Подготовительная стадия работ по реконструкции тепловых сетей СПБПУ

В наше время энергоэффективность стала основной темой во всех сферах жизни, в том числе и в строительстве. Люди все чаще задумываются о рациональном использовании энергетических ресурсов. Правительство России и других стран стало более тщательно контролировать оборот энергоресурсов, а так же проводить мероприятия по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. [1] Появившиеся в последнее время нормативы, устанавливающие классы энергоэффективности зданий в зависимости от уровня их теплопотребления, ставят аналогичную задачу и перед отдельными элементами инженерных систем здания. Суть этой задачи состоит в выборе наиболее энергоэффективного оборудования или технического решения по каждому из элементов систем с целью оптимизации потребления энергетических ресурсов [2].

В апреле 2013 года в рамках выставки «ИнтерСтройЭкспо» прошла конференция «Эффективные системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и теплоснабжения», где одним из ведущих заседания выступил М. Г. Тарабанов, вице-президент НП «АВОК», генеральный директор НИЦ «ИНВЕНТ». По его словам: «в России 20 % всей вырабатываемой электроэнергии затрачивается на системы вентиляции, кондиционирования воздуха и холодоснабжения; 45% всей вырабатываемой тепловой энергии идет в системы отопления и теплоснабжения. Это объясняет большое внимание, которое необходимо уделять инженерным системам в вопросе энергосбережения» [3].

Таким образом, в большой степени вопросы энергосбережения относятся к теплоснабжению. Сегодня, в ходе капитальных замен и ремонта систем отопления уже устаревшие гидроэлеваторы заменяют на более современные автоматизированные индивидуальные тепловые пункты, для регулирования процесса использования теплоносителя, поступающего в здание.

ФГАОУ ВО "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" совместно с ООО "Экоматик СПб" в рамках договора о совместной деятельности озадачились вопросом оптимизации работы системы теплоснабжения принадлежащих Университету объектов. Была поставлена задача: определить, какие мероприятия и в какой последовательности необходимо провести для повышения энергоэффективности.

Обзор литературы

Сегодня всё большее внимание общественности уделяется энергоэффективности. Так, многие российские и иностранные работы посвящены вопросам энергосбережения в строительстве [4–10].

Большинство авторов, в первую очередь, рассматривают возможность энергосбережения в системах теплоснабжения [11–16].

К примеру, в работе [17] описываются критерии повышения энергоэффективности. В частности, одним из путей повышения эффективности функционирования СТС при минимальных дополнительных капитальных затратах, он выделяет оптимизацию параметров функционирования СТС, т.е. оптимизацию реализуемых расходов топлива, теплоносителя, а также термодинамических параметров взаимодействующих сред. В работе [18] в качестве решения задачи внедрения энергосберегающих технологий и оборудования предлагается отказ от систем централизованного теплоснабжения и переход к децентрализованным системам. Сегодня, многие авторы указывают на важность перехода к автоматизированным системам управления [19, 20].

Существенным фактором в энергоэффективности здания также являются системы вентиляции, именно на их работу обращают особое внимание некоторые авторы [21, 22].

Цели и задачи исследования

Главной целью всей работы, является подготовка рекомендаций и разработка программы по реконструкции системы теплоснабжения объектов Центральной площадки ФГАОУ ВО "СПбПУ" (далее Объектов).

Главная цель, в свою очередь, включает три этапа:

• -    I этап: Сбор, анализ и обработка данных с подготовкой технического задания (далее ТЗ) для выполнения дальнейших расчетов;

• -    II этап: Расчеты и подбор оборудования, разработка проектных решений;

• -    III этап: Выполнение экономический расчетов и разработка программы реконструкции.

Цель данной статьи: описание проделанной работы в рамках первого этапа. Для достижения данной цели сформулированы следующие задачи:

• 1.    Составить полный перечень Объектов Центральной площадки ФГАОУ ВО "СПбПУ";

• 2.    Составить описание выбранных объектов;

• 3.    Сформировать перечень технических параметров (исходных данных) необходимых для дальнейших расчетов и осуществить их сбор по каждому из объектов;

• 4.    Проанализировать достоверность собранных данных и внести при необходимости соответствующие поправки;

• 5.    Выполнить предварительную оценку возможного экономического потенциала от внедрения энергосберегающих мероприятий;

• 6.    Сформулировать вывод о результатах выполнения первого этапа и подготовить ТЗ для выполнения следующего этапа работ.

Описание исследования

Для такого проекта крайне важна точность и достоверность собранной информации, поскольку она оказывает прямое влияние на все технические расчеты и, следовательно, на выбор мероприятий по повышению энергоэффективности зданий. Поэтому помимо непосредственного сбора данных необходимо выполнять их проверку.

Таким образом, предпроектное изучение объектов включало в себя следующие этапы:

• 1.    Сформировать точный перечень объектов и их описание;

• 2.    Для каждого из объектов заполнить Опросный лист в соответствии с типом здания; (многоквартирный жилой дом/ нежилое здание).

• 3.    Собрать посуточные архивы показаний Узлов Учета Тепловой Энергии (УУТЭ), там, где они установлены, за все месяцы последнего отопительного периода.

• 4.    Сформировать статистику потребления энергии в Гкал и в рублях по каждому из Объектов за последние 2-3 года, помесячно. А так же, указать действующие тарифы с привязкой к их сроку действия.

Описание объектов Центральной площадки ФГАОУ ВО "СПбПУ"

На Центральной площадке ФГАОУ ВО "СПбПУ" расположены 29 объектов. Из этих объектов 3 являются жилыми многоквартирными зданиями, остальные — учебные корпуса. Средний режим работы учебных корпусов: пн-пт — с 9:00–18:00, сб-вс — выходной. Объекты подключены к одному источнику теплоснабжения — к котельной, принадлежащей университету, которая работает только на обеспечение теплом своих объектов; 10 из 29 объектов питаются от городских теплосетей. Таким образом, мы имеем полноценную, замкнутую систему теплоснабжения со своим источником, сетями и потребителями.

Существующая схема присоединения систем отопления объектов к внешней тепловой сети — посредством одного или нескольких элеваторных узлов, расположенных, в общем случае, в подвальных помещениях объектов. Система горячего водоснабжения на объектах реализована по схеме открытого водоразбора, при котором теплоноситель, циркулирующий во внутренней системе отопления здания, так же поступает и в краны горячей воды.

Сбор исходных данных

Сбор исходных данных для удобства осуществлялся посредством составления опросных листов, пример которого представлен в Таблице 1. В него входят пункты необходимые как для дальнейших расчетов, так и для перепроверки собранных данных.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2015, №5 (32)

Таблица 1:Опросный лист.

1	Система горячего водоснабжения:
1,1	Максимальная расчетная тепловая нагрузка:		[Гкал/ ч]
1,2	Количество точек водоразбора ГВ (ванна — __/ душ — __/ мойка — __); (кол-во квартир кв — __)	в — ___/ д — ___/ м — ___; кв — __	[ шт]
1,3	Источник ГВС (ЦТП/ теплообменник/ открытый водоразбор)
1,4	"Летняя" температура холодной воды:		[ °C]
1,5	Расчетная температура горячей воды:		[ °C]
1,6	Давление холодной воды на входе в здание:		[ кг/ см2]
1,7	Диаметр трубы ввода холодной воды в здание		[ мм]
2	Система радиаторного отопления:
2,1	Максимальная расчетная тепловая нагрузка:		[Гкал/ ч]
2,2	Наружный (строительный) объем здания		[ м3]
2,3	Температура воды при возврате из радиаторов:		[ °C]
2,4	Температура воды при подаче в радиаторы:		[ °C]
2,5	Высота здания		[ м]
3	Система теплоснабжения вентиляционных агрегатов:
3,1	Максимальная расчетная тепловая нагрузка:		[Гкал/ ч]
3,2	Температура воды при возврате из вент. агрегатов:		[ °C]
3,3	Температура воды при подаче в вент. агрегаты:		[ °C]
3,4	Гидравлическое сопротивление системы вентиляции при самом неблагоприятном контуре:		[ кг/ см2]
3,5	Объем системы вентиляции:		[ литр]
3,6	Высота системы вентиляции:		[ м]
4	Технические данные производителя тепла:
4,1	Температура в подающей теплотрассе:		[ °C]
4,2	Температура в обратной теплотрассе:		[ °C]
4,3	Температура в подающей теплотрассе летом :		[ °C]
4,4	Температура в обратной теплотрассе летом :		[ °C]
4,5	Давление в подающем трубопроводе теплотрассы (Р1):		[ кг/ см2]
4,6	Давление в обратном трубопроводе теплотрассы (Р2):		[ кг/ см2]
4,7	Наихудший перепад давления на вводе в здание (Р1-Р2):		[ кг/ см2]
5	Напряжения электропитания (230 В / 400 В)		[ Вольт]
6	Наличие УУТЭ (теплосчетчика) (есть / нет):
7	Размеры помещения теплоузла (высота, длина, ширина)		[м]

Приведенный выше опросный лист разбит на подразделы в соответствии с имеющимися на объекте контурами систем теплоснабжения: радиаторного отопления, ГВС, теплоснабжения вентиляционных агрегатов и раздела с данными по работе внешнего источника теплоснабжения.

1-ый раздел содержит параметры по системе ГВС, такие как:

• —    расчетная (проектная) максимальная нагрузка контура ГВС;

• —    количество точек водоразбора горячей воды необходимо знать, чтобы проверить достоверность указанной расчетной нагрузки, так как мы моемся не киловаттами, а литрами;

• —    исходная температура холодной воды, которая идет на нагрев (нагрев воды происходит не с 0 °С); — требуемая температура горячей воды — температура, до которой нужно нагревать воду;

• —    давление холодной воды на вводе — для проверки достаточности давления во всех точках внутренней системы ГВС;

— диаметр ввода трубопровода холодной воды — для проверки достаточной пропускной способности существующего ввода, так как после реконструкции потребление холодной воды увеличиться за счет нужд ГВС.

2-ой раздел содержит параметры по системе водяного отопления:

• —    расчетная (проектная) максимальная нагрузка контура отопления;

• —    строительный объем здания — необходимый параметр для проверочного расчета достоверности расчетной максимальной нагрузки;

• — температурный график работы внутридомового контура отопления;

— высота здания, а точнее, высота внутренней системы отопления — для понимания того, какой "столб воды" нужно поддерживать в обратном трубопроводе, чтобы система работала.

3-ий раздел содержит параметры по системе теплоснабжения вентиляционных агрегатов и/ или воздушных завес, если таковые имеются на объекте. Данный раздел практически идентичен второму.

4-ый раздел содержит данные по работе внешней тепловой сети, к которой присоединен объект:

— зимний температурный режим работы внешней тепловой сети — для расчета оборудования контуров отопления и теплоснабжения вентиляционных агрегатов. Очень важно знать "реальный" температурный график работы теплосети, так как он влияет на расчет расхода теплоносителя на нужды теплоснабжения и правильный подбор диаметров оборудования;

— летний температурный режим работы внешней тепловой сети — для расчета оборудования для контура ГВС, так как горячая вода должна быть и в межотопительный сезон, то есть летом.

— параметры давления теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе тепловой сети на вводе в здание (перед ИТП) и, соответственно, минимально-гарантированный перепад давления теплоносителя на вводе. Последний параметр очень важен, так как его величина влияет и на выбор схемы присоединения систем теплоснабжения и непосредственно на подбор диаметров оборудования.

— также в опросном листе записывается информация по наличию одно- или трехфазного напряжения на ГРЩ Объекта, а так же о наличии или отсутствии УУТЭ.

— указываются данные по габаритным размерам помещения ИТП, для дальнейшего проектирования и планирования размещения оборудования ИТП с учетом реальных имеющихся условий.

Проверка полученных исходных данных

На 19-ти рассматриваемых объектах существует 32 элеваторных узла, 9 из которых с ГВС, остальные без. То есть мы выяснили, что на данный момент большинство объектов перешли на альтернативные источники ГВС, в частности, на использование электронагревательных бойлеров, и отказались от централизованной системы ГВС. Практически на всех таких объектах внутренняя система ГВС полностью переделана под новые условия, и восстановить прежнюю схему малыми затратами невозможно.

Также согласно полученным исходным данным суммарная нагрузка контуров отопления на объектах составляла примерно 20,4 МВт, а согласно укрупненному расчету, который выполнен с учетом запаса в 18 %, расчетная суммарная нагрузка контуров отопления на объектах составляла: 16,55 МВт.

Расчетная суммарная нагрузка систем ГВС: составила всего 3,26 МВт, что почти в 2 раза меньше данных из исходной информации.

В результате проведения проверочных расчетов мы получили таблицу (Таблица 2), содержащую данные по 19-ти объектам, на которых имеется 32 элеваторных узла, для систем отопления и 9 подключений систем ГВС. Определены расчетные максимальные нагрузки на каждый контур.

Таблица 2: Основные собранные данные для системы ГВС и системы отопления

№	Наименование объекта	Кол-во элеват оров	Макс. расч. тепл. нагрузк а [Гкал/ ч]	Кол-во точек водоразбора (в — ванна/ д — душ/ м — мойка; кв — квартира); [ шт]	[кВт/ точка ]	Макс. расч. тепл. нагрузк а [Гкал/ ч]	Строитель -ный объем здания, [m3]	[Вт/ м3]
			1. Система горячего водоснабжения			2. Система радиаторного отопления
1	Бюро пропусков	1	-	м — 6	-	0.052	1528	40
2	1-ый учебный корпус	6	0.638	м—43	17	1.525	51946	34
		1		м — 2			9177
		2		м — 5			9177
		3		м — 7			7619
		4		м — 17			7619
		5		м — 3			9177
		6		м — 9			9177
3	2-ой учебный корпус	9	0.639	м — 178	4	1.873	83914	13
		1		м — 27			9177
		2		м — 22			9177
		3		м — 19			7619
		4		м — 28			7619
		5		м — 29			9177
		6		м — 25			9177
		7		м — 8			13320
		8		м — 16			13320
		9		м — 4			5328
4	3-й учебный корпус	2	0.235	м — 37	7	1.625	40633	47
		1		м — 22			20316
		2		м — 15			20317
5	4-й учебный корпус	1	0.56	м — 78; в — 2; д — 3	8	2.00	33574	69
6	Хим.корпус	1	0.8107	м — 177; д — 1	5	2.4471	92270	31
	Жилая пристройка			кв — 15
7	Гидрокорпус №1	1	-	м — 41	-	0.952	47470	23
8	Гидрокорпус №2	1	0.29	м — 35	10	2.15	61092	41
9	Здание Дома Учебных	1	0.5831	м — 32; д — 3	19	0.0272	12541	3
10	"УПМ" (Учебно-производствен ные мастерские)	1	0.0876	м — 19	5	0.646	5829	129
11	"ЛАК" (Лабораторноаудиторный корпус)	1	0.35	м — 52; д — 1	8	1.1277	19356	68
12	Мех.корпус	1	0.19	м — 50; д — 4	4	1.625	80375	24

№	Наименование объекта	Кол-во элеват оров	Макс. расч. тепл. нагрузк а [Гкал/ ч]	Кол-во точек водоразбора (в — ванна/ д — душ/ м — мойка; кв — квартира); [ шт]	[кВт/ точка ]	Макс. расч. тепл. нагрузк а [Гкал/ ч]	Строитель -ный объем здания, [m3]	[Вт/ м3]
13	Здание кафедры литейного производства	1	-	м — 11; д — 3		-	6375
14	"ОКР" (Отдел капитального ремонта)	1	-	м — 23; д — 6		0.0580	21992
15	2-ой профессорский корпус	1	0.594	кв — 112	6	0.9344	74521	15
16	Жилое здание	1	-	кв — 45		0.233	19908	14
17	ФГУП НПО "Импульс"	1	0.344	-		0.6	-
18	Военная кафедра СПбПУ	1	-	м — 31; д — 2		0.209	56885
19	11-й учебный корпус
Итого:		32	5.3214	м — 807; д — 23; в — 2; кв — 172 .		17.8174	710209

Особое внимание было уделено сбору информации по фактическим режимам работы источника теплоснабжения — Университетской котельной. Установлено, что от источника теплоснабжения в тепловые сети подается теплоноситель с довольно низким температурным графиком "85/60", гидравлический режим, поддерживаемый циркуляционными насосами на источнике, не обеспечивает нормальный перепад давления в точках присоединения Объектов к внешней тепловой сети (рисунок 1). В основном это связано с устаревшим и изношенным оборудованием, находящимся в котельной.

Рисунок 1. Зависимость температуры в подающем и обратном трубопроводе от температуры воздуха