Регулирование теплопотребления в малоэтажных зданиях существующей застройки

Р. Н. Разоренов, генеральный директор ООО «НТ» (Москва)

Проблема перетопов знакома большинству потребителей и многим теплоснабжающим организациям (ТСО), у которых в подключенной нагрузке велика доля малоэтажной (1–4 этажа) или частной застройки. В осенне-весенние периоды из-за излома температурного графика (для обеспечения температуры ГВС) перетопы у потребителей, подключенных по зависимой схеме (а таких в старой застройке большинство), могут достигать 50 %. Особенно при припекающем весной солнце эти перетопы вызывают у потребителей дискомфорт и раздражение. Не меньшее раздражение перетопы вызывают и у ТСО, поскольку оплата от таких потребителей поступает по нормативу (до самого недавнего времени у потребителей с нагрузкой 0,2 Гкал/ч и менее не было обязанности ставить приборы учета); соответственно, избыточный расход тепловой энергии – прямые убытки ТСО.

И вроде бы все заинтересованы избавиться от перетопа, но при таком весьма небольшом потреблении любые известные проекты по автоматизации регулирования на узлах ввода в домах (ИТП, насосы смешения и проч.) будут иметь сроки окупаемости настолько продолжительные, что найти инвестора в подобный проект не представляется возможным.

Решению этой проблемы и посвящена эта статья. Специально для зданий с нагрузкой менее 0,2 Гкал/ч разработан недорогой (быстроокупаемый) и надежный узел регулирования потребления тепловой энергии системой отопления зданий.

О регулировании и Регуляторе

Узел регулирования (далее – Регулятор) предназначен для погодозависимого управления процессом потребления тепловой энергии в зданиях с зависимым подключением и с нагрузкой не более 0,2 Гкал/ч. Узел (рис. 1–2) состоит из контроллера, шарового крана с электроприводом (можно использовать и соленоидный клапан) и двух датчиков температуры: наружного воздуха и теплоносителя. Отсюда простота монтажа и эксплуатации и низкая цена комплектующих.

Рисунок 1. Схема установки узла регулирования теплопотребления «пропусками»

Процесс регулирования потребления тепловой энергии здания происходит позиционно, или «пропусками» (т. е. обеспечивая прерывистое отопление) – метод давно известный и описанный во всех учебниках, но несколько забытый.

Рисунок 2. Исполнительный механизм регулятора теплопотребления (а) и смонтированный в шкафу контроллер Регулятора (б)

При непродолжительных (до 30 мин) перерывах циркуляции теплоносителя в системе отопления температура в помещении практически не будет отличаться от начального значения. Даже при сильных морозах (–20 °C) шестиминутный перерыв в циркуляции теплоносителя приведет к понижению температуры в помещении в панельном здании всего на 0,1 °C, поскольку инерционность водяной системы отопления и самого здания весьма велика. Поэтому позиционное регулирование будет столь же эффективно, как и регулирование пропорциональное, которое обеспечивает, например, ИТП. Но нужно отметить, что технические средства, реализующие позиционное регулирование «пропусками», не требуют применения сложной и дорогой техники. Не нужны циркуляционные насосы, требующие постоянного электропитания, существующие элеваторы могут остаться на своих местах, а стоимость исполнительных механизмов позиционного типа существенно ниже стоимости клапанов пропорционального регулирования.

Еще с 1970-х известны технические решения, реализующие регулирование «пропусками», но все они (включая и их более поздние аналоги) не нашли широкого применения, поскольку осуществляют регулирование по параметру «температура теплоносителя из системы отопления», что приводило к ряду проблем.

Например, при закрытом клапане, т. е. при отсутствии циркуляции в системе отопления здания определить истинную температуру возвращаемого теплоносителя не представляется возможным, можно только ориентироваться на скорость остывания теплоносителя в контрольной точке (некоторый отрезок трубы в подвале). Из-за этого периоды регулирования в таких системах получались очень короткими (3–5 мин), что приводило к разрегулировке системы отопления по стоякам (теплоноситель не успевал обежать дальние стояки, а температура обратного теплоносителя фиксировалась «в норме», поскольку остывший теплоноситель из дальнего стояка смешивался с перегретым из ближнего).

Новый Регулятор

При разработке нового Регулятора все эти проблемы были уже известны, и поэтому был реализован принципиально новый алгоритм регулирования, который обеспечивает многократную циркуляцию теплоносителя через стояки в каждом периоде регулирования и обеспечивает потребление зданием необходимого количества тепловой энергии, а не поддержание температуры обратного теплоносителя – как это было в ранее известных решениях.

Все изящество предлагаемого решения скрыто в разработанном алгоритме регулирования. Регулятор, как показала практика, очень точно вычисляет и поддерживает необходимое теплопотребление здания в зависимости от температуры наружного воздуха и заданной потребителем желаемой температуры в помещении. Таким образом, регулируется не температура «обратки», а именно потребляемая мощность.

Регулятор для офисного здания

График фактической нагрузки офисного здания с установленным регулятором приведен на рис. 3а. Фактическая нагрузка получена расчетным методом (Qфакт.расч.), исходя из фактически потребленной зданием тепловой энергии и температуры наружного воздуха, при заданной температуре комфорта в помещении 18 °C. График показывает, что регулятор четко «держал» объем потребляемой зданием тепловой энергии в соответствии с фактической нагрузкой. Как только Регулятор отключили, расчетная нагрузка здания стала «гулять», причем в бoльшую сторону – якобы нагрузка здания увеличилась, хотя на самом деле произошел перетоп и в здании просто открыли форточки.

Рисунок 3. График фактической нагрузки офисного здания с установленным Регулятором (а), графики фактического и расчетного потребления тепловой энергии зданием (б)

На рис. 3б приведены данные фактического потребления тепловой энергии зданием по показаниям теплосчетчика, установленного для контроля за работой Регулятора. Там же приведено для сравнения расчетное потребление, которое считалось следующим образом: в качестве расчетной нагрузки взяли среднюю нагрузку за период работы Регулятора и рассчитали тот объем тепловой энергии, который здание должно потребить при фактической температуре наружного воздуха. Соответственно, и здесь видно, что в период, когда Регулятор не работал, начались перетопы.

Регулятор для жилого дома

Данные о работе Регулятора в 5-этажном одноподъездном жилом доме приведены на рис. 4, показаны характерный для перетопов апрель (рис. 4а) и весь отопительный период (рис. 4б).

Рисунок 4. Итоги работы Регулятора в жилом здании за апрель (а) и за отопительный период (б)

В заключение о Регуляторе можно добавить, что для настройки и управления контроллером не требуется специальных программ. Его обслуживание осуществляется через встроенный в него веб-сервер с помощью любых мобильных устройств (ноутбук, планшет, смартфон).

Более того, встроенный модем может осуществлять рассылку СМС-сообщений при возникновении аварийных и нештатных ситуаций. При подключении контроллера к Интернету (с помощью SIM-карты или по кабелю) возможна организация удаленного доступа к контроллеру и диспетчеризация с передачей данных на сайт, сертифицированный как СИ (пример отображения данных на сайте показан на рис. 5а и 5б).

Рисунок 5. График температур в офисном здании после установки Регулятора (по данным теплосчетчика) (а) и график потребления тепловой энергии зданием после установки регулятора отопления (данные теплосчетчика) (б)

Экономика

На практике Регулятор в офисном здании осуществил за март–апрель прошедшего отопительного сезона фактическую экономию тепловой энергии 28 %. Аналогичные показатели зафиксированы при работе Регулятора и в жилом здании в Москве (32 %).

При достаточно невысокой стоимости комплектующих и типовом проектировании затраты со стороны потребителя окупаются за 1–2 отопительных сезона.

Что интересно, и ТСО может окупить свои затраты на установку таких узлов у потребителей. При нагрузке 0,2 Гкал/ч экономия ориентировочно составит 40 Гкал (за 2 месяца). Если оплата производится по нормативу, то установка узла регулирования позволяет поставить меньше тепловой энергии на указанную величину и снизить затраты на закупку топлива. Даже при самом дешевом виде топлива – природном газе – экономия за указанный период составит около 4 тыс. м³ в нормальных условиях, или порядка 17 тыс. руб. Для климата средней полосы (где перетопы характерны для октября–ноября и марта–апреля) окупаемость составляет около трех отопительных сезонов, при более теплом климате (или мягкой зиме) еще быстрее, а при дизельном топливе окупаемость гарантирована за один отопительный сезон.

В нежилых зданиях (например, бюджетной сферы) окупаемость может наступать быстрее, поскольку Регулятор позволяет в своих настройках снижать потребление тепловой энергии зданием по расписанию: в ночные часы, выходные и праздничные дни.

Кроме того, необходимо отметить, что, помимо экономического эффекта, Регулятор в указанном выше случае (за счет устранения перетопов) поддерживал комфортную температуру в офисных помещениях, обеспечивая выполнение требований СанПиН к рабочим местам, и, соответственно, увеличил продуктивность работы сотрудников. А при установке Регулятора в жилом доме жители высказали удовлетворение нормализацией комфортной температуры в квартирах, особенно в солнечные дни.

Для компаний в области энергосервиса Регулятор – готовое решение (например, на зданиях бюджетной сферы, которые уже оприборены узлами учета) с алгоритмом расчета экономии в реальном времени в информационной системе.

Надежность

В заключение отметим, что Регулятор, кроме прочего, весьма надежное решение с точки зрения обеспечения потребителей тепловой энергией. Узел регулирования монтируется в виде байпаса на существующую в доме схему, при этом элеваторы (если они есть) остаются на своих местах. При отключении электроэнергии Регулятор занимает положение «открыто» (используется нормально открытый клапан) и система отопления функционирует так же, как до установки Регулятора (без регулирования). Когда электроснабжение восстановится, регулирование начнется снова, но само отопление не прервется, как это может случиться, например, с популярной насосной схемой регулирования, где циркуляционные насосы требуют постоянного электропитания.