1. Почему мы не вымерзли в 90-х
В середине 90-х годов недавно закончившегося столетия температура теплоносителя в подающем трубопроводе киевской тепловой сети во время стояния самых сильных морозов никогда не превышала 80 градусов при расчетном значении 150. В домах было прохладно, кое-где совсем холодно, но до катастрофы дело, как правило, не доходило. Система оказалась достаточно устойчивой по отношению к критическим нагрузкам при совершенно недостаточном теплоснабжении.
Можно назвать, по меньшей мере, два фактора, благодаря которым эта устойчивость состоялась.
Первый фактор связан с безусловным успехом киевской теплоснабжающей организации, сумевшей сохранить в течение всего сложного кризисного периода расчетный гидравлический режим разветвленной тепловой сети. Дома стабильно получали теплоноситель в количестве, соответствующем расчетному значению. Известно, что во многих городах, где недостаточное теплоснабжение сопровождалось гидравлической разрегулировкой, катастрофы избежать не удалось.
Второй фактор связан с методикой расчета отопительных систем, которые в течение последних десятилетий рассчитывались и продолжают рассчитываться теперь по нормам проектирования, предписывающим учитывать теплопотери помещений в режиме открытых форточек. Разумеется, формулировка этого предписания изложена не столь откровенно, но подавать 3 м3/ч на каждый
квадратный метр площади отапливаемого помещения, как это требуется согласно нормам, можно только при открытой форточке. Впрочем, во время сильных морозов да с наветренной стороны это количество воздуха может проникнуть и через щели плохо изготовленных закрытых окон, но в течение большей части отопительного сезона обеспечить столь щедрый воздухообмен может лишь открытая форточка.
Надо ли говорить, что при недостаточном теплоснабжении форточки не открывались, а все щели в окнах плотно заделывались. Вот потому и не вымерзли мы в 90-х, отделавшись легким кислородным голоданием.
2. Какой воздухообмен в действительности необходим
Несмотря на явную энергетическую расточительность «норматива открытых форточек» (назовем его так), можно только благодарить его авторов за щедрость, позволившую нам пережить трудное время. Отметим, однако, что щедрость эта опиралась не только на любовь к свежему воздуху, которую при низких ценах на топливо нетрудно было себе позволить, но и на реальные возможности систем теплоснабжения, которые никогда не были безграничными. Для того, чтобы температура в тепловой сети поддерживалась, пусть даже недолго, на уровне 150 °С, нужно не только сжигать соответствующее количество топлива, но и содержать в надлежащем порядке теплопроводы, тепловую изоляцию и арматуру, что теплоснабжающим организациям было не под силу. Поэтому кроме официальной «нижней срезки» температурного графика на уровне 70 °С всегда существовала негласная «верхняя срезка», уровень которой зависел от технического состояния теплотрасс. В Киеве, по свидетельству многих специалистов, температура теплоносителя никогда не превышала 125–130 °С, да и в Москве она была не намного выше. В частности, в январе 1987 года при температурах наружного воздуха от минус 26 °С (расчетное для Москвы значение) до минус 34 °С температура теплоносителя в подающем трубопроводе тепломагистрали ни разу не поднималась выше 132 °С [1]. В других городах уровень «верхней срезки» был гораздо ниже.
Но вернемся к оценке норматива открытых форточек, поскольку любовь к избыточному количеству свежего воздуха в связи с высокими ценами на топливо теперь не по карману не только отдельным низкооплачиваемым категориям граждан, но и обществу в целом.
Сравним нормативы воздухообмена в жилых домах, действующие в Украине и в некоторых [2, 3] развитых странах (табл. 1).
Данные, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о том, что в богатых странах норматив открытых форточек не действует. Это не означает, что там дома плохо вентилируются. В таблице указаны нормы постоянного воздухообмена, которые не исключают возможности интенсивной кратковременной вентиляции в нужное время. В США, например, действует норматив ASHRAE, согласно которому из кухни жилого дома должно удаляться 180 м3/ч при механической вентиляции с перерывами или 43 м3/ч при
непрерывной вентиляции. Для санитарного узла соответствующие величины составляют 90 и 36 м3/ч (величины, приведенные в Стандарте, пересчитаны в принятых у нас единицах измерения). В отличие от этих требований наши нормы требуют, чтобы однократный воздухообмен поддерживался постоянно,
днем и ночью, когда в квартире никого нет и когда все дома.
До 1996 года в Украине действовал советский норматив, предписывающий рассчитывать отопительные приборы с учетом минимального воздухообмена, определяемого из расчета 3 м3/м2, а в случае применения некачественных окон воздухообмен определялся с учетом инфильтрации наружного воздуха
через щели в этих окнах. Таким образом, планируемый воздухообмен, особенно в помещениях нижних этажей многоэтажных зданий, был значительно выше однократного. Теперь, когда, исходя из логики неприятия программируемой расточительности, в Украине этот норматив отменен, радиаторы рассчитываются с учетом однократного воздухообмена, инфильтрация в проектах более не рассчитывается, а жители уплотняют свои окна доступными им средствами.
В 90-х годах энергетический кризис вынудил людей стихийно сокращать воздухообмен в квартирах, чтобы не замерзнуть при недопустимо низких температурах теплоносителя. Сейчас, когда острый кризис миновал, есть возможность обоснованно сбалансировать температуру теплоносителя с реальными потребностями квартир в свежем воздухе.
3. Если не сто пятьдесят, так сколько?
Режим открытых форточек не только расточителен, но и для потребителя не слишком хорош. Однократный воздухообмен через окна вполне комфортен только тогда, когда на улице не очень холодно. В стужу форточку не откроешь, можно и простудиться. Так надо ли стараться поднять температуру теплоносителя до расчетного значения 150 °С, если тепловой поток из отапливаемого помещения наружу в действительности гораздо меньше расчетного значения, вычисленного по действующим нормам?
Рассмотрим две комнаты типового жилого дома, того самого дома, который был построен 30-40 лет тому назад и в котором живет большинство современных горожан. Одна из этих комнат торцевая, у нее две наружных стены, а вторая — рядовая. Обе комнаты имеют одинаковую площадь — 18 м2.
Тепловой поток из этих комнат характеризуется значениями, приведенными в табл. 2.
В рядовой комнате потери теплоты с вентиляцией больше потерь через стены и окна. Совершенно очевидно, что расчетный тепловой поток из отапливаемых комнат в окружающую среду не может быть достигнут при температуре теплоносителя, реально поступающего из тепловой сети. Из этой ситуации можно выйти тремя путями.
Первый путь — смириться с недостаточным отоплением и потерпеть пока не потеплеет на улице. При этом температура в помещении понизится и наступит баланс между тепловыми потоками от поверхности радиатора в комнату и из комнаты в атмосферу.
Второй путь — требовать повышения параметров тепловой сети до расчетных по температурному графику значений.
И, наконец, третий путь — сократить вентиляционную составляющую теплового потока до уровня, соответствующего нынешним европейским стандартам, характерным для развитых государств, озабоченных проблемами рационального использования энергии.
Первые два пути не могут ни у кого вызвать энтузиазма в связи с ущербностью одного из них и явной бесперспективностью второго. Поэтому есть смысл обратить внимание на третий путь и аналитически оценить, какою должна быть температура теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети для того, чтобы поддерживать в жилище допустимую температуру при оптимальном воздухообмене.
На рис. 1 показаны значения максимальной температуры теплоносителя тепловой сети, необходимой для достаточного отопления комнат в типовых жилых домах при различном воздухообмене.
Есть еще одно обстоятельство в пользу целесообразности, и даже необходимости понижения расчетной температуры теплоносителя. Температурный график 150-70 °С практически прямолинеен, в то время как теплоотдача отопительного прибора имеет экспоненциальную зависимость от перепада температур. При температуре теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети 70 °С, соответствующей точке излома температурного графика, перепад температур в системе отопления с расчетными температурами 95–70 °С будет составлять примерно 49–39 °С, а разность температур на поверхности отопительного прибора будет равна приблизительно 26 °С при температуре в помещении 18 °С. Если точка излома соответствует температуре наружного воздуха +2 °С, то перепад температур между воздухом в помещении и наружным воздухом составит 16 °С.
Когда температура наружного воздуха опустится до расчетной (для г. Киева) температуры минус 22 °С, перепад температур между воздухом в помещении и наружным воздухом увеличится до 40 °С, то есть возрастет в 2,5 раза. Чтобы теплоотдача отопительного прибора увеличилась во столько же раз, перепад температур на поверхности отопительного прибора должен быть равен величине tПР, которую можно вычислить из равенства (tПР/26)n = 2,5, в котором n — экспонента отопительного прибора, равная приблизительно 1,3.
Решение этого уравнения приводит к результату: tПР = 52 °С, соответствующему температурам воды в системе отопления 80–60 °С и температурам теплоносителя в тепловой сети всего только 124–60 °С.
Вот уж и впрямь, выходит, что сто пятьдесят — это явный перебор! Конечно, на самом деле отопительные приборы рассчитывались в проектах при температурах теплоносителя 95–70 °C, и, следуя закону экспоненты, при более низких температурах теплоотдача радиаторов должна была бы слегка не дотягивать до желаемой величины теплового потока, но мы сегодня исходим не из проекта, а из реальной ситуации. Реально никто не мерзнет, когда на улице плюс 2 °С, а в подающем трубопроводе тепловой сети 70 °С, как и положено тому быть, согласно температурному графику, 150–70 °С. Если эти удовлетворяющие всех параметры рассматривать как отправную точку, то 124 °С — это та расчетная температура, которую, в сущности, и превышать-то никак нельзя. Трудно даже представить себе, до какой недопустимо высокой температуры прогрелись бы наши квартиры, если бы кому-нибудь и впрямь пришло в голову поднять температуру теплоносителя до 150 °С!
Анализируя эту ситуацию и оценивая возможности принятия европейского подхода к проблеме вентиляции квартир, в том числе существующих, приходим к следующему выводу:
Если бы температура в подающем трубопроводе тепловой сети во время стояния расчетных морозов могла поддерживаться на уровне 115 °С, то наши дома, вентилируемые по европейским нормам, пусть даже не самым жестким, обогревались бы вполне удовлетворительно.
Этот вывод достаточно убедительно подкрепляется практически. Как только температура теплоносителя в киевской тепловой сети начала подниматься при 18-градусном морозе (холоднее погода у нас за последние годы не случалась) до отметки 100–105 °С, всякие толки о недостаточном отоплении прекратились сами собою почти повсеместно.
4. Шаги навстречу
Система централизованного теплоснабжения сможет обеспечить нормальный температурный режим в отапливаемых помещениях, если потребитель и теплоснабжающая организация сделают необходимые шаги навстречу друг другу, а именно:
- Потребитель позаботится о том, чтобы окна его жилища, изначально собранные из топорно выполненных деталей, стали закрываться настолько плотно, что воздухообмен через щели не превысит в стужу 0,5-кратного в час значения.
- Теплоснабжающая организация обеспечит подачу по подающему трубопроводу тепловой сети теплоносителя с температурой 115 °С во время стояния расчетных зимних температур наружного воздуха.
Для того, чтобы сократить потери тепла с избыточной вентиляцией через окна, у потребителя есть три возможности.
Первая, не слишком комфортная возможность, была сполна использована жителямив середине 90-х годов, когда чуть ли не самым ходким товаром стала продававшаяся с осени во всех подземных переходах поролоновая лента, которой предусмотрительные граждане затыкали щели в окнах своих квартир.
Второй, вполне современной возможностью, пользуются те, кто заменил старые многощелевые окна современными светопрозрачными конструкциями, отличающимися не только современным дизайном, но и высокой плотностью притворов. Если присмотреться к фасадам старых домов, можно заметить, что процесс замены окон идет достаточно быстро, причем многие владельцы квартир и у нас, и за рубежом даже переусердствовали в своем стремлении сократить воздухообмен, в результате чего возникли проблемы с высокой влажностью воздуха, ставшей причиной появления плесени на стенах [4].
Третья, вполне комфортная возможность, откроется для тех, кто в дополнение к современному окну приобретет и установит комнатный вентиляционный теплоутилизатор, способный обеспечить любой желаемый воздухообмен при минимальном теплопотреблении. Первые образцы отечественных теплоутилизаторов уже появились на нашем рынке. Что касается теплоснабжающей организации, то у нее есть только одна возможность сделать шаг навстречу потребителю — действительно поднять максимальную температуру теплоносителя до 115 °С. После многих лет эксплуатации тепловой сети при гораздо более низких температурах определенные проблемы могут при этом возникнуть, но, в конечном счете, эта задача технически вполне выполнима. Не сто пятьдесят ведь!
Теперь самое время для теплоснабжающих организаций сделать свой шаг навстречу, потому что потребители в массе своей начали двигаться в нужном направлении еще десять лет назад, когда едва не замерзли в своих домах.
5. Кривой температурный график
Температурный график 150–70 °С хорош тем, что удельный расход сетевой воды на нужды отопления составляет всего лишь 12,5 тонн на каждую гигакалорию транспортируемой по тепловой сети тепловой энергии. Только благодаря такой низкой величине удельного расхода мощные тепловые потоки, характерные для систем теплоснабжения крупных городов, удается пропустить через трубопроводы, проложенные в ограниченном подземном пространстве городских улиц.
Увеличивать удельный расход сетевой воды в существующих системах теплоснабжения практически нет никакой возможности. Да это и не нужно, потому что понижение максимальной расчетной температуры теплоносителя от 150 до 115 °С должно сопровождаться не увеличением расхода, а уменьшением расчетного температурного перепада.
Такойподход вполне логичен, поскольку рассчитан на уменьшение инфильтрационной составляющей тепловых потерь зданиями.
Традиционный температурный график тепловой сети строился с учетом температуры t1, °С в подающем трубопроводе, которая определяется [5] по формуле:
где tB — температура, °С, внутреннего воздуха в зданиях;
tПР — расчетная разность температур на поверхности отопительных приборов;
tT — расчетная разность температур теплоносителя в тепловой сети;
tC — расчетная разность температур теплоносителя в системе отопления;
q — текущее значение относительной тепловой мощности системы отопления, равное отношению
(tB - t')/(tB - tP),
в котором t' и tP — текущая и расчетная температуры наружного воздуха.
Если принять обычные для большинства систем значения
tB = 18 °С,
tПР = 64,5 °С,
tT = 80 °С,
tC = 25 °С,
то температура теплоносителя становится однозначной функцией величины q:
Пользуясь возможностями электронной таблицы Excel, можно получить приближенную линейную зависимость:
которая в интервале значений 0,2 < q < 1 дает практически ничтожную (не более 2 %) погрешность относительно теоретической формулы 2.
Практически температурные графики строят, исходя из более удобной линейной функции
которая характеризуется несколько большей погрешностью (до 5 %) относительно теоретической формулы, но зато в точности совпадает с ней в крайних точках (q = 0 и q = 1). Если понижать расчетное значение максимальной температуры теплоносителя в тепловой сети, то температурный график придется видоизменить.
На рис. 2 показаны традиционный и видоизмененный температурные графики.
Видоизмененный график приближенно описывается уравнением:
Кривизной видоизмененного графика подчеркивается его несхожесть со «срезкой», конфигурацию которого обычно определяют ломаными линиями, искажающими физическую непрерывность функции. С другой стороны, кривизна графика отражает экспоненциальную зависимость теплоотдачи отопительного прибора от разности температур на его поверхности.
6. Могут ли технические условия выполняться условно?
Речь идет о технических условиях (ТУ), которые выдаются потребителю теплоснабжающими организациями.
Неспособность этих организаций ни сейчас, ни в перспективе приблизиться к тем температурным режимам, на которые в свое время проектировалась система централизованного теплоснабжения, сегодня никем не оспаривается [6]. Вместе с тем, в Киеве сегодня, как и прежде, ТУ выдаются на «условные» параметры теплоносителя 150–70 °С. По меньшей мере, неэтично требовать от потребителя выполнения условий присоединения к тепловой сети, если предприятие, эксплуатирующее эту сеть, изначально вознамерилось условия эти нарушать самым бесцеремонным образом.
Было бы правильно, если бы ТУ, точно отражая фактическую ситуацию в системе теплоснабжения, могли бы в полной мере сохранить те жесткие требования к потребителю, которыми определяется устойчивость уже давно сложившегося гидравлического режима тепловой сети.
Правильно составленные ТУ могли бы содержать кроме обычной информации о тепловой мощности потребителей и давлении в магистралях такие, напри- мер, требования и условия:
Максимальный удельный расход сетевой воды, отнесенный к 1 Гкал/ч расчетной тепловой мощности систем теплопотребления, должен определяться из расчета:
12,5 т/ч для систем отопления с зависимым присоединением к тепловой сети, а также для систем вентиляции с рециркуляцией и с утилизаторами тепла вытяжного воздуха;
14,3 т/ч для систем отопления с независимым присоединением к тепловой сети, а также для систем прямоточной вентиляции;
25 т/ч для систем горячего водоснабжения в час пикового водоразбора.
Тепловая сеть при работе в нормальном эксплуатационном режиме обеспечивает подачу теплоносителя с расчетными температурами воды в подающем трубопроводе у потребителя:
65 °С — при температуре наружного воздуха +8 °С и выше;
115 °С — при расчетной для проектирования отопления температуре наружного воздуха;
по температурному графику от 65 до 115 °С — в интервале температур наружного воздуха от +8 °С до расчетной (для проектирования отопления) температуры.
Если бы ТУ были составлены таким образом, то это был бы совершенно четкий документ, не только строго регламентирующий реальные обязанности покупателя и продавца тепловой энергии, но и стимулирующий рациональное ее использование.
7. Особенности проектирования по новым техническим условиям
До сих пор проблемы температурного графика тепловой сети рассматривались применительно к существующим зданиям, запроектированным в свое время на параметры теплоносителя 150–70 °С.
Но, если теплоснабжающие организации начнут выдавать технические условия по предложенной схеме, то при проектировании систем теплопотребления новых зданий нужно будет принимать во внимание некоторые особенности новых ТУ.
Отсутствие каких-либо требований к температуре воды в обратном трубопроводе при жесткой регламентации расходов сетевой воды открывает возможности проектирования систем теплопотребления, работающих при более низких, чем это было принято прежде, температурах теплоносителя. Европей- ский опыт последних лет свидетельствует о том, что наряду с расчетными температурами 90–70 °С в системах отопления все чаще используются параметры 80–60 °С и 70–50 °С. Такой подход определяется следующими соображениями:
Высокие теплозащитные свойства ограждающих конструкций современных зданий обуславливают применение относительно небольших радиаторов даже при умеренных температурах воды, а при температуре 90 °С иногда приходится применять заведомо излишнюю поверхность отопительных приборов.
Гигиенические свойства низкотемпературных радиаторов становятся все более привлекательными для потребителя.
Потери теплоты в магистралях при низких температурах воды в них значительно ниже, чем при высокотемпературном теплоснабжении.
Увеличивается выработка на ТЭЦ дополнительной электроэнергии на теп ловом потреблении.
В обозримом будущем упростится переход на теплоснабжение от альтернативных источников энергии, например, от тепловых насосов.
Требованиями к расходу сетевой воды на горячее водоснабжение будет определяться применение не только двухступенчатых водоподогревателей, но и закрытых тепло аккумуляторов, которые широко применяются во многих странах.
Понижение минимальной температуры в подающем трубопроводе тепловой сети от 70 до 65 °С требует применения рассчитанных соответствующим образом современных теплообменников горячего водоснабжения с высокой плотностью теплового потока. Работая при температуре 65 °С большую часть года, теплоснабжающие организации смогут сэкономить достаточное количество топлива, чтобы компенсировать его дополнительное (относительно нынешней ситуации) потребление в течение короткого времени стояния сильных морозов, когда все-таки придется подогревать воду до 115 °С.
1. Действующие нормы, регламентирующие расчет тепловых потерь зданий с учетом однократной вентиляции отапливаемых помещений, обусловили ситуацию, при которой проектная тепловая мощность отопительных систем превышает фактические потребности зданий в тепловой энергии для отопления.
2. Если параметры тепловой сети будут ориентированы на европейский подход к вентиляции квартир, то нет необходимости поднимать максимальную температуру теплоносителя до практически нереального расчетного значения 150 °С. Для удовлетворительного теплоснабжения было бы достаточно 115 °С.
3. Технические условия на теплоснабжение должны составляться так, чтобы они строго регламентировали реальные обязанности покупателя и продавца тепловой энергии и стимулировали рациональное ее использование при сохранении сложившегося в тепловой сети гидравлического режима.
Литература
1. Зингер Н.М., Бестолченко В.Г., Жидков А.А. Повышение эффективности работы тепловых пунктов. — М.: Стройиздат, 1990.
2. Taschenbuch fur Heizung + Klimatechnik 97/98.
3. ASHRAE Standard 62-1999. Ventilation for Acceptable Indoor Quality.
4. Гершкович В.Ф. Плесень на стенах. Германский урок // Новости теплоснабжения (Москва). — 2002 — 17, № 1.
5. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. — М.: Энергоиздат, 1982.
6. Чистович А.С. Концепция развития систем централизованного теплоснабжения. Теплоэнергоэффект. технол.: Инфор. бюл. (Санкт-Петербург). — 2002 — 29, № 3.
7. Правительство Москвы. Тех. рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. ТР АВОК- 4-2004.
