Автономная система теплоснабжения — альтернатива или шаг назад?

П. А. Хаванов, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой теплотехники и котельных установок Московского государственного строительного университета (МГСУ), ведущий специалист компании «Селект»

Рассматривая принцип централизации не по количественному признаку — единичной мощности, а по признаку группового объединения потребителей на базе центрального источника в рамках отдельного потребителя (возможно, группового), выделенного в отдельную единицу (квартиру, коттедж, многоэтажное здание), можно утверждать, что ни электроснабжение и газоснабжение, ни водоснабжение и канализация в относительно больших городах не могут развиваться как децентрализованные системы, что не исключает такую возможность в малых населенных пунктах (для малоэтажных зданий), безусловно, включая альтернативные источники энергообеспечения.

Особое место определено для систем теплоснабжения — как централизованных по принципу выработки теплоты, так и децентрализованных, создание которых базируется на системах централизованной поставки энергоносителя (будь то газопроводная сеть, электрическая сеть или централизованная поставка жидкого, твердого топлива). Суть проблемы состоит в месте выработки и способе распределения теплоносителя нужных параметров в требуемых количествах. Особая роль и место системы теплоснабжения в общей инфраструктуре инженерного обеспечения жилого фонда формируется в северных регионах с длительным отопительным периодом и большими энергозатратами на цели отопления зданий. Концентрация нагрузок теплоснабжения на базе мощных источников теплоты с последующим распределением нагрузки по сети потребителей обеспечивает значительные преимущества социального и технико-экономического порядка.

Централизация выработки тепловой энергии позволяет достичь:

- максимальной эффективности выработки тепловой энергии мощными источниками теплоты, эксплуатируемыми специализированным профессиональным персоналом;

- рационального использования централизации на базе крупных энергетических установок, работающих по наиболее эффективным термодинамическим циклам при совместной выработке электрической и тепловой энергии (ТЭЦ с приоритетом нагрузки электропотребления, высокоэффективных ТЭЦ с парогазовым циклом);

- максимального социального эффекта, с полным освобождением населения от трудозатрат на обслуживание системы теплоснабжения (отопление, ГВС, вентиляция);

- высокоэффективного, экологически удовлетворительного сжигания низкосортных топлив, отходов бытового и производственного происхождения, вторичных энергетических ресурсов промышленных предприятий;

- наиболее эффективных систем очистки и рассеивания продуктов сгорания, подавления эмиссии или нейтрализации вредных выбросов и стоков, сооружение которых технически возможно и экономически целесообразно только на мощных централизованных источниках.

Именно эти факторы стимулировали мощный прорыв отечественной энергетики в 1950—1960-е годы на передовые позиции в мире в области централизованного теплоснабжения как по разработке эффективного теплогенерирующего оборудования, так и по объемам строительства и внедрения в масштабе страны. Отечественный опыт создания мощных теплофикационных комплексов и систем централизованного теплоснабжения оказал определенное влияние на развитие систем централизованного теплоснабжения во многих зарубежных странах (особенно в последние десятилетия в Германии, Финляндии, Швеции, Дании и др). В Москве централизованно обеспечивается 96 % нагрузки отопления и горячего водоснабжения от 14 ТЭЦ, 67 РТС и 107 мелких котельных, и только 4 % потребляемой мощности обеспечивается децентрализованными источниками тепла. Однако развитие отрасли ставило все новые задачи и поднимало уровень требований к эффективности систем, их техническому уровню и эксплуатационным показателям. Этот этап развития и реконструкции в отечественной коммунальной энергетике не нашел надлежащего воплощения в силу множества причин, проявившихся в непростые годы последних десятилетий преобразования общества, что привело к тому, что техническое оснащение эксплуатируемых систем централизованного теплоснабжения и принципиальные научно-технические разработки, заложенные в эти системы, датируются 1960—1970 годами. Применение наиболее простых схем центрального качественного регулирования отпуска тепловой энергии, обусловленного утилитарной простотой систем управления и используемого оборудования, приводит к несоответствию режимов потребления и отпуска теплоты у потребителей. Значительную величину составляют потери теплоты у потребителей из-за несовершенства местных систем распределения и управления, наличия технологически обусловленных режимов «перетопа». Большая протяженность тепловых сетей, значительный износ оборудования и низкий уровень эксплуатации в совокупности с ранее отмеченными факторами приводят к снижению надежности функционирования как центральных источников тепла, так и распределительных сетей, что обуславливает высокий уровень аварийности в централизованных системах и чрезвычайно низкие эксплуатационные показатели.

В настоящее время теплоснабжение около 80 % городского фонда России осуществляется от централизованных источников, и общая протяженность магистральных участков тепловых сетей диаметром 600—1400 мм составляет 13 000 км, а протяженность распределительных и внутриквартальных участков трубопроводов диаметром 50—500 мм достигает 125 000 км (в пересчете на двухтрубную систему).

Эксплуатация тепловых сетей сопровождается тепловыми потерями от внешнего охлаждения в размере 12—20 % тепловой мощности (нормируемое значение 5 %) и с утечками теплоносителя от 5 до 20 % расхода в сети (при нормируемом значении потерь с утечками до 0,5 % от объема теплоносителя в системе теплоснабжения, с учетом объема местных систем). Эксплуатационные затраты электроэнергии на перекачку теплоносителя составляют 6—10 %, а затраты на химводоподготовку 15—25 % от стоимости отпускаемой тепловой энергии. Значительное превышение нормативных потерь связано с высокой степенью износа оборудования централизованных систем теплоснабжения и особенно тепловых сетей — до 70 % и более. Поэтому именно тепловые сети являются самым ненадежным элементом системы централизованного теплоснабжения, на который приходится более 85 % отказов по системе в целом. 

Трубопроводы тепловых сетей прокладываются в подземных проходных и непроходных каналах — 84 %, бесканальная подземная прокладка — 6 % и надземная (на эстакадах) — 10 %. В среднем по стране свыше 12 % тепловых сетей периодически или постоянно затапливаются грунтовыми или поверхностными водами, в отдельных городах эта цифра может достигать 70 % теплотрасс. Неудовлетворительное состояние тепловой и гидравлической изоляции трубопроводов, износ и низкое качество монтажа и эксплуатации оборудования тепловых сетей отражается статистическими данными по аварийности. Так, 90 % аварийных отказов приходится на подающие трубопроводы и 10 % — на обратные, из них 65 % аварий происходит из-за наружной коррозии и 15 % — из-за дефектов монтажа (преимущественно разрывов сварных швов).

На этом фоне все увереннее позиции децентрализованного теплоснабжения, к которому следует отнести как поквартирные системы отопления и горячего водоснабжения, так и домовые, включая многоэтажные здания с крышной или пристроенной автономной котельной. Использование децентрализации позволяет лучше адаптировать систему теплоснабжения к условиям потребления теплоты конкретного, обслуживаемого ею объекта, а отсутствие внешних распределительных сетей практически исключает непроизводственные потери теплоты при транспорте теплоносителя. Повышенный интерес к автономным источникам теплоты (и системам) в последние годы в значительной степени обусловлен финансовым состоянием и инвестиционно-кредитной политикой в стране, т. к. строительство централизованной системы теплоснабжения требует от инвестора значительных единовременных капитальных вложений в источник, тепловые сети и внутренние системы здания, причем с неопределенными сроком окупаемости или практически на безвозвратной основе. При децентрализации возможно достичь не только снижения капитальных вложений за счет отсутствия тепловых сетей, но и переложить расходы на стоимость жилья (т. е. на потребителя). Именно этот фактор в последнее время и обусловил повышенный интерес к децентрализованным системам теплоснабжения для объектов нового строительства жилья. Организация автономного теплоснабжения позволяет осуществить реконструкцию объектов в городских районах старой и плотной застройки при отсутствии свободных мощностей в централизованных системах. Децентрализация на современном уровне, базирующаяся на высокоэффективных теплогенераторах последних поколений (включая конденсационные котлы), с использованием энергосберегающих систем автоматического управления, позволяет в полной мере удовлетворить запросы самого требовательного потребителя.

Перечисленные факторы в пользу децентрализации теплоснабжения привели к тому, что часто оно уже стало рассматриваться как безальтернативное техническое решение, лишенное недостатков. Поэтому необходимо подробно рассмотреть те проблемы, которые проявляются при более внимательном подходе к этому вопросу, проанализировать отдельные случаи применения децентрализованных систем, что позволит выбрать рациональное решение в комплексе.

1. Важным преимуществом децентрализованных систем теплоснабжения является возможность местного регулирования в системах квартирного отопления и горячего водоснабжения. Однако эксплуатация источника теплоты и всего комплекса вспомогательного оборудования квартирной системы теплоснабжения непрофессиональным персоналом (жильцами) не всегда дает возможность в полной мере использовать это преимущество. Также необходимо учитывать, что в любом случае требуется создание или привлечение ремонтно-эксплуатационной организации для обслуживания источников теплоснабжения.

2. Рациональной можно признать децентрализацию только на основе газообразного (природный газ) или легкого дистиллятного жидкого топлива (дизтоплива, топлива печного бытового). Использование для поквартирного теплоснабжения жидкого и твердого топлива в многоэтажной застройке по ряду очевидных причин — нереализуемая задача. В малоэтажной застройке, как показывают многие исследования, на низкосортном рядовом твердом топливе (а сейчас другого в стране практически нет) экономически целесообразно строить групповую котельную.

Сжиженный газ (пропан-бутановые смеси) для северных районов с большим потреблением тепла на цели отопления, даже в комплексе с энергосберегающими мероприятиями, потребует строительства газохранилищ большой емкости (с обязательной установкой не менее двух подземных емкостей), что в комплексе вопросов с централизованной поставкой сжиженного газа существенно усложняет проблему.

Электроэнергия не должна использоваться на цели отопления (независимо от себестоимости и тарифов) в силу эффективности ее выработки по первичной энергии для конечного потребителя (h ~30 %) за исключением систем временного, аварийного, локального отопления (местного) и в районах ее избытков (вблизи ГЭС), в ряде случаев использования альтернативных источников энергии (тепловые насосы). В этой же связи необходимо отмежеваться от безответственных заявлений в печати ряда разработчиков и производителей так называемых вихревых теплогенераторов, декларирующих тепловую эффективность устройств, работающих на вязкостной диссипации механической энергии (от электродвигателя), в 1,25 раза превосходящую установленную мощность электрооборудования.

3. Система поквартирного теплоснабжения не должна применяться в здании, разработанном для централизованного теплоснабжения (типовом). Основной и самой главной причиной является необходимость устройства системы дымоудаления, т. к. для многоэтажного здания, в соответствии с требованиями нормативной документации, на одном этаже (уровне) к стволу дымохода может подключаться только один газоход от одного теплогенератора. Поэтому, например, в секционных зданиях на каждую секцию здания нужно установить четыре дымовые трубы (или пакет из четырех труб), а это требует конкретных инженерных решений при проектировании здания (как для лифтовых шахт, мусоропроводов, систем вентиляции и др.), с отчуждением части строительных площадей. При сооружении крышных котельных вопросы дымоудаления в большинстве случаев решаются значительно проще.

4. Проблема дымоудаления в поквартирных системах теплоснабжения для застройки в северных регионах стоит наиболее остро, т. к. устройство наружных газоходов (приставных) практически возможно только в случае их изготовления из коррозионно-стойкого металла с теплоизоляцией, имеющее термическое сопротивление более 1,4 м² • °С/Вт, исключающее конденсацию при периодической работе теплогенераторов в холодный период отопительного сезона.

5. Практически во всех случаях эксплуатации поквартирного теплогенератора в многоэтажном здании его работа будет периодической. Это обусловлено тем, что расчетная нагрузка отопления для квартиры средней площади (2-комнатная квартира в многоэтажном здании) составляет менее 5 кВт, в то время как нагрузка горячего водоснабжения (для обеспечения самой теплоемкой процедуры — наполнения ванны) должна быть около 24 кВт (в том числе и для квартир меньшей площади). Таким образом, специфика работы источника теплоты в поквартирной системе отопления (в большинстве случаев это двухконтурные термоблоки с закрытой топкой) требует подбор его мощности по пиковой нагрузке. Глубина регулирования мощности теплогенераторов большинства производителей составляет от 40 до 100 %, что обуславливает работу термоблока в режиме «включено-выключено» даже на минимальной мощности (около 10 кВт). Поэтому избежать образования конденсата в газоходах, не имеющих эффективной теплоизоляции, при низких температурах наружного воздуха в начале газохода (на нижних этажах) практически невозможно. Дымоход во всех случаях должен быть газоплотным и влагостойким, его необходимо теплоизолировать, оснащать устройствами сбора и отвода конденсата с системой его нейтрализации перед сливом.

6. Установленная мощность источников теплоты при поквартирном теплоснабжении в многоэтажном здании (как отмечалось в п. 5) рассчитывается по максимуму (пику) теплопотребления, т. е. по нагрузке горячего водоснабжения. Нетрудно видеть, что в этом случае для двухсотквартирного жилого здания установленная мощность теплогенераторов составит 4,8 мВт, что более чем в два раза превышает необходимую суммарную мощность теплоснабжения при подключении к центральным тепловым сетям или к автономной, например, крышной котельной. Установка емкостных водонагревателей в системе горячего водоснабжения квартиры (емкость 100—150 л) позволяет снизить установленную мощность поквартирных теплогенераторов, однако существенно усложняет квартирную систему теплоснабжения, значительно увеличивает ее стоимость и практически не применяется в многоэтажных зданиях.

7. Автономные источники теплоснабжения (в том числе и поквартирные) имеют рассредоточенный в жилом районе выброс продуктов сгорания при относительно низкой высоте дымовых труб, что оказывает существенное влияние на экологическую обстановку, загрязняя воздух непосредственно в селитебной зоне.

8. При поквартирном теплоснабжении в многоэтажном здании необходимо организационно-техническое решение вопроса отопления лестничных клеток и других мест общественного пользования.

Уже имеющийся опыт создания современных комфортных условий проживания в коттеджах и малоэтажных зданиях на базе масштабного внедрения децентрализованных систем теплоснабжения, использующих высокотехнологичное оборудование, позволяет с уверенностью говорить об устойчивой тенденции отхода от печного отопления. Вместе с тем, опытное строительство многоэтажных зданий в ряде городов (Смоленск, Самара и др.) с поквартирными системами теплоснабжения на базе разрешаемых к применению в зданиях выше 5 этажей двухконтурных проточных газовых котлов с герметичными камерами сгорания с «закрытой» топкой (т. е. принудительным дымоудалением) является по сути дела весьма примитивной попыткой решить все проблемы, о которых говорилось ранее, в типовом здании, которое для создания такой системы теплоснабжения не разрабатывалось и не предназначается. Недостаточная нормативная база, отсутствие федерального нормативного документа, регламентирующего основные технические условия применения поквартирного теплоснабжения в многоэтажных зданиях на базе современного инженерного оборудования, снижают темпы и объемы внедрения новейших разработок в этой области.

Существенно меньше проблем возникает при разработке децентрализованных систем теплоснабжения от автономных крышных, встроенных и пристроенных котельных отдельных объектов жилого, коммунально-бытового и промышленного назначения, в т. ч. и типовых сооружений. Достаточно четкая нормативная документация позволяет технически обосновать эффективное решение вопросов размещения оборудования, топливоснабжения, дымоудаления, электроснабжения и автоматизации автономного источника теплоты. Не встречает особых трудностей и разработка инженерных систем здания, включая типовые, по своей конструкции практически идентичные централизованным системам.

В ряде случаев к децентрализованным источникам могут быть отнесены мини-ТЭЦ (когенераторные установки). В меньшей степени это применимо к установкам на базе паровых и газовых турбин, как правило, относительно более мощных, чем дизельные газопоршневые установки, опыт использования которых восходит к применению дизель-электрических генераторов — как передвижных, так и стационарных — в системах автономного электроснабжения объектов и малых населенных пунктов. В современных когенераторных газопоршневых установках теплота охлаждения блока цилиндров, теплота уходящих газов и охлаждения смазочного масла ДВС утилизируется для целей теплоснабжения, которые в общем балансе теплоты по первичному топливу могут составлять до 45—50 % установленной мощности при эффективности выработки электроэнергии 35—42 %.

Преимущества газопоршневой мини-ТЭЦ заключается в возможности автономного электро- и теплоснабжения группы зданий или отдельного объекта при зависимости потребителя только от систем топливоснабжения и водоснабжения (при нагрузке ГВС). Основными особенностями использования когенераторной установки является приоритетность нагрузки электроснабжения, а при работе в системе теплоснабжения — связанность по величине электрических и тепловых нагрузок, максимумы и минимумы которых могут не совпадать как в сезонном, так и в суточном графиках потребления. Недоиспользование мощности мини-ТЭЦ в режимах несовпадения максимумов нагрузок значительно снижает эффективность установки в целом, поэтому необходимы технические решения, позволяющие нивелировать существенные нарушения в балансе электро- и теплопотребления, например, путем установки теплогенераторов (газовых котлов) для работы в «пиковых» режимах теплопотребления. Газопоршневые установки существенно усложняют источник энергии для системы теплоснабжения, приводят к росту стоимости основного и вспомогательного оборудования, увеличению амортизационных отчислений, эксплуатационных расходов и затрат на оплату труда высококвалифицированного обслуживающего персонала. Поэтому, несмотря на то что использование когенераторных установок позволяет добиться наибольшей автономности электро- и теплоснабжения, необходимо учитывать присущие им недостатки:

- высокую стоимость оборудования, строительства и эксплуатации установок;

- невысокий КПД по первичному энергоносителю (особенно в летнее время);

- связанность электрической и тепловой мощности, что для северных районов страны обуславливает недостаток тепловой мощности (51—58 % в балансе отпускаемой установкой мощности), или при подборе установки по тепловой мощности относительный избыток электрической (42—49 % отпускаемой мощности), для сброса которой приходится использовать электронагреватели;

- необходимость, в подавляющем большинстве случаев, монтировать трансформаторную подстанцию;

- относительно высокий шум установки;

- меньший эксплуатационный ресурс и межремонтный период по сравнению с котельным оборудованием.

Перечисленные недостатки когенераторных установок существенно сужают область их применения, и, по-видимому, она соответствует области применения упоминавшихся ранее дизель-генераторов.

Объемы капитальных затрат только на основное оборудование при разработке системы теплоснабжения на базе различных источников теплоты с использованием в качестве энергоносителя природного газа, полученные по укрупненным показателям и на основании проектных материалов, позволяют сформулировать некоторое представление о стоимости инженерной системы, разрабатываемой на современном оборудовании.

Безусловно, решение по теплоснабжению должно приниматься застройщиком по результатам технико-экономического обоснования с учетом условий инвестирования строительства, климата и региональной специфики в вопросах градостроительства, топливоснабжения, социального уровня жизни населения. Разработка и внедрение децентрализованных систем теплоснабжения должны производиться на основании соблюдения технологических особенностей всех процессов, сопровождающих выработку тепловой энергии, с обязательным учетом их в конструкции здания, специально проектируемого для конкретных схем автономного теплоснабжения.

Децентрализация, как техническое решение, имеет свои положительные стороны, но простая «аппликация» их на принципиально иную основу — типовое проектирование, являющееся базой для централизованного теплоснабжения, без учета специфики децентрализации, лишает застройщика рационального инженерного содержания и практических преимуществ, а стихийное внедрение автономных источников может нанести значительный ущерб сложившейся инфраструктуре городов. В этой связи нельзя согласиться с весьма неопределенным высказыванием ряда специалистов о том, что в городах доля автономных источников теплоснабжения должна составлять 10—15 % от потенциального рынка тепловой энергии, которое практически все города нивелирует к единому градостроительному уровню.

Таким образом, автономное теплоснабжение не должно рассматриваться как безусловная альтернатива централизованному теплоснабжению или как отступление от завоеванных позиций. Технический уровень современного энергосберегающего оборудования по выработке, технологии транспорта и распределения теплоты позволяют создавать эффективные и рациональные инженерные системы, уровень централизации которых должен иметь соответствующее обоснование.

Тел. (095) 120-90-07