V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Проблема выбора рационального уровня теплозащиты зданий представляет собой серьезную задачу для городского хозяйства. В 1998 –2000 годах после реализации первых этапов повышения теплозащиты ограждающих конструкций было много споров о необходимости дальнейшего увеличения теплозащиты и целесообразности реализации дальнейших этапов плана [1]. Эти споры нашли свое отражение во введении в нормы так называемого «потребительского подхода», который нормирует не теплозащиту ограждающих конструкций, а удельное энергопотребление здания. Тем не менее, несмотря на эти споры, в Москве сегодня уже реализован переход городского строительного комплекса на ограждающие конструкции с теплозащитой, соответствующей следующему этапу, и встает вопрос:

Что делать дальше? Увеличивать ли уровень теплозащиты зданий, а, может быть, наоборот - снизить существующие нормативы?

Ответы на эти вопросы сегодня мы не сможем получить, основываясь только на анализе зарубежного опыта энергосбережения и мировых тенденций в этой области. Необходим серьезный численный анализ, учитывающий специфику нашего климата и особенности городской инженерной инфраструктуры, а также экологическую ситуацию в населенных пунктах, ухудшающуюся буквально на глазах. Очевидно, что сегодня некорректно формулировать какие-либо требования к оболочке здания без учета его взаимосвязей с климатом и городской инфраструктурой: городской системой энергоснабжения, инженерными коммуникациями [2].

Климатические особенности ряда крупных городов центрального региона России таковы, что соотношение необходимых городу энергоресурсов (энергетических нагрузок города) примерно составляет: в 2005 г. – электрическая нагрузка - 12,8 %, тепловая нагрузка – 87,2 %; в 2020 г. – электрическая нагрузка - 14,3 %, тепловая нагрузка – 85,7 %. При этом технологические возможности энергогенерирующего оборудования на ТЭЦ таковы, что в комбинированном цикле вырабатывается примерно 40 % электрической энергии и 60 % - тепловой. В перспективе, с внедрением парогазовых станций (за рубежом они уже давно работают) это соотношение будет приближаться к 50/50, т.е. ТЭЦ сможет вырабатывать 50 % электрической энергии 50 % тепловой. В итоге город вынужден часть вырабатываемой электрической энергии (разницу между технологическими возможностями комбинированного цикла и фактической электрической нагрузкой города) отдавать в ЕЭС (единую энергосистему), что приводит к тому, что экологически не очень чистую технологию сжигания органического топлива мы осуществляем на территории города, а экологически чистый продукт – электроэнергию, поставляем за пределы города в ЕЭС [3]. Понятно, что эту ситуацию нужно исправлять, и одним из возможных путей ее исправления может быть снижение тепловой нагрузки города.

Таким образом, очевидна взаимосвязь климата с рациональным уровнем теплозащиты оболочки зданий не только через расчетные температуры наружного воздуха, продолжительность отопительного периода и прочие, учтенные в существующих нормах климатологические параметры, но и через конфигурацию городской системы энергоснабжения и ее инфраструктуру. Учет этой взаимосвязи позволит «сблизить» технологические возможности ТЭЦ и энергетические нагрузки города. Рассмотрим более подробно существующую городскую систему энергоснабжения.

Первичное топливо, в основном, природный газ, сжигается в комбинированном цикле на теплоэлектростанциях, где вырабатывается электрическая и тепловая энергия примерно, как уже было сказано ранее, в соотношении 40 % электрической энергии и 60 % тепловой. Затем, энергия по электрическим и тепловым сетям доставляется потребителю. Причем, если транспортировка электрической энергии сопряжена с незначительными потерями, то потери тепловой энергии в теплотрассах могут достигать 20 % и более.

В качестве иллюстрации этой цифры можно привести результаты энергетических обследований ЖКХ района Московской области, выполненных ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» в 2010 году [3].

Так, например, средние по ЖКХ потери тепловой энергии в теплотрассах составили 16,7 %, а с учетом расхода тепловой энергии на собственные нужды - 22,8 %. При этом необходимо отметить, что ЖКХ исследуемого района является одним из наиболее эффективных среди подобных предприятий области, имеет рациональную организационную и производственную структуры и не выбрасывает тепло и деньги «на ветер».

Долгие годы системы энергоснабжения городов развивались практически «автономно» от потребителя. В последние годы всвязи с изменением цен на энергетические ресурсы, проблема рационального их расходования становится все более актуальной. Оказывается, что как для энергосистемы города, так и для ее потребителя (зданий и сооружений), решение этой проблемы сегодня возможно только на основе нового подхода к рассмотрению комплекса: теплоэлектростанция + тепловые и электрические сети + потребитель (здания и сооружения) + окружающая среда - как единой теплоэнергетической системы, несмотря на очевидную противоречивость интересов потребителя и энергопроизводящих компаний.

Первым основным и достаточно очевидным противоречием является тот факт, что стратегические интересы энергопроизводящих компаний заключаются в максимальном увеличении объема продаж энергетических ресурсов, а стратегические интересы потребителя – в минимальном потреблении последних. Таким образом, если рассматривать проблему энергосбережения отдельно у производителя энергии и отдельно у потребителя (существующее состояние в действующих нормативных документах), то можно представить себе ситуацию, когда потребитель достигнет уровня энергосбережения в размере 90 % от сегодняшнего. В результате, потери в тепловых сетях могут достичь 200% от энергии полученной потребителем, поскольку потери в сетях определяются в основном температурным режимом теплоносителя и в значительно меньшей степени зависят от количества транспортируемой тепловой энергии.

Представим себе район с тепловой нагрузкой 100 МВт. Потери тепловой энергии в сетях составляют, например, 15 % или 15 МВт. Тепловая нагрузка непосредственно потребителя – 85 МВт. Предположим, что за счет различных мероприятий по энергосбережению потребитель сэкономил 77,5 МВт (или 91 %), тогда его тепловая нагрузка будет равна 7,5 МВт, а потери в сетях 15 МВт, то есть 200 % от тепловой нагрузки потребителя [3].

В итоге, все это приведет к тому, что себестоимость энергии у производителя повысится, поскольку уменьшится объем ее продаж. Так или иначе, в конечном счете, эти издержки оплатит потребитель, который и так уже инвестировал немалые средства в энергосбережение и, как выясняется, часть этих инвестиций возможно была напрасной.

С этими проблемами уже сталкиваются некоторые развитые европейские страны. Так, например, Дания уже сегодня вынуждена снижать температуру теплоносителя в магистральных тепловых сетях, поскольку, при очень высоком качестве теплозащиты тепловых сетей теряет в них до 25 % транспортируемой тепловой энергии. В России это противоречие обостряется еще и изношенным парком энергогенерирующего оборудования и коммуникаций, причем, зачастую, основные энергогенерирующие мощности и коммуникации сосредоточены там, где потребитель сегодня отсутствует или резко снизил объемы потребления, и, наоборот, там, где растет потребление энергоресурсов (районы новостройки, коттеджное строительство и т.д.), их сбыт ограничен пропускной способностью электрических и тепловых сетей.

Вторым противоречием является различие экологических и потребительских интересов жителей. С одной стороны, как жители города, население заинтересовано в экологической чистоте городской среды, а с другой стороны, как потребители энергетических ресурсов – в ее загрязнении. Разрешение этого противоречия стоит сегодня на повестке дня у администраций многих крупных городов. Решение, по-видимому, будет индивидуальным для каждого города, в зависимости от климатических условий, уровня жизни, условий топливоснабжения и пр.

Таким образом, очевидно, что существует некий рациональный (возможно оптимальный) уровень энергосбережения у потребителя, который с одной стороны удовлетворяет потребителя, как с точки зрения единовременных капитальных вложений в энергосберегающие и экологические мероприятия, так и с точки зрения эксплуатационных затрат; а с другой стороны обеспечивает достаточные объемы производства энергии и приемлемую структуру ее себестоимости у энергопроизводящей компании. Другими словами существует целесообразный уровень теплозащиты оболочки зданий, который устраивает потребителя, энергопроизводящие компании и город - с точки зрения экологических последствий сжигания органического топлива.

Для оценки экономически целесообразного уровня теплозащиты зданий, компанией ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» была проведена серия «численных экспериментов» на специально разработанных моделях [3]. В основу моделей были положены приведенные затраты на строительство и эксплуатацию комплекса: теплоэлектростанция + тепловые и электрические сети + потребитель (здания и сооружения) + окружающая среда.

При построении моделей было введено понятие dС - удорожание себестоимости (дополнительные капитальные вложения) 1 кв. метра жилья за счет внедрения энергосберегающих мероприятий и технологий, $ США/м² квартир, которое при проведении расчетов определялось по следующей формуле

dС = С ∙R_об , (1)

где С - стоимость увеличения на 1 м² ограждений∙град/Вт обобщенного сопротивления теплопередаче (Rоб) теплозащитной оболочки, (($ США/м²квартир) ∙ (Вт/(м² огражд.∙ ^оС)).

В зависимости от типа изоляции ограждений С может изменяться в пределах от четырех до двадцати ($ США/м² квартир)∙ (Вт/(м² ограждений∙ ^оС).

Анализируя полученные результаты проведенных численных экспериментов очевидно, что дальнейшие разработки и нововведения в этой области должны быть на основе подхода к рассмотрению комплекса: городская система энергоснабжения + теплоэлектростанция + тепловые и электрические сети + потребитель (здания и сооружения) + окружающая среда - как единой теплоэнергетической системы.

Библиографический список

1. Сотникова, О.А. Автономное теплоснабжение / О.А. Сотникова, В.Н. Мелькумов. – Воронеж: ВГАСУ, 2005. – 243 с.

2. Сибикин, Ю.Д. Технология энергосбережения/ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. – М.: Форум - Инфра-М, 2006.- 352 с.

3. Васильев, Г.П. Экономически целесообразный уровень теплозащиты зданий / Г.П. Васильев. - М.: ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», 2008. - 9 с.

Код для цитирования: Скопировать