И все-таки централизованное теплоснабжение на базе теплофикации!

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы

В последнее время уже не раздается открытых призывов, которые были слышны в 90-х годах XX века из уст чиновников, включая председателя Госстроя, – «закопать» тепловые сети систем централизованного теплоснабжения и перейти на крышные или пристроенные к дому котельные, не требующие тепловых сетей. Осуществление теплоснабжения с котельными на один, два или три дома с дымовыми трубами из нержавеющей стали, оказавшихся значительно дороже по сравнению с их предварительной оценкой, уже не приводится как пример удачного решения теплоснабжения. Хотя это не мешает автору [1], признавая эффективность комбинированной выработки энергии, утверждать, что «использование технологии автономного поквартирного теплоснабжения от газовых теплогенераторов в новом жилищном строительстве именно в сравнении с централизованным теплоснабжением от РТС, а не с тепловыми электрическими станциями на комбинированной выработке тепловой энергии, позволяет сократить потребление газа до 30 %».

В настоящее время районные тепловые станции (РТС) при новом строительстве и в процессе реконструкции достраиваются когенерационными установками, для которых нужны существующие от РТС тепловые сети, чтобы получать дешевую электроэнергию. Поэтому сравнение теплоснабжения с квартирными теплогенераторами и централизованным теплоснабжением от РТС не корректно.

Автор правильно констатирует, что развитие малой энергетики с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергий сдерживается из-за отсутствия «закона о безусловном подключении и передачи излишней электроэнергии в систему электроснабжения», черпая в этом доводы в пользу квартирных теплогенераторов. Но это временные затруднения, надеюсь, мы обратим внимание на опыт развитых европейских стран, где уже принят закон не только о безусловном подключении мини-ТЭЦ к электрическим распределительным сетям, но и о предписании оператору сети снизить уровень подачи электроэнергии с собственных электростанций, если пропускная мощность сети не позволяет подключить нового производителя [2].

В другой статье, помещенной в том же номере журнала [3], подчеркивается, что «ориентация российской энергетики на теплофикацию и централизованное теплоснабжение, как основной способ удовлетворения тепловых потребностей городов и промышленных центров, технически и экономически себя оправдали», но далее приводится сравнение систем централизованного теплоснабжения с теплоснабжением от групповых, крышных АИТ и квартирных теплогенератров, и делается вывод, что при применении крышных котельных и квартирных теплогенераторов устраняются недостатки централизованного теплоснабжения, в большей степени обеспечиваются комфортные условия для жителей. Но это уже не теплофикация, крышные котельные и квартирные теплогенераторы не позволяют осуществлять комбинированную выработку тепловой и электрической энергии, которая, как было сказано в преамбуле к статье, технически и экономически себя оправдала. Происходит подмена понятий: говорится, что теплофикация – «это самое лучшее», и при этом следует применять крышные котельные и квартирные теплогенераторы.

Другой удар по теплофикации был нанесен, откуда его совсем не ждали [4]. Опять, также признавая приоритетность централизованного теплоснабжения на базе теплофикации, автор заявляет, что, «учитывая крайне запущенное состояние централизованного теплоснабжения в России, полная их модернизация с целью обеспечения возможности работы в расчетном режиме с температурой теплоносителя 150 °С (с верхней срезкой графика при 130 °С) в течение ближайших 20–30 лет в большинстве городов практически неосуществима». Предлагается ориентировать систему централизованного теплоснабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки с минимальной температурой теплоносителя на выходе из ТЭЦ 100–110 °С и дополнить ее строительством новых пиковых (локальных), максимально приближенных к системам теплопотребления источников тепла. Автор полагает, что при этом значительно сокращаются капитальные затраты на реконструкцию тепловых сетей за счет меньшего количества компенсаторов, возможности применения более дешевых и не подверженных коррозии труб из полимерных материалов и др. По его мнению, на выделенные средства оказывается возможным реконструировать значительно больший объем тепловых сетей с повышением их надежности и уменьшением потерь при транспортировке теплоносителя.

С таким убийственным доводом, казалось, можно было бы согласиться, но как реализовать такую систему на практике? Ведь сразу у всех потребителей пиковые, локальные источники энергии не построишь. А переход на расчетные параметры теплоносителя 110–70 °С, вместо 150–70 °С (70 °С в обратном трубопроводе остается из-за принятого режима в местных системах отопления), означает увеличение объема теплоносителя, циркулирующего в тепловых сетях в 2 раза, что приведет к росту требуемого напора циркуляционных насосов, где пиковые источники еще не построены, в 4 раза. Это, конечно, не реально.

А потом, если все-таки идти по пути строительства пиковых источников, то централизованно на группу зданий их устанавливать нельзя, т. к. согласно доводу о физическом износе трубопроводов поднимать температуру теплоносителя в разводящих сетях после пикового источника нельзя – значит этот источник надо ставить в каждом доме? И пришли к тому, от чего избавлялись за весь послевоенный советский период. А ведь, несмотря на высокий КПД современных газовых теплогенераторов, это не такая безобидная вещь с точки зрения экологической безопасности.

Так, например, в проекте 600-метрового комплекса «Башня Россия», предполагаемого к сооружению в ММДЦ «Москва-Сити» (архитектор лорд Норман Фостер), предусмотрены на случай аварии в городской энергосистеме шесть дизельных генераторов электрической мощностью 24 МВт, устанавливаемые в подземных уровнях здания. Причем выполнена вся инфраструктура использования параллельно вырабатываемой тепловой энергии, путем подачи охлаждающей дизельгенераторы воды зимой для нагрева наружного воздуха в калориферы предварительного нагрева кондиционеров, расположенных на всех этажах здания. В летнее время эта охлаждающая вода подается в градирни, расположенные на 125–126 этажах здания через систему трубопроводов, пронизывающую все здание по высоте с теплообменниками, разделяющими эту систему на гидравлически независимые зоны. На предложение включить резервные дизельные генераторы в схему электроснабжения для замещения части мощности, получаемой из городской электросети, снизив одновременно и теплопотребление из городских тепловых сетей, было заявлено, что по экологическим соображениям этого делать нельзя.

Какой же выход из этого существующего критического положения, чтобы «не попасть на те же грабли» в новом строительстве? На наш взгляд, это обращение к опыту таких стран, как Дания, Финляндия, Германия, обогнавшие нас в области централизованного теплоснабжения на базе теплофикации. Это в первую очередь оснащение каждого теплового пункта здания приборами автоматического регулирования подачи тепла, не приборами учета тепла, что у нас поднято на щит, а автоматического регулирования в сочетании с учетом тепла. А затем постепенный переход на сниженные параметры теплоносителя в тепловых сетях, поскольку установленные приборы автоматики выправят параметры теплоносителя, циркулирующего в системах отопления, независимо от их снижения в тепловых сетях. Но параметры надо снижать не только в тепловых сетях, но и в системах отопления, что сократит связанное с этим вынужденное увеличение расхода теплоносителя.

Так, в большинстве систем теплоснабжения перечисленных стран расчетные параметры теплоносителя в тепловых сетях 110–55 °С, а в системах отопления 75–55 °С. Конечно, это увеличение поверхности нагрева отопительных приборов, но с другой стороны – повышение комфорта, т. к. в теплых зданиях (с улучшенной тепловой защитой в соответствии с требованием СНиП) при расчетных параметрах теплоносителя 95–70 °С отопительный прибор настолько мал, что не перекрывает действие отрицательной радиации от окна. Но перед тем, как переходить на пониженные температурные параметры теплоносителя, следует повысить их, привести в проектный режим работы существующие тепловые сети, придерживаясь метких и емких русских пословиц: «не так страшен черт, как его малюют» и «глаза боятся, а руки делают».

Последствия, связанные с температурным расширением металла труб, не могут быть выявлены при опрессовке трубопроводов тепловой сети, а только при непосредственном воздействии высокой температуры. Поэтому необходимо осеннюю пробную топку дополнить весенней – в конце отопительного периода поднять температуру теплоносителя в подающем трубопроводе тепловых сетей до близкой к расчетной, выявить места аварий и устранять их в течение летнего периода, заменяя компенсаторы и нацеленно производя перекладку аварийных трубопроводов на несколько больший диаметр с учетом дальнейшего снижения параметров теплоносителя.

После устранения слабых звеньев, выявленных в результате проведения температурной и гидравлической опрессовки, проведения дополнительной теплоизоляции участков с повышенными теплопотерями, выявленных тепловизионной съемкой с крыш ближайших к тепловой сети домов, выполнения распределения теплоносителя в соответствии с расчетными нагрузками (определяемыми в результате проведенной энергетической паспортизации зданий, используя разработанное НП «АВОК» «Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий» АВОК–8–2005) путем шайбирования вводов или установки сопла в конусе элеватора нужного диаметра (при отсутствии автоматического регулирования подачи тепла в тепловом пункте), которые можно провести за 1–2 года, не придется ждать 20 лет, чтобы режим работы тепловых сетей мог осуществляться в соответствии с расчетным температурным графиком. Ведь тепловые сети есть, и они поддерживаются в рабочем состоянии, и для покрытия базовой тепловой нагрузки они все равно нужны.

Так сложилось, что наши системы централизованного теплоснабжения построены по принципу качественного центрального регулирования отпуска тепла, когда в тепловых сетях осуществляется циркуляция теплоносителя в постоянном объеме, независимо от изменения нагрузки, а влияние изменения наружной температуры на отопление зданий отслеживается через температуру теплоносителя. Поэтому, если, например, при нулевой наружной температуре обеспечивается нормальное отопление, что достигается правильным распределением теплоносителя по потребителям, то в дальнейшем при понижении наружной температуры надо только повышать температуру в подающем трубопроводе тепловых сетей, и все будет в порядке (за исключением отдельных объектов, требующих иного температурного графика, но это уже решается за счет местного или индивидуального авторегулирования, а не строительством пиковых локальных источников тепла). Реальность поддержания такого режима подтверждается работой тепловых сетей централизованного теплоснабжения Москвы, за что следует поблагодарить М.А. Лапира, В.И. Манюка, Н.К. Громова, Н.И. Серебрянникова, В.М. Липовских, Г.А. Неймана, В.В. Терентьева и других работников УТЭХ и Теплосети Мосэнерго.

Практика показывает, что при соблюдении расчетного температурного графика центрального регулирования тепловых сетей до температуры наружного воздуха, соответствующей параметрам А (для Москвы это -15 °С, чему соответствует температура теплоносителя в подающем трубопроводе теплосети согласно центральному графику качественного регулирования отпуска тепла T₁ = 120 °С) и при последующем понижении наружной температуры вплоть до расчетной (для Москвы это -26 °С и Т₁ = 150 °С) и ниже, температура внутреннего воздуха в квартирах не опускалась менее допустимой, если температура теплоносителя в подающем трубопроводе теплосети сохраняется на том же уровне в 120 °С. Поэтому и поднимать температуру теплоносителя до заоблачных высот не требуется.

Это подтверждается результатами инструментальных наблюдений, выполненных автором при испытаниях пофасадной системы авторегулирования отопления в жилом 16-этажном доме на Ленинском проспекте [5], совпавшими с периодом резких похолоданий на рубеже 1978–1979 годов (таблица). Температура воздуха измерялась термометрами сопротивления с записью показаний с интервалом в две минуты на электронный прибор.

Это были вторые по суровости морозы за последние 43 года (средняя температура наружного воздуха пятидневки достигла -27,9 °С). Как следует из таблицы, температурный график в тепловых сетях четко соблюдался до периода резких похолоданий, что обеспечивало температуру воздуха в квартирах на комфортном уровне 20–21,5 °С. При температурах наружного воздуха ниже -20 °С сначала пытались поддерживать температуру в теплосети 130–132 °С, но в самые сильные морозы она упала до 120–122 °С и на этом уровне находилась в оставшийся период похолоданий. Тем не менее, температура воздуха в квартирах в конце 6-дневного периода со средней температурой -26,3 °С понизилась только до 16 °С – средняя температура воздуха по 10 квартирам с самой низкой температурой из 40 квартир. Средняя температура воздуха по 40 квартирам к концу похолодания составила 18 °С, вероятно, за счет включения в ряде квартир электронагревателей или из-за сокращения воздухообмена в квартирах до минимума.

Это объясняется относительной кратковременностью периодов резкого похолодания и тем, что температура воздуха в отапливаемых помещениях не успевает опуститься до критических значений за счет аккумулирующей способности внутренних ограждений (стен, перекрытий) и мебели и начинает подниматься с повышением температуры наружного воздуха (таблица, 03.01.1979). Такие удовлетворительные результаты позволили узаконить верхнюю срезку центрального температурного графика в тепловых сетях Москвы.

С переходом на верхнюю срезку температурного графика соответствующие коррективы должны быть внесены и в алгоритм, реализуемый приборами авторегулирования тепловых пунктов. В противном случае, стремясь поддерживать температурный график в местных системах отопления в зависимости от изменения наружной температуры, регулирующий клапан продолжал бы раскрываться, увеличивая расход воды из тепловой сети, на других абонентах из-за перегрузки тепловых сетей и снижения располагаемого напора расход теплоносителя, наоборот, стал бы сокращаться и наступил бы хаос – полная разрегулировка тепловой сети.

Поэтому в алгоритм отопительного регулятора должна быть также заложена возможность осуществления срезки температурного графика местной системы отопления. А в схему автоматического ограничения максимального расхода сетевой воды на тепловой пункт, нацеленную обычно (при изменении наружной температуры от положительных значений до отрицательных, соответствующих значению при параметре А) на сокращение подачи тепла на отопление в часы максимального водоразбора (чтобы не увеличивать расход сетевой воды выше расчетной величины), недогрев от которого компенсируется в ночные часы, следует переставить приоритеты. В периоды понижения наружной температуры ниже параметра А при попытке увеличения расхода сетевой воды выше расчетного следует закрывать клапан подачи тепла не на отопление, а на вторую ступень горячего водоснабжения, вплоть до его полного закрытия (нагрев горячей воды будет осуществляться только в первой ступени), отдавая предпочтение снижению температуры воды в системе горячего водоснабжения, чем уменьшению температуры в отапливаемых помещениях.

Достижение максимальной температуры теплоносителя в тепловых сетях 120 °С при сохранении его расхода в объеме расчетного, исходя из перепада температур 150–70 °С, обеспечивает возможность любой действующей тепловой сети выйти с минимальными затратами на режим работы по температурному графику центрального качественного регулирования со срезкой.

Однако в европейских странах с развитой системой централизованного теплоснабжения наблюдается тенденция еще большего снижения температуры теплоносителя. Помимо того, что при этом увеличивается выработка электроэнергии на тепловом потреблении, вероятно, зарубежные капиталисты с большим стажем, чем отечественные, видят и другие экономические преимущества. Доверимся им в этом. В России дальнейшее снижение параметров теплоносителя в тепловых сетях связано со снижением этих параметров в системах отопления. Как уже было сказано выше, это положительная тенденция, повышающая комфортные условия в отапливаемых помещениях, т. к. увеличенная поверхность нагрева отопительных приборов позволяет перекрыть всю длину окна и тем самым снизить воздействие отрицательной радиации на людей.

Уменьшить температуру теплоносителя, циркулирующего в системах отопления существующих зданий, невозможно, т. к. из-за снижения температурного напора отопительных приборов это приведет к недогреву помещений. Но сейчас наблюдается резкое увеличение объемов капитального ремонта зданий, в Москве, например, доходящих до объемов нового строительства. А капитальный ремонт включает в себя и утепление зданий до нормируемых по СНиП 23-02–2003 значений. Если при этом не меняется система отопления, то поверхность нагрева отопительных приборов при старых расчетных параметрах теплоносителя становится завышенной, и чтобы привести ее в соответствие с уменьшенными теплопотерями помещений, следует снизить параметры теплоносителя. Изменение температуры теплоносителя в двухтрубной и однотрубной системе отопления равномерно сказывается на уменьшении теплоотдачи отопительных приборов, независимо от того, на каком этаже они расположены.

Если система отопления при капитальном ремонте заменяется или в новом строительстве, систему отопления следует считать сразу на сниженные параметры теплоносителя, например, на 75–55 °С, и оборудовать ее приборами автоматического регулирования, чтобы можно было в тепловых сетях с повышенными параметрами перейти на пониженные в системе отопления. Учитывая, что капитальный ремонт в жилом секторе ведется по кварталам, когда одновременно с капремонтом одних домов другие сносятся, и на их месте осуществляется новое строительство, облегчению автономного перехода на сниженные параметры теплоносителя в тепловых сетях послужили бы контрольно-распределительные пункты (КРП), позволяющие секционировать разводящие к потребителям тепловые сети, обеспечивая после себя требуемые пониженные параметры (подробнее о КРП и путях модернизации системы централизованного теплоснабжения см. в [6]).

Литература

1. Шарипов А. Я. Экономика, экология и энергосбережение для доступного жилья // Энергосбережение. – 2008. – № 1. – С. 10–11.

2. Штратманн К. Берлин ищет «третий путь» // РБК Daily. – 2008.

3. Жила В. А., Маркевич Ю. Г., Клочко А. К. Анализ систем теплоснабжения с различной степенью централизации // Энергосбережение. – 2008. – № 1. – C. 42–43.

4. Чистович С. А. Технологические схемы систем теплофикации, теплоснабжения и отопления // АВОК. – 2007. – № 7. – С. 10–18.

5. Грудзинский М. М., Ливчак В. И., Поз М. Я. и др. Оценка обеспеченности расчетных параметров при проектировании систем отопления жилых зданий в Москве // Водоснабжение и сантехника. – 1980. – № 1.

6. Ливчак В. И. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения на новом этапе развития // Энергосбережение. – 2000. – № 2. – С. 4–9.