Оптимизация проектирования и энергоэффективность трубопроводных сетей инженерных систем здания

А. Л. Наумов, генеральный директор ООО «НПО ТЕРМЭК»

О. С. Судьина, инженер ОАО «ЦНИИПромзданий»

В отличие от тепловых нагрузок в зданиях, снижение которых регламентируется нормативами и федерального, и муниципального уровней, в современной практике проектирования отсутствуют даже рекомендации по снижению энергопотребления в трубопроводных сетях.

Максимальные скорости движения рабочей среды в трубопроводных сетях ограничиваются только акустическими требованиями.

Стремясь минимизировать затраты на трубопроводы и сетевые элементы, а также сэкономить полезный объем здания, проектировщики, как правило, принимают рабочие скорости среды, близкие к максимально допустимым, производительность насосов и вентиляторов с хорошим запасом. А запас этот действительно необходим, так как прямые линии трассировок в проекте трансформируются в причудливые «загогулины», обходящие выступы, балки, колонны при реальном монтаже.

Нередко возникает необходимость из-за высоких скоростей воздуха в системах вентиляции устанавливать дополнительные шумоглушители, тем самым увеличивая еще больше аэродинамическое сопротивление сети. Да и монтажники зачастую не утруждают себя подбором фасонных элементов сети с пониженным сопротивлением, отдавая предпочтение более дешевым прямым врезкам, отводам, крестовинам и тройникам.

Приходилось сталкиваться и с такой позицией проектировщиков систем отопления: можно не утруждать себя тщательным гидравлическим расчетом сети, достаточно выбрать насос помощнее, поставить побольше балансировочных клапанов и все само собой отрегулируется.

В дискуссии о целесообразной степени централизации инженерных систем в крупных, в том числе высотных, зданиях основные аргументы – это экономия площади технических зон, стоимость оборудования, степень надежности, но отнюдь не энергетические потери в сетях, хотя весомость этого фактора едва ли не самая важная.

При всем многообразии схемных решений инженерных систем возможно ли выработать рекомендации по выбору оптимальных скоростей движения рабочей среды, показателей энергоэффективности трубопроводных сетей?

На наш взгляд, не только возможно, но и необходимо. При оценке эффективности той или иной системы это может быть расход электроэнергии на перемещение единицы объема среды (воздуха, воды, холодоносителя) в кВт•ч/м³. При оценке энергоэффективности здания – годовой расход электроэнергии в системах вентиляции, отопления, холодоснабжения, водоснабжения на 1 м² площади здания – кВт•ч/м²•год.

Эти показатели могут быть положены в основу маркировки энергоэффективности инженерных систем зданий, войти в состав энергетического паспорта здания, стать действенным регулятором энергосбережения.

В качестве иллюстрации предложенного подхода проанализируем энергетические и экономические показатели трубопроводной сети на примере насосной двухтрубной системы водяного отопления с нижней разводкой и попутным движением воды в магистралях из труб по ГОСТ 10704-76* при расчетной температуре воды t_r = 95 °C, t₀ = 70 °C. Отопительные приборы – стальные панельные радиаторы РСГ-2, размещенные у световых проемов.

Рассматривается система отопления с общей тепловой нагрузкой 270,6 кВт. Система включает сеть трубопроводов с отопительными приборами и арматурой, пластинчатый теплообменник и циркуляционный насос. Потери давления в теплообменнике составляют 24,52 кПа, расход теплоносителя 9,738 м³/ч.

Рассмотрим в пяти вариантах, как будут меняться энергетические и экономические показатели при изменении средней скорости теплоносителя. Для этого необходимо произвести гидравлический расчет системы в пяти вариантах с изменением типоразмеров трубопроводов. Результатом каждого из вариантов гидравлического расчета является средняя скорость движения теплоносителя в системе (табл. 1).

После того как выполнен гидравлический расчет по всем пяти вариантам, определяются необходимые напоры и подбираются соответствующие насосы. При этом с возрастанием скорости увеличивается установленная электрическая мощность насосов (рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость установленной мощности циркуляционного насоса от гидравлических потерь в системе отопления и средней скорости движения теплоносителя

Рисунок 2. Зависимость стоимости системы отопления от средней скорости движения теплоносителя

Стоимость самих насосов при этом увеличивается с увеличением средней скорости в системе.

При увеличении средней скорости движения теплоносителя в системе базовая стоимость системы отопления, которая включает в себя стоимость сети трубопроводов и стоимость насосов, уменьшается. Стоимость сети трубопроводов системы отопления в пятом варианте уменьшилась по сравнению с первым вариантом почти на 20 %.

При оценке первоначальных инвестиционных затрат помимо сметной стоимости системы отопления необходимо учитывать инвестиционную составляющую за присоединение электрической мощности.

По регионам стоимость присоединения электрической нагрузки отличается. Значения этого показателя в 2008 году в пределах Садового кольца Москвы превышало 100 тыс. руб. за 1 кВт присоединяемой мощности (Постановление РЭК г. Москвы от 27.12.2007 г. № 101).

Принимаем в нашем примере инвестиционную составляющую – плату за присоединение электрической мощности для Москвы на уровне 100 тыс. руб. за 1 кВт.

Изменение стоимости системы отопления в зависимости от скорости движения теплоносителя показано на рис. 2.

Изменение средней скорости теплоносителя приводит к изменению потерь давления в системе и, соответственно, к изменению характеристик насосов.

С увеличением средней скорости движения теплоносителя в системе отопления увеличивается расход электроэнергии на перекачку среды, то есть при перекачке одного и того же расхода среды эксплуатационные затраты существенно меняются.

В Европе при оценке эффективности энергопотребляющего оборудования используют показатель «цена жизненного цикла» – «Life cycle cost», представляющий собой сумму первоначальной стоимости оборудования и стоимости электроэнергии за период его эксплуатации. По аналогии с этим показателем введем понятие «инвестиционно-эксплуатационной стоимости» (ИЭС) системы отопления, приняв срок службы – 10 лет. Рассмотрим, как изменятся затраты на электроэнергию в условиях Москвы. Продолжительность отопительного периода составляет 5 100 часов в год.

Стоимость электроэнергии с каждым годом увеличивается. Следовательно, при уменьшении диаметров трубопроводов существенно возрастают эксплуатационные затраты на электроэнергию. В табл. 2 приведен прогноз стоимости электроэнергии с учетом индексации в 2009–2011 гг. на 25 % в год, далее с 2011 по 2018 гг. на 10 %.

Прогноз изменения стоимости электроэнергии в зависимости от средней скорости движения теплоносителя в системе отопления для Московского региона (продолжительность отопительного периода 5 100 часов) показан на рис. 3.

Рисунок 3. Зависимость стоимости электроэнергии от средней скорости движения теплоносителя за период эксплуатации системы отопления 10 лет

Стоимость электроэнергии в пятом варианте по сравнению с первым возрастает в 6,5 раз.

На рис. 4 показана зависимость стоимости электроэнергии от скорости движения теплоносителя при различной продолжительности отопительного периода.

Сложив базовую стоимость системы отопления с затратами на электроэнергию (для Московского региона) за период эксплуатации системы 10 лет, получаем минимальную величину ИЭС системы, без учета платы за присоединение, соответствующую скорости движения теплоносителя 0,5 м/с (рис. 5).

С учетом инвестиционной платы за подключение электрической мощности совокупная стоимость системы отопления (ИЭС) возрастает с увеличением средней скорости движения теплоносителя (рис. 6).

Рисунок 4. Зависимость стоимости электроэнергии от средней скорости движения теплоносителя за период эксплуатации системы 10 лет

Рисунок 5. Зависимость стоимости системы отопления с учетом затрат на электроэнергию от средней скорости движения теплоносителя за период эксплуатации системы 10 лет

Рисунок 6. Зависимость совокупной стоимости системы отопления от средней скорости движения теплоносителя за период эксплуатации системы 10 лет

Таким образом, учет инвестиционной составляющей за присоединение электроэнергии показывает, что экономически оптимальная скорость движения теплоносителя соответствует минимально допустимым скоростям.

Нередко инвесторы заинтересованы минимизировать первоначальные капитальные затраты на строительство без учета эксплуатационных. И в этом случае минимум первоначальных затрат в пределах Садового кольца Москвы приходится на минимально допустимые скорости движения теплоносителя, а при плате за присоединение электрической нагрузки на уровне 50 000 руб./кВт оптимум первоначальных затрат достигается при средней скорости 0,4–0,6 м/с.

Кроме того, следует отметить, что в процессе эксплуатации стальных трубопроводов со временем их живое сечение «зарастает», приводя к увеличению линейных гидравлических потерь на 30–50 %.

Применение вместо стальных трубопроводов полимерных принципиально не меняет технико-экономическую оценку. Стоимость системы отопления с использованием полимерных трубопроводов вместо стальных возрастает с учетом насосов и фитинга на 5–12 % в зависимости от средней скорости теплоносителя.

Линейные гидравлические потери, а следовательно, и расход электроэнергии на перемещение рабочей среды в полимерных трубопроводах значительно ниже, чем в стальных.

При проектировании трубопроводных систем следует обратить внимание на ряд обстоятельств:

- Удельные линейные потери в сети при одной и той же скорости движения среды возрастают с уменьшением диаметра трубопровода. Так, при скорости в 1 м/с линейные потери для полимерного трубопровода диаметром 40 х 3,7 составляют 372 Па, а с уменьшением диаметра до 20 х 2 возрастают почти в 2,5 раза до 907 Па. В этой связи в сложных трубопроводных сетях следует принимать на участках с малыми диаметрами скорости движения среды ниже средней, а с большими диаметрами выше средней.

- Следует избегать избыточной регулирующей арматуры на трубопроводных сетях. Нередко в процессе проектирования закладывается «запас» производительности насосов и целые группы балансировочных клапанов для дросселирования этого «запаса» в процессе наладки, что приводит к перерасходу энергии на работу систем.

- На крупных объектах следует применять зонирование трубопроводных сетей, в том числе и по критерию «энергоемкость». Слишком протяженные сети требуют значительно большего напора нагнетателей и большего расхода электроэнергии по сравнению с зональными системами.

Так же, как и в системах отопления, значительный потенциал энергосбережения может быть реализован в водопроводных сетях, системах холодоснабжения, теплоснабжения калориферов, вентиляции и кондиционирования воздуха. Уменьшение рабочих скоростей в трубопроводных сетях улучшает и акустический режим работы инженерных систем.

Учитывая, что до 80 % электроэнергии в системах жизнеобеспечения зданий приходится на привод насосов и вентиляторов, оптимизация гидравлических и аэродинамических режимов работы инженерных систем позволит радикально снизить энергоемкость зданий при сравнительно небольших затратах.