Инновационная концепция тепло- и холодоснабжения при централизованном теплоснабжении

С. А. Козлов, директор ООО «ХайТермо»

А. Н. Колубков, директор ООО ППФ «АК», вице-президент НП «АВОК»

С. Б. Фотькин, главный специалист ООО «ХайТермо», otvet@abok.ru

Тепло- и холодоснабжение зданий.
Существующая ситуация

Если бы не новый старый СНиП «Тепловая защита зданий», гидравлический разделитель (стрелка), частотный электропривод (ЧРП), повсеместное распространение индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) и выход на наш рынок абсорбционных холодильных машин (АБХМ), возможно, эта статья и не появилась бы.

Не будем повторяться, что в крупных (да и не очень) городах для отопления и вентиляции зданий и сооружений (мы специально не останавливаемся на назначении этих зданий и сооружений) в нашей стране в основном принята централизованная система теплоснабжения. Ну, так сложилось, и ничего в этом плохого нет. Данную систему уже лет 60–70 рассматривают, считают, пересчитывают, доказывают ее экономическую целесообразность и нецелесообразность.

Специалистам, серьезно занимающимся вопросами теплоснабжения, хорошо известны все плюсы и минусы как централизованного и децентрализованного теплоснабжения, так и количественного, качественного и комбинированного регулирования отпуска тепла. Централизованное теплоснабжение подразумевает и наличие теплотрасс к каждому сооружению.

В настоящее время возросли запросы населения к уровню комфортности проживания в новых, не очень новых и совсем старых квартирах не только в зимний, но и в летний периоды года. А в связи с этим число кондиционеров, устанавливаемых на фасады или на крыши домов, увеличивается прямо пропорционально росту уровня дохода и наблюдаемому за окном повышению температуры наружного воздуха. И с этим, как говорил герой одного из фильмов, «надо что-то делать».

В данной статье мы хотим предложить один из возможных вариантов концепции тепло- и холодоснабжения для вновь застраиваемых районов или повышения эффективности использования существующих систем не только для передачи тепловой энергии, но и для холодоснабжения.

В статье рассматриваются любые источники централизованного теплоснабжения, которые позволяют обеспечить теплом вышеприведенные застройки (ПГУ ТЭЦ, ГТУ ТЭЦ, ТЭЦ, квартальные котельные, в том числе и автономные котельные).

В связи с введением новых требований к строительным конструкциям по энергосбережению, что нашло отражение в СНиП «Тепловая защита зданий», тепловая нагрузка для новых застроек значительно упала, что позволит снизить все составляющие капитальных и эксплуатационных затрат на производство тепловой энергии. Применение гидравлических распределителей (стрелок) дало возможность осуществлять качественно-количественное регулирование отпуска тепла. Заметим, что использование только частотно-регулируемого привода (ЧРП), без гидравлического разделителя, не позволяет в полной мере реализовать алгоритм количественного регулирования из-за ограничений, налагаемых заводами-изготовителями на диапазон изменения расхода теплоносителя через теплогенератор. Конечно, можно применить большое количество теплогенераторов и посредством их последовательного отключения выйти на количественное регулирование, но это самый худший и экономически невыгодный вариант.

В связи с повсеместным распространением автоматизированных ИТП появилась возможность автоматического регулирования отпуска тепла независимо от температурных графиков его подачи для каждого здания и сооружения без постоянного присутствия людей.

Появление на рынке АБХМ, работающих на горячей воде с температурой от +95 до +150 °C, позволяет устанавливать их непосредственно у потребителя, используя в качестве теплоносителя подающую сетевую воду после окончания отопительного периода.

Нагрузки на горячее водоснабжение зданий примерно соизмеримы с нагрузками для обеспечения их системой кондиционирования и удаления теплоизбытков при организации систем вентиляции.

Сравнительный анализ

Учитывая сказанное, рассмотрим для примера вариант теплохладоснабжения для новых застроек в Москве. В качестве объекта теплохладоснабжения можно выбрать, например, новый перспективный небольшой городок за МКАД – Рублево-Архангельское площадью 2,5 млн м² – или территорию застройки ЗИЛа такой же площадью, с применением качественно-количественного отпуска тепла, где ориентировочное тепловое потребление для отопления и вентиляции сооружений составит порядка 125 МВт, а с учетом рекуперации (возьмем минимум 20?%) – 100 МВт. Аналогичный вариант теплохладоснабжения также возможен в новом микрорайоне в пос. Коммунарка (Новая Москва).

С точки зрения оптимизации использования данной тепловой мощности для планируемой застройки необходимо учитывать радиус энергоэффективности источника тепла [1, 2, 3]. И здесь возможны различные варианты топологии схемы теплоснабжения [4, 5]. Для определенности дальнейшего изложения и расчетов выберем вариант схемы с несколькими автономными источниками, суммарной мощностью 100 МВт.

Для выбранной застройки примем ориентировочную мощность одного из теплоисточников в 50 МВт. При этом пропускная способность тепловых сетей может обеспечить снабжение застройки холодом в размере 12 МВт (при прокачке сетевой воды, соответствующей максимально-зимней тепловой нагрузке, температурном графике +115…+70 °C и перепаде температур на АБХМ 15 °C), и все это без ущерба для горячего водоснабжения.

Источник тепла в отопительный период может работать с использованием как качественно-количественного, так и количественного регулирования, по любому температурному графику. По окончании отопительного периода теплоисточник продолжает работать для обеспечения горячего водоснабжения с понижением температуры от источника до +70 °C (при качественном регулировании); такая температура сетевой воды возможна до времени включения систем охлаждения. АБХМ, работающим на горячей воде, необходима температура не менее +95 °C c перепадом температур 10–20 °C. В нашем примере предлагается переход на количественное регулирование с постоянным поддержанием температуры подающей сетевой воды от источника тепла +115 °C.

Это станет возможным при применении комбинации гидравлического распределителя (стрелки) и частотного электропривода. При этом снизится и физическая нагрузка на тепловые сети за счет снижения расходных характеристик на трубопроводы – а это, соответственно, долговечность и надежность сетей.

АБХМ, в отличие от парокомпрессионных установок, могут производить холод без использования электроэнергии, необходимой для работы компрессоров. При выработке холода с использованием традиционных холодильных машин потребуется подвод значительных величин электрической мощности на застройку, а ее где-то надо взять, да еще и заплатить весьма немалые денежки за присоединение. А тут в любом ИТП можно установить АБХМ, совместить ее с системами вентиляции и обеспечить комфортные условия в жаркое время года.

Пропускная способность сетей позволит без проблем пропускать теплоноситель и зимой, и летом, тем более что теплосеть рассчитывается по максимально-зимней пропускной способности.

В данной статье мы не считаем стоимость производства тепла, а вот стоимость производства холода можно посмотреть.

В нашем примере расход сетевой воды в систему теплосети от теплоисточника в максимально-зимнем режиме составит 957 м³/ч при принятом нами температурном графике.

Холодильный коэффициент АБХМ на горячей воде составляет 0,84.

При этом, чтобы обеспечить 12 МВт холода, нам необходимо выработать 14,37 МВт тепла.

Для производства данного тепла необходимо сжечь около 1 700 м³ газа в час.

Чтобы перекачать теплофикационную воду до потребителя, нам потребуется (при расходе 957 м3/ч и перепаде 40 м вод. ст.) 175 кВт электрической энергии. Возьмем в расчете на всякие подпитки, перекачки, рециркуляции и дополнительные электромощности на самих АБХМ еще 90 кВт. Итак, для того, чтобы наша сетевая вода дошла до потребителя, необходимо около 265 кВт электроэнергии.

Другие сырьевые ресурсы нет смысла считать, т. к. они все относятся непосредственно к источнику.

Итак, начнем.

Стоимость 1 000 м³ газа по Москве – 4 500 (4 448) руб.

Стоимость 1 кВт электроэнергии по Москве – 4,50 руб./ч.

Стоимость газа на подогрев воды для холодоснабжения 1,7 • 4 500 = 7 650 руб./ч.

Стоимость электроэнергии для перекачки теплофикационной воды на холодоснабжение: 265 • 4,50 = 1 193 руб./ч (сюда еще вошла составляющая горячего водоснабжения, но мы ее не учитываем).

Таким образом, общие затраты составят 8 843 руб./ч.

А теперь посмотрим, сколько надо электроэнергии, чтобы обеспечить те же 12 МВт холода, но только парокомпрессионными машинами (чиллерами).

Для обеспечения 12 МВт холода нам необходимо иметь ориентировочно электрическую мощность 2 400 кВт.

Стоимость электроэнергии для производства холода парокомпрессионными машинами составит 2 400 • 4,5 = 10 800 руб./ч.

Весь расчет ведется только на сами машины, без учета градирен, насосных станций для перекачки холодоносителя, а также разных обременений, необходимых для создания комфортной летней жизни.

Так вот, по ресурсам получается, что выработка холода от работы АБХМ на теплоносителе от системы теплоснабжения дешевле, чем от электросетей.

А ведь мы еще не использовали остаточное тепло после АБХМ на горячее водоснабжение! Тут, правда, появляются другие схемы подключения в ИТП и другая экономика, но при этом увеличится только расход газа на выработку дополнительного тепла на горячее водоснабжение, и все.

Если требуется большая холодильная нагрузка от источника, тогда при проектировании необходимо просто пересчитать диаметры тепловых сетей и мощности сетевых насосов.

В этой статье мы многое не рассматриваем: и тарифы на тепло и электроэнергию, и условия обременения на разные подключения, и капитальные затраты на строительство и т. д.

Есть одна небольшая проблема: летнее отключение тепловых сетей. Так вот, при новых застройках, мы думаем, лет 8–10 отключений не должно быть, так как все новое. А потом можно и подождать 3–5 дней.

Разумеется, экономический эффект от использования предлагаемой схемы во многом зависит от эксплуатирующей организации. Опыт работы с организациями, эксплуатирующими ЦТП, ИТП и автономные котельные в Московской области, Туле и Салехарде, показывает, что от того, насколько грамотно руководство организации и ее основные специалисты используют предоставляемые схемные возможности, зависит и уровень доходности эксплуатирующей организации, и, самое главное, стоимость теплохладоснабжения для конечного пользователя – то есть для нас с вами.

Если к нам обратятся уважаемые инвесторы-застройщики, действительно заинтересованные в выполнении постановлений правительства РФ об экономии энергоресурсов и снижении стоимости жилья (за счет получения прибыли от эксплуатации предложенной выше системы), мы готовы проработать и представить, на основании ТЗ, концепцию теплохладоснабжения, а также разработать проектную документацию на систему в целом с технико-экономическим обоснованием предложенной выше схемы. В этой статье речь шла о новых застройках, однако сформулированные предложения применимы и к уже существующим системам централизованного теплоснабжения – но это уже отдельная тема, со своими схемными решениями и несколько иной экономикой.

Если в системе централизованного теплоснабжения, питающейся от ТЭЦ, понижать температуру обратной сетевой воды за счет применения тепловых насосов или водоохлаждающих чиллеров, то и в этом случае мы получим экономию ресурсов при работе системы кондиционирования и при работе самой ТЭЦ.

При разработке схемы теплоснабжения микрорайона Куркино в 1998–1999 годах были рассмотрены несколько вариантов теплоэлектроснабжения, включая вариант с применением централизованной схемы теплохладоснабжения от мини-ТЭЦ. Но в тот период ОАО «Мосэнерго» выделило необходимую электрическую мощность для микрорайона, и вариант с централизованным теплохладоснабжением отпал сам собой [4, 5].

Аналогичные решения за рубежом показывают, что применение данных схем позволяет резко снизить потребление электроэнергии, уменьшить капитальные затраты на подключение к электросетям, снизить опасность утечки хладагентов из парокомпрессионных машин.

Литература

1. Федеральный закон Российской Федерации от 27 июля 2010 года № 190-ФЗ «О теплоснабжении».
2. Папушкин В. Н. Радиус теплоснабжения. Хорошо забытое старое // Новости теплоснабжения. – 2010.?– № № 9–10.
3. Кожарин Ю. В., Волков Д. В. К вопросу об определении эффективного радиуса теплоснабжения // Новости теплоснабжения. – 2012. – № 8.
4. Шарипов А. Я., Силин В. М. Энергосберегающие и энергоэффективные технологии – основа энергетической безопасности // АВОК. – 2006. – № 4.
5. Бернев В. В., Козлов С. А., Митрофанов В. Е., Платонов А. С., Фотькин С. Б. Особенности национального теплоснабжения // С.О.К. – 2005. – № № 5–7.