем для газовых котлов. Тепловые гидродинамические насосы пожаро-, взрыво- безопасны, не требуют разрешения на применение от Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (письмо Управления государственного энергетического надзора исх. №  10-05/2845 от 26 сентября 2007 г.), Эксплуатация тепловых установок с электрической мощностью до 100 кВт осуществляется без лицензии (ФЗ № 28-ФЗ от 03.04.96 г). Они просты в техническом обслуживании,  их может обслуживать электрик без специального допуска. Газовые котельные должны обслуживаться персоналом со специальным допуском, состояние оборудования регулярно проверяется многочисленными контролирующими органами и т.д.

Для строящихся объектов альтернатива газ или электричество в большинстве случаев просто отсутствует, так как капитальные затраты на строительство газовой котельной на порядок выше, чем при применении тепловых гидродинамических насосов. Например, на сайте компании Watercom, предоставляющей услуги по газификации промышленных объектов и частных домов в Московской области, приведен перечень выполняемых компанией работ при газификации объекта:

·   оформление подключения газа, подготовка необходимых первичных документов для подачи заявки на газификацию объекта (оформляются необходимые документы на подключение газа, определяется стоимость подключения газа, цены);

·   получение технических условий (оформление земля, коттедж, газ);

·   оформление газа и составление проектной документации (на этом этапе определяется газовый трест);

·   проектирование газоснабжения дома, или проектирование газоснабжения коттеджа, согласование и утверждение проекта;

·   согласование схемы подключения газа в соответствующих государственных инстанциях;

·   монтаж газовой трубы от газовой магистрали к объекту, подключение магистрального газа, подведение газа;

·   врезка газа в газовую магистраль;

·   приемка объекта специалистами газовых и противопожарных служб, оформление газа;

·   сдача объекта в эксплуатацию.

По информации от менеджера компании Watercom стоимость работ по подключению к газовой магистрали объекта и тепловой мощностью 90÷100 кВт и оснащение его необходимым оборудованием ориентировочно может составить 10,3 млн. рублей, в том числе:

·   подготовка и согласование проектной и разрешительной документации – 5 млн. рублей;

·   прокладка газопровода (с учетом всех затрат на материалы, оборудование и работы) – 10 тыс. руб. за 1 метр, при расстоянии 500 м затраты на прокладку составят 5 млн. рублей;

·   затраты на установку и подключение газового оборудования (включая приемку объекта газовой службы и противопожарной службы) - 20÷50 тыс. рублей;

·   затраты на приобретения котла мощностью 90 кВт с комплектом автоматики - 200 тыс. руб.

·   затраты на установку и подключение котла (включая приемку газовой службой) – 45 тыс. рублей;

·   приобретение и установка дымохода (из нержавеющей стали) – 60 тыс. рублей.

Сроки реализации проекта газификации объекта с учетом получения всех согласований и разрешений составляют в среднем 1,5 года. При этом газовый трест (например, Мособлгаз) может и не дать разрешения на подключение объекта к магистральному газопроводу.

Ориентировочный размер капитальных затрат в случае варианта автономного газоснабжения объекта с использованием сжиженного газа составляет 896 тыс. рублей, в том числе:

·   приобретение газгольдера (емкостью 10 м3, на максимальный объем 8000 л сжиженного газа) и дополнительного оборудования (арматура, регуляторы давления, трубопроводы, анодно-катодная защита), включая монтаж оборудования, подводку газовой трубы (10 м) и цокольный ввод в здание - 500 тыс. рублей;

·   земляные работы (котлован под газгольдер и траншея под трубопровод) – 30 тыс. рублей;

·   изготовление бетонного основания под газгольдер - 16 тыс. рублей;

·   регистрация газгольдера в Ростехнадзоре РФ  -  15 тыс. рублей;

·   приобретение и установка электромагнитного клапана и газосигнализатора на цокольном вводе в здание – 30 тыс. рублей.

·   приобретение котла мощностью 90 кВт с комплектом автоматики - 200 тыс. рублей;

·   затраты на установку и подключение газового котла (включая приемку объекта газовой службой) – 45 тыс. рублей;

·   приобретение и установка дымохода (из нержавеющей стали) – 60 тыс. рублей.

В случае подключения к существующей централизованной системе теплоснабжения от котельной капитальные затраты на прокладку теплотрассы и оборудование теплового пункта ориентировочно составляют 1,7 ÷ 3,95 млн. рублей, в том числе:

·   на прокладку теплотрассы при ее удаленности на расстояние 500 м – от 1,5 до 3,75 млн. рублей. По разным данным стоимость прокладки 1 метра современной теплотрассы (трубы с пенополиуретановой теплоизоляцией) составляет от 3000 до 7500 руб.;

·   на закупку и монтаж оборудования для теплового пункта порядка 200 000 тыс. рублей.

3.        Блочно-модульные котельные и тепловые пункты.

Для сокращения времени на строительство и пусконаладочные работы, то есть для ускорения ввода в эксплуатацию систем отопления, теплоснабжения и ГВС все чаще стали применяться блочно-модульные котельные (БМК). БМК - это котельная, выполненная как отдельный автономный и транспортабельный модуль или блок модулей с полным комплектом всего необходимого котельного оборудования. Модульные котельные предназначены для обеспечения потребностей в отоплении и горячем водоснабжении предприятий и организаций, испытывающих дефицит энергетических ресурсов или нуждающихся в более качественном и экономически выгодном источнике теплоснабжения.

БМК могут использовать несколько видов топлива: газ, дизельное топливо, уголь, нефть. Выпускаются комбинированные варианты для работы на газодизельном и газо-мазутном топливе. При любом виде топлива в комплект входят блочные модули со смонтированными в них тепломеханическими комплектующими и дымовой трубой. На фото 1-3 показан внешний вид нескольких БМК разных производителей.

Фото 1-3. Внешний вид БМК с блоками дымовых труб.

Кроме трубы дымовой, в комплект оборудования БМК входят дымососы рабочий и резервный, золоуловители на каждый котел, комплект газоходов наружных.

Топливо для котлов должно подводиться либо по трубопроводам, либо из бака, входящего в комплект оборудования БМК. Наличие оборудования хранения и подачи топлива требует оснащения БМК системами пожарной сигнализации и пожаротушения.

Для блочно-модульных тепловых пунктов (БМТП) на основе тепловых гидродинамических насосов вышеперечисленное  оборудование не требуется, так как для получения тепла топливо не сжигается, а применяются механические теплогенераторы, приводимые во вращение электродвигателями. Поэтому, для предотвращения недоразумений и недопонимания со стороны клиентов и контролирующих органов,  комплекс позиционируется именно как индивидуальный тепловой пункт. Тем не менее, учитывая функциональное назначение БМТП, оценка новизны разработки и сравнение технических характеристик производятся с БМК.  

Фото 4. Общий вид БМТП55.

БМТП были разработаны для того, заменить дизельные тепловые пушки, при обеспечении строительной площадке теплом с самого начала строительства. Но в данном конкретном случае фото 4. показан общий вид пилотного образца БМТП-55, предназначенного в для воздушного обогрева буровых вышек. В БМТП-55 смонтированы тепловой гидродинамический насос ТС1-055, с установленной электрической мощностью 55 кВт, нагревающий жидкий теплоноситель, и воздушно-отопительный агрегат на базе калорифера КСк, снимающий тепло. Объем теплоносителя в системе 70 литров. Наружный воздух при проходе через калорифер нагревается в до температуры +70 оС и нагнетается в обогреваемые помещения.

Первоначально в соответствии с техническим заданием заказчика был смонтирован воздушно-отопительный агрегат АО2-10, с производительностью по теплу в составе тепловой пушки 116 кВт, то есть с теплосъемом в 2.1 раза больше, чем установленная электрическая мощность ТС1-055. При испытаниях жидкий теплоноситель за 5 минут нагревался до максимальной температуры + 95 оС, после чего происходило автоматическое отключение ТС1-055.  За последующие 5 минут, АО2-10 снимал тепло, понижая температуру жидкого теплоносителя до +70 оС, ТС1-055 включался. Через 5 минут процесс повторялся. Такая частота включения - выключения мощного электродвигателя не допускается, поэтому было принято решение о замене АО2-10 на более мощный агрегат АО2-20, с производительностью по теплу в составе тепловой пушки 220,4 кВт. В процессе приемо-сдаточных испытаний, при температуре окружающей среды  - 2 оС, установка проработала 17 минут из холодного состояния до выключения. При повторных пусках нагрев до максимальной температуры происходил за 13 минут, что свидетельствует о неполном съеме тепловой мощности. В настоящее время БМТП-55 проходит натурные испытания. Работы по совершенствованию БМТП продолжаются, однако уже имеющийся опыт показывает его высокую эффективность.  Несмотря на большие капитальные затраты на приобретение тепловых гидродинамических насосов, по сравнению с дизельными тепловыми пушками, текущие затраты позволят экономить на стоимости производства тепла уже в следующем, после покупке, отопительном сезоне.   

Экономическую эффективность применения тепловых гидродинамических насосов рассмотрим на фактических данных, полученных от потребителей, и приведенных в таблице 1.  

Таблица 1.

Теперь рассчитаем, во сколько обойдется потребителю отопление объекта с помощью модульной котельной «Пятисотка».

Внутренняя компоновка модульной котельной, включающая в себя дизельные котлы, мощностью 500 кВт, показана на фото 5.

  Дизельный котел REX-50, горелка Ecoflam. Модуль котельной - утепленный, усиленный, с перегородкой для ГСМ, размер 2,5 * 2,5 * 7,5 метров. Масса блок-модуля 7,5 тонн. Отапливаемая площадь около 6000 м2. Объем бака ГСМ 5000 литров. Потребляемая мощность 5 кВт. Расход топлива в среднем: 50 кг/час.

Фото 5. Внутренняя компоновка котельной «Пятисотка»

Для отопления помещения объемом 6 000 * 3 = 18 000 м3 дизельные котлы расходовать в месяц 50 * 24 * 30 = 36 000 кг. дизельного топлива и 5 * 24 * 30 = 3 600 кВт электроэнергии.  Стоимость энергоносителей, например, для Новосибирска на 1 января 2008 г., приведена в Таблице 2

Таблица 2.

При данных ценах стоимость отопления с дизельными котлами в месяц будет составлять

36 000 * 24,40 + 3 600 *  2,14 = 886 104 руб.

На отопление близкого по объему здания Филиал «Пластимекс М» при отоплении тепловыми гидродинамическими насосами затрачивал

45 455 * 2,14 = 97 273,7 руб.

Из выше изложенного однозначно можно сделать вывод, что построить тепловой пункт с использованием тепловых гидродинамических насосов, дешевле и  быстрее, а затраты на текущие расходы будут в разы меньше, чем при использовании дизельных котлов.