Обоснование выбора типа котельного агрегата для децентрализованного теплоснабжения общественных зданий

Введение. Снижение потребления тепловой энергии является ключевым моментом при рассмотрении материально-финансовых вопросов не только в системах энергообеспечения предприятий АПК, но и в системах теплоснабжения административно-бытовых и социальных объектов. В отопительный период расходы на оплату за потребленную тепловую энергию составляют более 70% стоимости всех коммунальных услуг.

В настоящее время большое внимание уделяется улучшению свойств теплоизоляционных материалов, способов прокладки теплопроводов, повышению теплозащиты зданий, использованию тепловых пунктов. Особое внимание следует уделить таким энергосберегающим мероприятиям, как внедрение систем децентрализованного теплоснабжения и применение котельного оборудования с высоким коэффициентом полезного действия. К источникам теплоснабжения с улучшенными теплотехническими показателями относятся конденсационные котлы.

Особенностью конденсатных котлов является наличие в них дополнительного теплообменника. Выходящие из основной части котла отработавшие дымовые газы охлаждаются в этом теплообменнике и конденсируются, а выделяющая при этом теплота расходуется на предварительный нагрев воды, поступающей из тепловой сети. Таким образом, коэффициент полезного действия котла увеличивается в среднем на 11% [1].

Использование конденсатных котлов для теплоснабжения жилого фонда, социальных объектов и административных зданий вызывает много споров и дискуссий [2, 3]. Все эксперты подчеркивают достоинства конденсационной техники: высокий КПД, длительный срок эксплуатации, экологичность по сравнению с традиционным высокотемпературным котлом [4]. В то же время специалисты по отопительной технике обосновывают и причины того, что конденсатные котлы не находят широкого применения для нужд теплоснабжения в российских условиях. Распространение конден- сатных котлов сдерживается из-за их высокой стоимости и низкотемпературного графика работы. Для эффективного применения конденсационной техники необходимо, чтобы температура воды в обратной магистрали составляла не более 55 °C [3], в то время как при традиционном режиме отопления теплоноситель возвращается в котельную с температурой 70 °C. При этом для северных районов страны низкотемпературный режим не сможет обеспечить требуемую тепловую нагрузку.

Однако, несмотря на указанные недостатки, специалисты в области отопительной техники единогласно утверждают, что использование конденсационных котлов является перспективным направлением в системах теплоснабжения. Так, к примеру, в странах Европейского сообщества, в системах отопления необходимо использовать только конденсационные котлы согласно директиве ЕС 2009/125/СЕ [5].

Проведенные применительно к объектам ЖКХ исследования подтвердили [6, 7] эффективность использования конденсационной техники с энергетической точки зрения, но в то же время отрицательные экономические показатели, по сравнению с применением в системах энергообеспечения традиционных источников теплоты. В указанных работах расчеты по определению расхода топлива выполнялись для одной конкретной величины тепловой нагрузки без учета ее изменения от параметров наружного воздуха и количества потребителей.

В представленной статье основной задачей исследований являлось определение зависимостей экономии энергетических ресурсов и чистого дисконтированного дохода от климатических условий и величины тепловой нагрузки на горячее водоснабжение при использовании для этого высокотемпературных и конденсатных котлов.

Методика исследований. Определение эффективности использования различного типа котельных установок в системе децентрализованного теплоснабжения проводилось применительно к школьному комплексу для расчетных параметров наружного воздуха, представленных в таблице 1.

Таблица 1 - Данные по расчетным параметрам наружного воздуха [8]

Месторасположение объекта теплоснабжения	Расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления в холодный период года, °C	Расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем вентиляции в холодный период года, °C
Район Кавказских минеральных вод, г. Пятигорск	-18	-8
Ростовская область	-22	-8
Московская область	-26	-15

Расчет тепловых нагрузок на отопление и вентиляцию был проведен по традиционной методике [8], тепловая мощность горячего водоснабжения рассчи- тана в соответствии с нормативными документами [911]. Результаты расчета тепловых нагрузок представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчета тепловых нагрузок

Месторасположение объекта теплоснабжения	Суммарная тепловая нагрузка на отопление и вентиляцию Фот, Вт	Нагрузка на горячее водоснабжение
		В холодный период года	В теплый период года
Район Кавказских минеральных вод, г. Пятигорск	605,81	888	146
Ростовская область	640,91
Московская область	676,01

Значения тепловых нагрузок были выбраны для реализации двухфакторного машинного эксперимента при варьировании факторов на трех уровнях значимости [12]. Интервалы варьирования определялись значениями тепловых нагрузок, представленными в таблице 2. Нижний уровень варьирования первого фактора - суммарной тепловой нагрузки на отопление и вентиляцию - соответствовал условиям района Кавказских минеральных вод города Пятигорска, средний -Ростовской области, верхний - Московской области.

Второй фактор - это тепловая нагрузка на горячее водоснабжение. Верхний уровень данного фактора соответствовал значению тепловой мощности в холодный период года, нижний - в теплый период года. Нулевой уровень определился как среднеарифметиче ское значение максимальной и минимальной тепловой мощности системы ГВС.

Для всех строк стандартной матрицы трехфакторного эксперимента был определен расход топлива для обоих типов котлов при помощи усовершенствованного авторами данной статьи графоаналитического метода [13] и определена экономия газа при использовании конденсационной техники.

По методике [14] был выполнен расчет чистого дисконтированного дохода при использовании конденсатных и высокотемпературных котлов. Рассчитанные тепловые нагрузки позволили определить источники теплоснабжения, перечень которых представлен в таблице 3. При определении экономической эффективности в базовом варианте рассматривалась система централизованного теплоснабжения.

Таблица 3 - Перечень теплоэнергетического оборудования для определения экономической эффективности

Регион	Нагрузка на ГВС	Вариант с использованием высокотемпературных котлов		Вариант с использованием конденсационных котлов
		Тип котла	Кол-во	I ил котла	Кол-во
Район Кавказских минеральных вод, г. Пятигорск (-)	Минимальная (-)	RS-A150	1	GB312-160	1
		RS-A300	2	GB402-320-5	2
	Средняя (0)	RS-A300	4	GB402-320-5	4
	Максимальная (+)	RS-A300	5	GB402-320-5	5
Ростовская область (0)	Минимальная (-)	RS-A150	1	GB312-160	1
		RS-A300	2	GB402-320-5	2
	Средняя (0)	RS-A300	4	GB402-320-5	4
	Максимальная (+)	RS-A300	5	GB402-320-5	5
Московская область (+)	Минимальная (-)	RS-A150	1	GB312-160	1
		RS-A300	2	GB402-320-5	2
	Средняя (0)	RS-A300	4	GB402-320-5	4
	Максимальная (+)	RS-A300	5	GB402-320-5	5

Результаты выполненных расчетов количества используемого топлива и чистого дисконтированного дохода представлены в таблице 4.

АВ.м3

Таблица 4 - Результаты реализации двухфакторного машинного эксперимента при использовании высокотемпературных и конденсатных котлов в системе децентрализованного теплоснабжения

№ строки матрицы	Фсум	Фгвс	Экономия расхода газа при использовании конденсатного котла ДВ, м3	Чистый дисконтированный доход, тыс. руб.
				Конденсатный котел	Высокотемпературный котел
1	605,81 (-)	146(-)	19271	6 394	11 457
2	605,81 (-)	517(0)	50267	21 964	27 818
3	605,81 (-)	888(+)	16086	59 128	56 482
4	640,91(0)	146(-)	20364	7 399	12 329
5	640,91(0)	517(0)	49151	22 866	27 628
6	640,91(0)	888(+)	76844	58131	57 748
7	676,01 (+)	146(-)	19289	19 839	23 038
8	676,01(+)	517(0)	49031	45 302	30 371
9	676,01 (+)	888(+)	77574	69 340	69 751

1ООООО более 1ООООО

Рисунок 1 - Поверхность отклика зависимости экономии топлива (ДВ) от тепловых нагрузок на отопление (Фсун) и горячее водоснабжение (Фгвс)

Обсуждение результатов. Полученные числовые массивы были обработаны с помощью программы «Statistica. Experimental Design». В результате обработки получили искомую зависимость, графическая интерпретация которой представлена на рисунке 1.

А5 = -128,87Ф

’ сум

Адекватность полученной модели была проверена при помощи критерия Фишера, который подтвердил наличие тесной связи между параметрами полученной зависимости. Таким образом, снижение расхода газа при использовании конденсатного котла растет пропорционально увеличению квадратов тепловых нагрузок.

Поверхность отклика экономии газа представляет собой «возвышающийся гребень», соответствующий следующей целевой функции:

+ 0,235+, + 0,014Ф;и.

Однако, как было упомянуто ранее, экономия энергетических ресурсов не всегда обеспечивает эффективность использования конденсатных котлов. Для окончательной оценки был проведен анализ приведенных на рисунках 2 и 3 графических зависимостей, полученных также в результате обработки данных таблицы 4.

ЧДД тысруб

-2000 5975

14050 22120

30200 38300

46300 54400

62500 70560

сбыте70560

Рисунок 2 - Поверхность отклика зависимости чистого дисконтированного дохода (ЧДД) от тепловых нагрузок на отопление (Фсум) и горячее водоснабжение (Фгвс) при использовании конденсатного котла

ЧДД тысруб

58400 64100

69900 более 69900

Рисунок 3 - Поверхность отклика зависимости чистого дисконтированного дохода (ЧДД) от тепловых нагрузок на отопление (Фсун) и горячее водоснабжение (Фгвс) при использовании высокотемпературного котла

Зависимость изменения чистого дисконтированного дохода при использовании конденсатного котла описывается полиномом первой степени:

ЧДЦ =-144060000 + 2231490 +68718Ф™.

г V > к                                    сум              1 ВС

Графическая интерпретация данной модели представляет собой стационарное возвышение. Таким образом, увеличение ЧДД при использовании конден сатной техники находится в линейной зависимости от значений тепловых нагрузок.

Что же касается изменения динамического показателя при использовании высокотемпературного котла, то поверхность отклика (рисунок 3) представляет собой возвышающийся гребень и описывается полиномом второй степени:

=34,3930^+59,2670^.

Как видно из представленных графических зависимостей и данных таблицы 4, использование конденсатных котлов эффективно при нагрузке на горячее водоснабжение, превышающей нагрузку на отопление. Если постоянная нагрузка на ГВС значительно ниже максимальной нагрузки на отопление, то наиболее целесообразно использовать в качестве источников теплоснабжения высокотемпературные котлы.

Выводы. Использование системы децентрализованного теплоснабжения для энергообеспечения школьного комплекса дает значительный экономический эффект, что особенно важно для бюджетных предприятий.

В качестве источников теплоснабжения в системах рекомендуется использовать высокотемпературные котлы для объектов с незначительной величиной тепловой нагрузки на ГВС. Для таких объектов, как больницы, детские сады, производственные предприятия с большим расходом энергоносителя на технологические нужды, для покрытия тепловых нагрузок необходимо устанавливать в котельных конденсационную технику.