bbk 000000

УДК 628.17.001.4

Наумов А. Л., Судьина О. С.

Повышение энергоэффективности трубопроводных систем здания

Аннотация

Проблему энергосбережения в строительстве можно решить путем уменьшения теплопотерь через ограждающие конструкции, установки тепло- и водосчетчиков, использования нетрадиционных источников теплоснабжения и т. д. Вопросы энергосбережения в трубопроводных инженерных системах в проектировании недостаточно изучены, в то время как значительная часть энергопотребления систем инженерного обеспечения зданий (до 80%) приходится на привод насосов и вентиляторов трубопроводных сетей: отопления, водоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха. В качестве критериев энергоэффективности трубопроводных сетей рассматриваются экономические показатели. В расчетах использован метод приведенных затрат.

Ключевые слова

энергоэффективность , энергопотребление , система отопления , система вентиляции , приведенные затраты , скорость движения рабочей среды

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Значительная часть энергопотребления систем инженерного обеспечения зданий (до 80%) приходится на привод насосов и вентиляторов трубопроводных сетей: отопления, водоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха. Проектировщики, как правило, принимают значения скорости движения рабочей среды, близкие к максимально допустимым, стремясь таким образом минимизировать затраты на трубопроводы и сетевые элементы, а также сэкономить полезный объем здания. Стоимость электроэнергии в России относительно невелика, поэтому при выборе скорости движения рабочей среды затраты на энергию, расходуемую на перекачку заданного расхода, не принимают во внимание. В условиях прогнозируемой исчерпаемости энергоресурсов проблема повышения энергоэффективности становится более актуальной.

Критериями энергоэффективности трубопроводных сетей могут служить экономические показатели. В первом приближении может быть использован метод приведенных затрат. Уменьшение диаметров трубопроводов приводит к росту расхода электроэнергии, но при этом снижаются капитальные затраты. Задача является оптимизационной: выбрать диаметр трубопровода (при заданной рабочей среде, ее расходе, трассировке и количестве часов работы в году), который соответствовал бы минимуму приведенных затрат:

П = Э + КЕ_н.д min,                        (1)

где Э – эксплуатационные затраты, т. е. стоимость затраченной электроэнергии за нормативный срок; К – первоначальные капитальные затраты; Е_н.д – коэффициент окупаемости капитальных затрат.

В такой постановке стоимость затраченной электроэнергии пропорциональна тарифу на электроэнергию S и прогнозному коэффициенту роста тарифов  за рассматриваемый период:

Э = SNZ,                                     (2)

гдеZ – число часов работы сети в год; N – мощность нагнетателя, Вт.

Капитальные затраты на трубопроводную сеть зависят от стоимости самих трубопроводов и фитинга, арматуры, установленной на сети, k₁. Также капитальные затраты зависят от стоимости монтажа, которую можно выразить через некоторый коэффициент пропорциональности к стоимости материалов сети k₂. Следующий фактор, который необходимо учитывать при нахождении капитальных затрат – это стоимость полезного объема здания, занимаемого трубопроводной сетью, что также можно выразить с помощью коэффициента k₃.

Таким образом, капитальные затраты можно определить по формуле:

K = Аld;                                  (3)

А = k₁k₂k₃,

где А – комплекс коэффициентов на стоимость монтажа трубопроводов, фитинга, арматуры и полезного объема здания, занимаемого трубопроводами; l – длина трубопровода, м; d – диаметр трубопровода, м.

Рассмотрим наиболее распространенный режим работы трубопроводных сетей с постоянным расходом рабочей среды в заданный промежуток времени. Обычно трубопровод имеет круглое сечение, каналы прямоугольного сечения несложным образом также приводятся к «эквивалентному» кругу. Мощность нагнетателя в общем случае определяется следующим образом:

N = kL∆p/(3600),                           (4)

где L – массовый расход рабочей среды, м³/ч; ∆р – напор нагнетателя, Па; k – коэффициент запаса, учитывающий пусковой момент (максимальное значение 1,5);  – коэффициент полезного действия нагнетателя.

Линейные потери давления определяются по известной формуле [1]:

где  λ – коэффициент гидравлического трения;  ρ – плотность рабочей среды, кг/м³; V – скорость движения рабочей среды, м/с.

Совместное решение уравнений (1)–(5) позволяет получить формулу для нахождения эксплуатационных затрат:

Э = ВС(K_эL + 17 d²)^0,25d^–5,25,                (6)

где В – комплекс числовых величин, зависящих от параметров рабочей среды (В = 0,11lL^1,75/1,62∙10⁶); С – комплекс числовых величин, зависящих от тарифов на электроэнергию, периода работы системы за год (C = SkLZ/3600);  – кинематическая вязкость среды.

Значение капитальных затрат при коэффициенте окупаемости Е_н.д = 0,08 и коэффициентах k₁ = 1,8; k₂ = 1,7; k₃ = 1,5 (выбор значений коэффициентов произведен на основе анализа проектных решений):

K = 0,029ld².

Тогда

П = ВС(К_эL+ 17d²)^0,25d^–5,25 + 0,029ld².

Рассчитаем приведенные затраты по полученной формуле для различных значений расходов рабочей среды в системе отопления со следующими параметрами:  – прогнозируемый рост тарифов 15%; S – тариф на электроэнергию 3,1 руб/(кВт∙ч); Z – количество часов работы системы в год (отопительный период) для Московского региона 5100 ч; – плотность рабочей среды при температуре 90 С, равная 965,3 кг/м³; l – длина трубопровода (в качестве примера взят участок трубопровода системы отопления длиной 100 м); K_э – эквивалентная шероховатость стенок трубопровода из сшитого полиэтилена 0,00001 м;  – кинематическая вязкость воды при температуре 90 С, равная 0,326∙10^–6 м²/с, или 0,00108 м²/ч.

Результаты расчета показаны на рис. 1 и 2. На рис. 3 представлены результаты аналогичных расчетов для системы вентиляции.

Значение оптимальной скорости движения среды различно для разных регионов России в зависимости от тарифов на электроэнергию и количества часов работы за год. Так, разница между тарифами может составлять около 40%. В таблице приведены тарифы на электроэнергию для различных регионов России по состоянию на 2010 г.

На рис. 4 показана зависимость приведенных затрат от скорости движения теплоносителя в системе отопления при расходе 10 м³/ч для некоторых городов России.

Стоимость присоединения электрической нагрузки различна для каждого региона. Например, в пределах Садового кольца г. Москвы цена за присоединение 1 кВт может достигать 100 000 руб., в ближнем Подмосковье в пределах Малого Московского кольца – 50 000 руб, за пределами Малого Московского кольца – 20 000 руб. На рис. 5 показано изменение стоимости присоединения в зависимости от скорости движения теплоносителя в системе отопления для значений цены за 1 кВт присоединяемой электрической мощности. С увеличением скорости движения теплоносителя в трубопроводе повышается гидравлическое сопротивление, что приводит к увеличению электрической мощности, затрачиваемой на перекачивание теплоносителя.

Выводы

В современной практике проектирования в качестве расчетных значений используются, как правило, скорости движения рабочей среды, близкие к максимальным по акустическим требованиям. Переход от максимальных скоростей движения рабочей среды к оптимальным позволит обеспечить годовую экономию 20–40%. Применение данных рекомендаций при проектировании позволит сэкономить не только приведенные затраты, но и стоимость присоединяемой мощности электроэнергии.

Список цитируемой литературы

1. Примеры расчетов по гидравлике. Под ред. А. Д. Альтшуля. – М.: Стройиздат, 1977.
2. Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление. – М.: АСВ, 2002.
3. Калицун В. И., Кедров В. С., Ласков Ю. М. Гидравлика, водоснабжение и канализация. – М.: Стройиздат, 1999.
4. Наумов А. Л., Судьина О. С. Оптимизация проектирования и энергоэффективность трубопроводных сетей инженерных систем здания // АВОК. 2009. № 4.
5. СНиП 23-01-1999. Строительная климатология.