Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и выбор направлений исследования 20
1.1 .Уровень и структура удельного теплопотребления жилого фонда 20
1.2. Нормирование теплозащиты зданий с учетом интегральной характеристики отопительного периода 21
Глава2. Разработка методологических основ оптимизации и оценки экономической целесообразности теплозащиты потребителей тепловой энергии 39
Глава3. Теоретическое обоснование нормативов и разработка методологических основ снижения удельного потребления топлива и тепловой энергии на отопление в системах тепло снабжения 131
Глава 4. Разработка теоретических основ оптимальной теплозащиты трубопговодов тепловых сетей ...205
Глава 5 .Анализ энергетической эффективности элементов систем теплоснабжения и путей снижения эксплуатационного теплопотребления абонентов ...269
Глава 6. Системный анализ и оптимизация расчетных параметров существующих тепловых сетей при усилении теплозащиты потребителей тепловой энергии 353
Основные выводы и рекомендации 419
Внедрение результатов исследований 423
Литература 428
Приложения
- Нормирование теплозащиты зданий с учетом интегральной характеристики отопительного периода
- Разработка методологических основ оптимизации и оценки экономической целесообразности теплозащиты потребителей тепловой энергии
- Теоретическое обоснование нормативов и разработка методологических основ снижения удельного потребления топлива и тепловой энергии на отопление в системах тепло снабжения
- Разработка теоретических основ оптимальной теплозащиты трубопговодов тепловых сетей
Введение к работе
Актуальность. Проблема энергосбережения в строительстве и коммунально-бытовой сфере на протяжении последнего десятилетия находится в центре внимания специалистов как строительного, так и теплоэнергетического профиля. Это связано с тем, что из общего объема тепловой энергии, потребляемой в этой сфере, лишь 10% идет на производство строительных материалов, изделий и непосредственное энергообеспечение строительного процесса, в то время как 90% теплоты затрачивается на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение зданий, то есть представляет собой эксплуатационное энергопотребление, относящееся к сфере компетенции энергетиков.
По данным, опубликованным в работе [116], за один 1992 год в России на производство тепловой энергии было израсходовано около 365 млн. тонн условного топлива, из которых на нужды жилищно-коммунального хозяйства приходится 117 млн. т у.т, в том числе 91 млн. т у.т — на нужды отопления. В промышленности при этом было израсходовано 197 млн. т у.т, а в сельском хозяйстве - 11 млн. т у.т. Кроме того, 40 млн. т у.т. составило эксплуатационное потребление сельских зданий. Таким образом, с учетом приведенных данных, результирующее эксплуатационное потребление топлива существующим жилым фондом России может быть оценено величиной 157 млн. т у.т/год, что составляет 43% от общего годового расхода топлива на производство тепловой энергии в стране.
Вместе с тем, эффективность использования топлива в жилищно-коммунальной сфере является сегодня крайне низкой по двум основным причинам: из-за неэффективного потребления тепловой энергии и низкой эффективности существующих систем теплоснабжения.
Неэффективное потребление тепловой энергии в зданиях обуславливается низким уровнем теплозащиты ограждающих конструкций, нерациональными архитектурно-планировочными решениями, отсутствием энергосберегающего инженерного оборудования, средств автоматизации и учета теплоты, а также другими известными факторами. По оценкам специалистов по сравнению с довоенным уровнем фактическое теплопотребление отечественных зданий увеличилось в среднем в 1,5-г1,7 раза [93]. При этом только за 15 лет, с 1975 по 1990 год, результирующие среднегодовые удельные потери теплоты, приходящиеся наїм отапливаемой площади жилых домов, возросли по данным [112] с 837 МДж/м2-год до 942 МДж/м2-год ( с 200 до 225 Гкал/тыс. м2-год), то есть примерно на 12,5%.
В настоящее время перерасходы теплоты на отопление существующих зданий относительно необходимых энергозатрат по разным оценкам составляют от 111 до 153%.
Результирующий коэффициент эффективности использования
топлива в существующих системах теплоснабжения, учитывающий
энергетические потери во всех элементах топливно-энергетической цепи
^ от добычи топлива до подачи тепловой энергии потребителю,
оценивается по данным [265] следующими значениями: 49-^64% при
теплоснабжении от групповых отопительных котельных; 47-^-61% при
-f> теплоснабжении от районных котельных. При теплоснабжении от ТЭЦ с
располагаемой тепловой мощностью порядка 300 МВт этот показатель ориентировочно составляет 42-г78%. Таким образом, ориентируясь на среднее арифметическое приведенных значений, можно констатировать, что примерно половина добытого топлива в существующих системах теплоснабжения теряется бесполезно.
Все вышеизложенное свидетельствует о том, что в существующем жилом фонде, как и в обслуживающих его системах теплоснабжения, имеются большие резервы экономии топлива и тепловой энергии. Комплексное решение проблемы энергосбережения в рассматриваемых системах возможно лишь на основе методов системного анализа и оптимизации. Решению этой проблемы посвящена настоящая работа, выполненная на кафедре "Теплогазоснабжение и вентиляция" Саратовского государственного технического университета.
Основные разделы представленной работы были выполнены в соответствии со следующими планами и программами:
- по гранту Министерства образования России за 1998-2000 годы,
код ГАСНТИ 44.09.29 раздел С-096 "Экономия топлива и
тепловой энергии", направление 06 "Методы экономии
природного газа в децентрализованных системах
теплоэнергоснабжения", проект "Разработка методов экономии
природного газа при создании децентрализованных источников
и систем энергоснабжения промышленных предприятий и
населенных пунктов";
- в рамках программы Министерства образования России за 2000 год
'> "Научное, научно-методическое, материально-техническое и
информационное обеспечение системы образования",
подпрограмма 013 "Разработка и реализация федерально-
-1^ региональной политики в области науки и образования", тема
СГТУ-245 (2324) "Разработка регионального отраслевого руководящего документа по оценке теплотехнических характеристик и технико-экономическому обоснованию усиления теплозащиты ограждающих конструкций зданий и сооружений общеобразовательных учреждений".
в рамках той же программы и подпрограммы 013 за 2000 год по теме СГТУ-246 (2310) "Разработка типовой методики комплексных энергетических обследований объектов образовательных учреждений";
в рамках "Губернаторской программы энергосбережения в Саратовской области на 1998-2005 годы", утвержденной
/ -<
-1* постановлением Правительства № 33-П от 30.04.98 по
тематическому плану Министерства строительства и
архитектуры Саратовской области за 1999 год, тема "Разработка
^/ территориальных строительных норм энергетической
эффективности жилых и общественных зданий ТСН-23-305-99". Цель работы заключается в решении важной народнохозяйственной задачи - создании методологического обеспечения и теоретическом обосновании новой системы нормирования удельного теплопотребления абонентов с разработкой рациональных методов достижения предложенных нормативов в существующих системах теплоснабжения городов на основе оптимизации процесса теплоиспользования. Задачи исследования:
Разработка методологических основ оптимизации и оценки экономической целесообразности теплозащиты потребителей тепловой энергии.
Разработка обобщенной методики выбора теплоизоляционных материалов по условиям экономической целесообразности и создание базы данных, требующейся для ее реализации.
Разработка методики и обоснование базовых нормативов удельного потребления тепловой энергии системами отопления отдельно стоящих зданий различной этажности.
Разработка теоретических основ энергетически эффективной блокировки зданий.
Оценка теоретического резерва экономии теплоты от автоматизации процесса теплопотребления.
Определение результирующих показателей энергетической эффективности выработки, распределения и потребления тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения от ТЭЦ с
'-$ обоснованием нормативов удельного потребления первичного
энергоносителя (топлива) на отопление в системах теплоснабжения.
7. Теоретическое обоснование и разработка методики оценки
і , ожидаемой экономии тепловой энергии от использования новой
^; стратегии нормирования удельного теплопотребления зданий.
8. Разработка теоретических основ оптимизации тепловой изоляции
трубопроводов с получением обобщенного аналитического решения
задачи оптимизации цилиндрических поверхностей и созданием
универсальной компьютерной программы расчета оптимальной теплозащиты тепловых сетей.
Анализ энергетической эффективности оборудования и элементов систем теплоснабжения с обоснованием рациональных способов сокращения энергетических потерь.
Теоретическое обоснование способа сокращения расчетного теплопотребления существующих систем центрального отопления после усиления теплозащиты зданий с разработкой методики инженерного расчета параметров, обеспечивающих оптимальный режим инжекции элеватора в новых условиях.
11 .Разработка методики оптимизации расчетных параметров существующих тепловых сетей по условию достижения минимума транспортных энергозатрат после усиления теплозащиты потребителей тепловой энергии.
12.Разработка методики аналитической оценки результирующей экономии топлива в системе энергоснабжения городов от сокращения теплопотребления зданий с обоснованием наиболее рациональных путей достижения системной экономии топлива. Научную новизну работы составляют:
Обобщенное решение задач оптимизации и оценки экономической целесообразности теплозащиты потребителей тепловой энергии в современной экономической обстановке и номограмма для практической реализации этого решения.
Впервые предложенный принцип систематизации теплоизоляционных материалов по дифференциальному критерию потребительской эффективности и основанная на этом принципе обобщенная методика выбора перспективных теплоизоляционных материалов для развития строительной индустрии регионов.
Методика и результаты аналитического исследования условий достижения минимума удельного расчетного расхода тепловой энергии на отопление зданий различной этажности и разработанная с учетом этих результатов система обоснования базовых нормативов удельного теплопотребления для территориальных строительных норм.
Методика и результаты анализа энергетической эффективности блокировки зданий и основанная на этих результатах классификация блок-схем с оценкой относительного сокращения тепловых потерь по впервые предложенному критерию - коэффициенту эффективности блокировки, учитывающему рациональность соединения элементов в схеме.
5. Полученный вывод о наибольшей эффективности замкнутых многоконтурных схем блокировки зданий, имеющих численное значение коэффициента эффективности блокировки, большее единицы.
Методика оценки ожидаемой экономии потребляемой теплоты от внедрения новой стратегии нормирования удельного энергопотребления зданий, основанная на использовании статических, динамических и интегральных критериев, определяющих результирующую эффективность процесса энергосбережения в реальном масштабе времени.
Впервые полученное аналитическое решение задачи оптимизации многослойной теплозащиты цилиндрических поверхностей и разработанная на его основе универсальная компьютерная программа расчета оптимальной теплозащиты трубопроводов тепловых сетей в условиях совместной N- трубной канальной прокладки.
8. Впервые полученное аналитическое решение задачи оптимизации
многослойной теплозащиты объектов сферической формы и
разработанная с использованием этого решения методика аналитической
оценки рациональности формы теплотеряющих пространственных
элементов.
9. Уточненная методика расчета оптимальных параметров насоса-элеватора, отличающаяся тем, что в ней впервые учтена полученная численным методом зависимость оптимального диаметра горловины от коэффициента инжекции.
Ю.Методика и номограмма для сравнения энергетической эффективности элеваторного и насосного подключения систем отопления к тепловым сетям.
Впервые полученное аналитическое решение и основанная на нем методика оптимизации располагаемых перепадов давления в местных системах отопления с элеваторным присоединением к тепловой сети.
Теоретическое обоснование предложенного способа сокращения расчетного теплопотребления существующих систем центрального отопления, заключающегося в изменении коэффициента инжекции насоса-элеватора при условии сохранения оптимального режима инжекции после усиления теплозащиты зданий.
Впервые полученное аналитическое решение задачи оптимизации эксплуатационного режима существующих тепловых сетей по условию минимизации транспортных энергозатрат с учетом неравномерности отопительной нагрузки в течение отопительного периода.
14.Методика инженерного расчета оптимальных параметров тепловых сетей после снижения отопительной нагрузки микрорайона и электронные таблицы для практической реализации этой методики.
15. Методика аналитической оценки результирующей экономии топлива в системе энергоснабжения городов от сокращения теплопотребления зданий и намеченные с ее помощью пути достижения максимального эффекта.
Разработанные в диссертации теоретические положения и методики обеспечивают возможность практической реализации научно-
обоснованной программы сокращения удельного потребления топлива и тепловой энергии в системах теплоснабжения городов путем внедрения территориальных строительных норм энергетической эффективности зданий в новом строительстве и при реконструкции существующего жилого фонда.
Практическую ценность имеют следующие результаты работы:
V/ 1. Номограмма для выбора рациональной теплозащиты ограждающих
конструкций зданий.
2. Систематизированные базы данных о потребительской эффективности
* -f/ теплоизоляционных материалов, включенные в ТСН 23-305-99
Саратовской области и ТСН 23-318-2000 Республики Башкортостан.
Методика выбора теплоизоляционных материалов по условиям экономической целесообразности, включенная в ТСН 23-305-99 и ТСН 23-318-2000.
Методика расчета нормативов удельного потребления тепловой энергии на отопление зданий различной этажности, использованная для обоснования удельных расходов теплоты, заложенных в ТСН 23-305-99 Саратовской области.
Предложенные в работе замкнутые много контурные блок-схемы, позволяющие получить максимальный энергосберегающий эффект от блокировки зданий.
Обобщенная методика выбора перспективных теплоизоляционных материалов для развития строительной индустрии регионов, включенная в ТСН 23-305-99 и ТСН 23-318-2000.
Программа расчета оптимальных параметров тепловой изоляции трубопроводов теплоснабжения, позволяющая минимизировать дисконтированные затраты при проектировании тепловых сетей и сократить потери теплоты на ЗО-г-40% относительно нормативных значений.
8. Защищенный авторским свидетельством способ повышения
энергетической эффективности существующих отопительных котельных
малой мощности, использованный в котельной СГТУ (1992 - 1998 г.г.)
9. Электронные таблицы для расчета оптимальных параметров
существующих систем теплоснабжения после снижения отопительных
>> нагрузок за счет усиления теплозащиты зданий.
10. Обоснованные в работе пути достижения максимальной
экономии топлива от сокращения теплопотребления абонентов в
'\л системе энергоснабжения городов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: секции "Ресурсоэнергосберегающие технологии" всесоюзного научного семинара по проблемам охраны окружающей среды в строительстве (Севастополь, 1990г.); межвузовском научном семинаре по проблемам теплоэнергетики (Балаково, 1992г.); региональной
научно-практической конференции при Правительстве Саратовской области "Проблемы энергосбережения Саратовской области. Пути решения." (Саратов, 1997г.); международной научно-технической конференции "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" - секция "Отопление, вентиляция и энергосбережение" (Волгоград, 1997г.); международной научно-практической конференции "Современное строительство" МК-52-18, секция "Энергосбережение" (Пенза, 1998 г.); пятых академических чтениях Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН, Воронеж, 1999г.); межвузовской научной конференции "Проблемы повышения эффективности и надежности систем теплоэнергоснабжения" (Самара, 1999г.); международной научно-технической конференции "Проблемы научно-технического прогресса в строительстве в преддверии нового тысячелетия" — секция строительной теплофизики (Пенза, 1999г.); международной научно-практической конференции "Строительство-2000" - подсекция энергосбережения, отопления и вентиляции (Ростов-на-Дону, 2000г.); межвузовской научной конференции "Проблемы развития энергетики России и Поволжья" (Самара, 2000 г.); международной научно-технической конференции по строительным материалам — секция теплоизоляционных материалов (Пенза, 2000); седьмых академических чтениях РААСН (Белгород, 2001г.); международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (Тула, 2001г.); Всероссийской XXXI научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" (Пенза, 2001г.); научно-технических советах комитета по архитектуре и строительству Правительства Саратовской области (Саратов, 1999-2000г.г.); ежегодных научно-технических конференциях и научных семинарах кафедры "Теплогазоснабжение и вентиляция" СГТУ (Саратов, 1990-200ІГ.); научных семинарах проблемной лаборатории энергетического факультета СГТУ (Саратов, 1997-2001г.г.).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 50 печатных работах, в том числе: 1 монографии [162]; 44 статьях [19,158-161; 163-169; 171-202]; 3 авторских свидетельствах на изобретения [20,21,22]; 2 нормативных руководящих документах [239,240].
На защиту выносятся теоретические положения, разработанные на основе анализа и оптимизации процесса теплоиспользования, а также основанные на них практические методики, составляющие методологическую базу новой системы нормирования удельного потребления топлива в системах централизованного теплоснабжения городов и представленые в виде: результатов обобщенного решения задач оптимизации и оценки экономической целесообразности теплозащиты потребителей тепловой энергии в современной экономической
обстановке; методики выбора перспективных теплоизоляционных материалов для развития строительной индустрии регионов и систематизированной базы данных для ее реализации; методики расчета нормативов удельного потребления тепловой энергии на отопление зданий различной этажности, использованной для обоснования удельных расходов теплоты, заложенных в ТСН 23-305-99; результатов аналитического исследования энергетической эффективности блокировки зданий; методики и результатов оценки ожидаемой экономии потребления теплоты в энергетическом комплексе Саратовской области от внедрения новой стратегии нормирования удельного теплопотребления зданий; аналитического решения задачи оптимизации многослойной теплозащиты цилиндрических поверхностей с прикладной компьютерной программой расчета оптимальной теплозащиты трубопроводов тепловых сетей; аналитического решения задачи оптимизации многослойной теплозащиты сферических поверхностей с прикладной методикой оценки рациональности формы теплотеряющих пространственных элементов; результатов анализа энергетической эффективности элементов систем теплоснабжения и путей снижения эксплуатационного теплопотребления абонентов; аналитического решения задачи оптимизации эксплуатационного режима существующих тепловых сетей по условию минимизации транспортных энергозатрат с прикладной методикой инженерного расчета оптимальных параметров тепловых сетей после снижения отопительной нагрузки в результате усиления теплозащиты зданий; методики аналитической оценки результирующей экономии топлива в системе энергоснабжения городов от сокращения теплопотребления зданий и предложенных путей достижения максимального энергосберегающего эффекта.
За помощь, оказанную в процессе выполнения работы, автор выражает благодарность коллективам кафедр "Теплогазоснабжение и вентиляция", "Теплоэнергетика", проблемной лаборатории энергетического факультета СГТУ, а также заведующему кафедрой ТГС д.т.н., профессору Б.Н.Курицыну, декану архитектурно-строительного факультета, д.т.н., профессору Ю.Г.Иващенко, заведующему кафедрой "Промтеплотехника" д.т.н., профессору В.Ф.Симонову. Особую благодарность автор выражает научному консультанту - заслуженному деятелю науки и техники д.т.н., профессору А.И.Андрющенко, советы и пожелания которого во многом определили направления проведенных исследований и способствовали достижению положительных научных результатов.
Нормирование теплозащиты зданий с учетом интегральной характеристики отопительного периода
Одной из основных причин существенного перерасхода энергии на отопление зданий явилось несовершенство действовавшей до недавнего времени нормативной базы строительства, устанавливавшей явно заниженные нормативные значения сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций. Динамика изменения требуемых сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций жилых и общественных зданий, рассчитанных в соответствии с отечественными строительными нормами разных лет применительно к климатическим условиям г.Саратова, показана в таблице 1 приложения 1. Анализ данных этой таблицы подтверждает существование в период с 1933 по 1996 год неуклонной тенденции на постепенное снижение требований к уровню теплозащиты, а, следовательно, - и к теплотехнической эффективности проектных решений зданий.
Сравнивая показатели, определяющие удельное энергопотребление и норматитвный уровень теплозащиты зданий в различных странах, следует учитывать климатические особенности района строительства. В качестве примера на рис. 1.1 представлены построенные на основании данных [53 и 210] годовые циклы изменения среднемесячной температуры наружного воздуха для двух городов: Саратова (Россия) и Осло (Норвегия). Анализируя этот рисунок, видим, что отопительные периоды сравниваемых городов различаются как по продолжительности, так и по значениям температур наружного воздуха. В частности, климат Осло характеризуется более длительным отопительным периодом, однако пик минимальной среднемесячной температуры наружного воздуха в этом городе имеет более высокое значение по сравнению с Саратовом.
Кроме того, при сравнении уровня энергопотребления в жилом фонде разных стран следует учитывать тот факт, что в ряде случаев национальные нормы расчетных температур внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях могут отличаться друг от друга.
Поэтому для совокупной оценки местных особенностей удобно использовать интегральную характеристику отопительного периода, которая учитывает все перечисленные факторы. Эта характеристика в графической интерпретации представляет собой площадь, заключенную между прямой нормативной температуры внутреннего воздуха отапливаемых помещений и ломаной линией изменения температуры наружного воздуха в районе строительства, по продолжительности отопительного периода. На графике рис. 1.1 интегральные характеристики отопительного периода для Саратова и Осло выделены заливками разного тона.
Однако, сравнение приведенных выше нормативных значений сопротивлений теплопередаче, рассчитанных для Саратовской области на основании действовавших до 1996 года отечественных строительных норм, со среднеевропейскими нормативными показателями, приведенными в таблице 1.1, свидетельствует об обратном, показывая, что в сфере энергосбережения зданий в нашем регионе, как и в целом по стране, имеются значительные резервы.
Саратовская область в данном случае была выбрана для анализа, как одна из областей центральной полосы, имеющая интегральную характеристику отопительного периода, практически не отличающуюся от среднероссийского значения.
С учетом вышеизложенного можно констатировать, что проблема экономии энергии в сфере эксплуатационного энергопотребления за счет улучшения теплотехнических характеристик зданий и сокращения тепловых потерь через ограждающие конструкции является сегодня одной из самых важных и актуальных хозяйственных задач.
Первой попыткой практического решения этой задачи следует считать появление в 1995 году изменений №3 [139], а затем в 1998 году -новой редакции СНиПа "Строительная теплотехника" [211]. Этими документами впервые в нашей стране были установлены нормативные значения сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций по условиям энергосбережения, зависящие непосредственно от интегральной характеристики отопительного периода района строительства.
Практическая реализация новых нормативных значений была предусмотрена в два этапа. Численные значения сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций, установленные новой редакцией СНиПа [211] для климатических условий г.Саратова по первому и второму этапам энергосбережения приведены в таблице 1.2. В этой же таблице для сравнения представлены значения соответствующих показателей, рассчитанные на основании ранее действовавших строительных норм. Анализируя данные таблицы 1.2, на примере г.Саратова видим, что нормативные значения сопротивлений теплопередаче всех ограждающих конструкций на втором этапе энергосбережения, установленном измененной редакцией СНиПа [211] 1998 года, в среднем в 3 раза выше нормативных значений, действовавших до 1996 года и на 20% выше среднеевропейских значений.
Разработка методологических основ оптимизации и оценки экономической целесообразности теплозащиты потребителей тепловой энергии
Сокращение удельного теплопотребления за счет усиления теплозащиты зданий может способствовать достижению существенного экономического эффекта. Однако практическая реализация этого мероприятия в масштабах страны требует значительных капитальных вложений, представляя собой крупномасштабный инвестиционный проект, затрагивающий интересы многих участников.
Главным принципом оценки результирующей экономической эффективности крупномасштабных инвестиционных проектов, широко применяемым в современной международной практике и утвержденным с 1994 года в нашей стране [125], является принцип учета многообразия интересов. Этот принцип заключается в том, что экономически эффективным может считаться только такой проект, который одновременно удовлетворяет интересам всех участников, является экономически целесообразным для каждого из них и не нарушает права лиц, не имеющих прямых финансовых интересов в данном проекте.
Интересы государства, как одного из участников данного инвестиционного проекта, в соответствии с [125], должны оцениваться показателями бюджетной эффективности, определяемыми в результате макроэкономического анализа. Такой анализ по данным [116] был выполнен на основе прогноза структурных изменений энергобаланса России и перспективных планов Госстроя по темпам ввода в эксплуатацию нового жилья. При этом была обоснована необходимость сокращения результирующего удельного энергопотребления вновь строящихся и реконструируемых зданий в размере 20% до 2000 года и 40% после 2000 года.
Полученные цифры были использованы для расчета нормативных сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций по условиям энергосбережения и практически реализованы измененной редакцией СНиПа "Строительная теплотехника" [211] в 1998 году.
Таким образом можно констатировать, что интересы государства, как одного из участников инвестиционного проекта, удовлетворяются при достижении 40-процентной экономии результирующих энергозатрат относительно существующего уровня теплопотребления зданий. При этом поэлементные нормативы сопротивлений теплопередаче, установленные измененной редакцией СНиПа [211], могут рассматриваться, как промежуточные ориентировочные критерии, требующиеся для предварительной оценки возмоншости выполнения условия макроэкономической эффективности на поэлементном уровне. Экспорт энергоносителей является в настоящее время одной из наиболее важных составляющих доходной части государственного бюджета. Поэтому, с точки зрения бюджетной эффективности, совершенно безразлично каким путем может быть достигнута установленная 40-процентная экономия результирующих эксплуатационных энергозатрат, изменяющая структуру топливно-энергетического баланса страны в сторону увеличения экспорта.
Однако, с точки зрения другого участника инвестиционного проекта - непосредственного инвестора, установленный нормативный уровень энергопотребления должен достигаться за счет использования наиболее эффективных и экономически целесообразных инженерных решений, обеспечивающих эффективность инвестиций, не меньшую заданной.
Поэтому для оценки финансовых последствий реализации проекта с учетом интересов инвестора, необходим микроэкономический анализ на уровне отдельного здания, как системы энергопотребления или отдельных элементов этой системы.
В качестве третьего участника, интересы которого также должны быть учтены при реализации данного инвестиционного проекта, следует иметь в виду местный бюджет области или города. Дело в том, что к 1998 году, то есть ко времени введения измененной редакции СНиПа [211], в Саратовской области, как и в большинстве регионов страны, сложилась производственная база строительной индустрии и промышленности местных строительных материалов, полностью обеспечивающая нужды строительного комплекса как по объемам, так и по номенклатуре выпускаемых материалов и изделий в соответствии с нормами ранее действовавшего СНиПа. Вполне понятно, что более чем трехкратное увеличение нормативных сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций, установленное измененной редакцией СНиПа [211], невозможно без крупных инвестиций местного бюджета в реконструкцию базы строительной индустрии региона. Поэтому интересы местного бюджета заключаются в том, чтобы достичь требуемого 40% сокращения результирующего удельного теплопотребления новых зданий при минимальных инвестициях в реконструкцию базы строительной индустрии области.
Интересы лиц, не являющихся прямыми участниками проекта и не имеющих в данном проекте финансовой заинтересованности, определяются главным образом экологическими и социальными последствиями реализации проекта.
Оценивая экологические последствия сокращения удельного теплопотребления зданий, следует констатировать положительное влияние данного инвестиционного проекта на окружающую среду, так как снижение удельных расходов органического топлива на отопление снижает удельные выбросы продуктов сгорания источниками теплоснабжения в зимний период и тем самым оказывает благоприятное воздействие на общую экологическую обстановку, снижая загазованность атмосферы городов.
Таким образом интересы лиц, не являющихся прямыми участниками проекта, заключаются в требовании максимально возможного сокращения удельного теплопотребления зданий. Практическая реализация этого требования должна состоять в том, что из всех равноэкономичных вариантов, удовлетворяющих соображениям экономической целесообразности с точки зрения инвестора, государственного и местного бюджетов, а также требованиям нормативно-технического характера, пожарной и экологической безопасности, следует выбирать тот, в котором величина удельного теплопотребления минимальна.
Теоретическое обоснование нормативов и разработка методологических основ снижения удельного потребления топлива и тепловой энергии на отопление в системах тепло снабжения
Эффективность использования энергии в жилом фонде нашей страны является крайне низкой. Так, по данным [112] среднестатистические удельные теплопотери жилых зданий за отопительный сезон 1975 года оцениваются величиной 200 Гкал на 1 тыс. м (838 МДж/м2), а за отопительный сезон 1990 года - 225 Гкал на 1 тыс. м2 (943 МДж/м2).
По данным [116] средние удельные затраты первичного энергоносителя (топлива) на отопление зданий в системах теплоснабжения за один отопительный сезон в целом по России составляют 55 кг у.т./м (1528 МДж/м ). Примерно такое же значение имеет этот показатель и в Саратовской области [186]. Для сравнения, аналогичные показатели энергопотребления зданий в Германии оцениваются величиной 34 кг у.т./м (944 МДж/м ), а Швеции и Финляндии — величиной 18 кг у.т./м2 (500 МДж/м ).
Перерасход топливно-энергетических ресурсов по сравнению с уровнем энергопотребления, достигнутым в отопительной практике других стран, является следствием проводившейся до недавнего времени политики "дешевых" энергоносителей. В результате этой политики действовавшие ранее строительные нормы предусматривали невысокий уровень теплозащиты зданий, что в сочетании с отсутствием средств регулирования и учета расходов теплоты, низкой эффективностью отопительных котлов малой мощности и автономных источников тепловой энергии, огромными теплопотерями в тепловых сетях централизованного теплоснабжения способствовало существенному завышению расчетного энергопотребления на стадии проектирования и создавало благоприятные условия для практически бесконтрольного использования энергии при эксплуатации.
Приведенные данные свидетельствуют об актуальности проблемы энергосбережения и приводят к пониманию необходимости радикального сокращения удельного потребления топлива и тепловой энергии на отопление зданий в нашей стране.
Введенные в 1995 году изменения № 3 и 4 СНиПа "Строительная теплотехника" [139] увеличили более чем в 3 раза нормативные значения сопротивлений теплопередаче всех ограждающих конструкций и уже привели к созданию новых конструктивных решений зданий с сокращенными показателями удельного потребления тепловой энергии на отопление [108,152].
Однако, несмотря на несомненные достоинства, следует понимать, что указанные изменения, внесенные в действующий СНиП [211], не способны в полной мере реализовать все имеющиеся резервы энергосбережения. Во многих публикациях [107,109,110,111,115] отмечается, что традиционный поэлементный подход к нормированию уровня теплозащиты, использованный в этом документе, не стимулирует принятие наиболее эффективных объемно-планировочных решений, обеспечивающих дополнительное сокращение удельного теплопотребле-ния за счет выбора энергетически целесообразной формы и размеров и здания. Кроме того, при таком подходе отсутствует мотивация для более полного использования теплоты солнечной радиации и бытовых тепловыделений за счет улучшения качества и повышения точности процессов автоматического регулирования и никак не учитывается эффективность систем и источников энергоснабжения.
Реализация всех имеющихся резервов энергосбережения в полной мере может быть осуществлена лишь при использовании системного подхода, предложенного Ю.А.Табунщиковым [229] и В.Н.Богословским [26].
Этот подход, представляющий здание, как один из элементов единой энергетической цепи по выработке, транспортировке и потреблению тепловой энергии позволяет отказаться от поэлементного нормирования уровня теплозащиты, заменив его нормированием по конечному результату, то есть по результирующим удельным затратам первичного энергоносителя (топлива), которые требуются в данной системе для отопления 1 м площади рассматриваемого здания за одни градусосутки отопительного периода.
Различные варианты такого подхода успешно апробированы в Канаде [307], Дании [288], Объединенной Европе [314]. В нашей стране стратегия новой системы нормирования теплозащиты зданий, основанная на определении результирующего показателя удельного расхода тепловой энергии на отопление, разработана под руководством Ю.А.Матросова в НИИ строительной физики (НИИ СФ г.Москва) и изложена в работе [112].
Эта стратегия, разработанная в полном соответствии с основными положениями СНиПа 10-01-94 [212] , впервые предусматривает широкое использование в системе нормативных документов наряду с федеральными СНиПами территориальных строительных норм (ТСН). В территориальных строительных нормах уровень удельного теплопотребления зданий устанавливается с учетом климатических особенностей района строительства, показателей эффективности существующих тепловых сетей и источников энергии, особенностей местной промышленности стройматериалов и базы строительной индустрии региона.
Саратовская область вслед за Москвой [1,273] и Ярославской областью является одним из первых регионов, внедривших на своей территории новую систему нормирования уровня теплозащиты зданий.
Постановлением Правительства Саратовской области №9-П от 16 февраля 2000 года официально приняты и введены в действие территориальные строительные нормы теплозащиты зданий, зарегистрированные Госстроем России в качестве ТСН 23-305-99 Сар О (письмо Госстроя РФ № 9-29/498 от 17.12.99). Этот нормативный документ [239] разработан по заданию Министерства строительства и архитектуры Саратовской области НИИ строительной физики (г. Москва) совместно с Саратовским государственным техническим университетом, институтом "Саратовгражданпроект", ЗАО "Саратовоблжилстрой" и рядом других организаций. Он является обязательным для проектирования новых и реконструкции существующих капитально ремонтируемых зданий на всей территории Саратовской области.
Главной целью разработанного нормативного документа [239] является достижение наибольшего суммарного эффекта энергосбережения в топливно-энергетическом комплексе региона за счет использования эффективных объемно-планировочных, архитектурных и инженерных решений в практике массового жилищного строительства.
Кроме того, при разработке этого документа была поставлена еще одна попутная задача - максимального использования сложившейся материально-технической базы строительной индустрии Саратовской области и минимальных затрат в реконструкцию существующих предприятий строительного комплекса при реализации второго этапа энергосбережения, установленного изменениями №3 и №4 федерального СНиПа П-3-79 .
Основная идея, заложенной в документ концепции энергосбережения заключается в системном подходе, позволяющем перейти от поэлементного нормирования уровня теплозащиты отдельных ограждающих конструкций к нормированию по конечному результату, то есть по затратам первичного энергоносителя (топлива). При этом, в соответствии с основными положениями новой энергетической стратегии нормирования теплозащиты [112], предложено рассматривать здание совместно с системами его обеспечения, внешними сетями и источниками энергии, как единый комплекс, установив нормативные значения результирующих удельных энергозатрат на единицу отапливаемой площади или объёма здания за одни градусосутки отопительного периода.
Следует понимать, что новая стратегия способна дать наибольший энергосберегающий эффект лишь при условии строгого научного обоснования численных значений установленного нормативного показателя.
Разработка теоретических основ оптимальной теплозащиты трубопговодов тепловых сетей
Одним из перспективных направлений решения проблемы энергосбережения в жилищно-коммунальной сфере является усиление теплозащиты зданий, трубопроводов тепловых сетей и других объектов в цепи от потребителя до источника теплоты. При этом наиболее рациональным представляется подход, основанный на расчетном определении оптимальных значений толщины утепляющего слоя рассматриваемого объекта в случае использования для его теплозащиты ряда заданных материалов с последующим отбором для реализации того материала, который в слое оптимальной толщины способен обеспечить достижение глобального минимума дисконтированных затрат.
В контексте вышеизложенного наиболее простой является задача оптимизации сопротивления теплопередаче плоских стенок. Варианты ее решения применительно к ограждающим конструкциям зданий подробно рассмотрены рядом авторов и изложены в литературе [24,32,33,92,94,162].
Иначе обстоит дело с оптимальным сопротивлением теплопередаче цилиндрических стенок. В таких стенках процесс теплопередачи происходит в условиях двухмерного температурного поля, в котором зависимости термического сопротивления от толщины носят логарифмический характер, что значительно усложняет математическую модель и затрудняет аналитическое решение. Поэтому до настоящего времени оптимальные значения сопротивлений теплопередаче цилиндрических стенок определялись в каждом конкретном случае численным расчетом, путем технико-экономического сравнения нескольких вариантов по величине приведенных затрат [24,92], что крайне неудобно с практической точки зрения и не дает представления о характере влияния основных параметров оптимизации на функцию отклика, затрудняя теоретическое обоснование наиболее эффективных решений.
Первая попытка аналитического решения задачи оптимизации теплозащиты цилиндрических поверхностей и стенок трубопроводов была осуществлена в работах [164,184]. В этих работах был предложен принципиальный подход и впервые получено решение в виде безразмерного критериального уравнения характеристической функции. Однако для решения данной задачи была использована упрощенная математическая модель однослойной конструкции, в то время как любая реальная теплоизоляционная конструкция трубопровода является, как правило, многослойной [68]. Такая конструкция помимо основного теплоизоляционного — включает в себя еще и покровный слой, обеспечивающий защиту основного теплоизоляционного слоя от внешних агрессивных воздействий и механических повреждений.
Одной из целей настоящей работы является получение обобщенного аналитического решения задачи оптимизации многослойной тепловой изоляции цилиндрических поверхностей и разработка на его основе методики инженерного расчета теплозащиты трубопроводов тепловых сетей. Принципиальный подход и методика решения поставленной задачи приводятся в данной главе.
Пусть имеется цилиндрическая стенка бесконечной длины с радиусами кривизны внутренней и наружной поверхностей гвн и гн ,м, состоящая из двух основных материальных слоев с коэффициентами теплопроводности A,i , А-2 , Вт/м-С , и покровного слоя бесконечно малой толщины ( 5п/гп 0,05 ) , имеющего термическое сопротивление Rn , м -С/ Вт, как показано на схеме рис.4.1. Один из основных слоев конструктивный, а другой — теплоизоляционный. Требуется определить оптимальную толщину теплоизоляционного слоя, если все параметры конструктивного и покровного слоев известны по условию задачи.
Анализируя рис.4.1, понимаем, что пограничная поверхность с радиусом кривизны г0 одновременно принадлежит как первому, так и второму материальным слоям, поэтому в условиях нашей задачи эту поверхность удобно считать базовой. Все параметры базовой поверхности будем индексировать символом "о".
Эта функция прямо пропорциональна величине дисконтированных затрат в тепловую изоляцию, так как стоимость 1 м3 теплоизоляционного материала - Ст и радиус кривизны базовой поверхности - г0 являются константами, известными по условию каждой конкретной задачи. Кроме того, видим, что характеристическая функция в отрицательной полуплоскости имеет ярко выраженный минимум, ограничивающий область ее значений некоторой минимально возможной величиной безразмерного критерия Ymin.
