БИБЛИОТЕКА «ТЕПЛОПУНКТА»
Учёт и регулирование теплопотребления
В. И. Лачков
(главный специалист НПФ «Теплоком», Санкт-Петербург)
В. К. Недзвецкий
(генеральный директор НПФ «Теплоком», Санкт-Петербург)
Специально для сайта «Теплопункт», 2001 год
Энергосбережение начинается с учета. Эта аксиома особенно актуальна в условиях рыночных отношений, поскольку неформальной мотивацией инвестиций в энергосбережение служит стремление к удельному снижению платежей за энергию. Следовательно, прежде всего, необходимо наличие объективной меры ее фактического потребления, роль которой и выполнят инструментальный учет.
В системах теплоснабжения России исторически сложилось так, что инструментальный учет потребления тепла стал широко внедряться только в последнее десятилетие. При этом оказалось, что приборный учет экономически целесообразен уже сам по себе, поскольку платежи бесприборных потребителей, как правило, весьма существенно завышены по сравнению с фактическим потреблением тепла. Имеются многочисленные примеры, и это ни для кого не секрет, что после оборудования и пуска в эксплуатацию узла учета платежи потребителя за тепло и горячее водоснабжение снижались в 2-3 раза, а срок окупаемости затрат на внедрение составлял 1-2 месяца. Безусловно, имеются и исключения, но основной массе потребителей тепла объективный учет выгоден. И как следствие, возник спрос на приборы учета, который в свою очередь стимулировал вал предложений.
За последнее десятилетие появилось множество отечественных фирм-изготовителей приборов учета, да и иностранные фирмы широко представлены на рынке. В Госреестр средств измерений (СИ) внесено многие десятки различных типов и тепловычислителей, и расходомеров-счетчиков теплоносителей и теплосчетчиков. Для сравнения - в 1990 году в Госреестре СИ не было ни одного теплосчетчика, а понятия "тепловычислитель" - вообще не существовало.
Как видим, имеется современный парк приборов учета, к тому же изготовители обновляют свою продукцию через 2-3 года. Большинство тепловычислителей и теплосчетчиков адаптированы к отечественным системам централизованного водяного теплоснабжения, отличительной особенностью которых является открытый водоразбор из них. Да и в формально закрытых системах имеются существенные непроизводительные утечки, так что требуется контролировать поток теплоносителя и в подающем и в обратном трубопроводе. Для этого контроля широко применяются такие прогрессивные методы, как электромагнитный, вихревой, ультразвуковой и другие. Не забыт и метод переменного перепада давления, который наиболее целесообразно применять на узлах учета крупных потребителей и источниках теплоты. А тепловычислители, помимо учета тепла, предоставляют широкие дополнительные возможности.
Примером здесь может служить ряд тепловычислителей ВКТ и теплосчетчиков ТСК на их базе от петербургской компании "Теплоком". Они являются средствами измерений, сертифицированы в установленном порядке и разрешены к применению Госэнергонадзором. Для учета теплопотребления в полном объеме они наделены дополнительными функциями. Это, прежде всего, контроль и регистрация в электронном архиве (на часовых, суточных и месячных интервалах времени с глубокой ретроспективой) параметров теплоносителя и результатов диагностики функционирования узла учета. Показания текущих и архивных значений параметров обеспечиваются на встроенном табло. С целью документирования результатов измерений к ним может подключаться принтер для печати отчетных ведомостей. Для создания систем мониторинга теплопотребления они позволяют передавать данные через модем, например, в сервисную и теплоснабжающую организацию.
Впрочем, подобные возможности имеют и многие аналогичные изделия других фирм.
На сегодня большинство платежеспособных абонентов уже имеют приборный учет тепла. Администрациями многих городов проведены тендеры по оснащению приборами учета подведомственных бюджетных организаций. Но что же дальше?
Безусловно, еще предстоит оснащение оставшихся потребителей инструментальным учетом. А так же будет проводиться: совершенствование технических характеристик и функциональных возможностей приборов учета и модернизация на их основе действующих узлов учета, совершенствование нормативной и метрологической базы, широкое применение информационных технологий по дистанционному сбору и анализу результатов измерений и т.п. Как говорится: "лучшее - враг хорошего". Но многое уже сделано. Количество должно перерастать в качество, поскольку уже заложен фундамент для продвижения действительно энергосберегающих мероприятий.
Для систем теплопотребления первоочередными могут быть следующие энергосберегающие мероприятия. Улучшение теплоизоляции зданий, особенно оконных проемов. Обеспечение плотности системы, то есть борьба с протечками и непроизводительными (по халатности) утечками. Наладка системы в целом, то есть оптимизация теплопотребления по нагрузкам, по зданиям, по фасадам зданий, по нагревательным приборам и т.п. Эти приемы хорошо известны и, после проведения каждого из них, можно получить весомый экономический эффект. Но эффект, повторимся, абонент ощутит полновесным рублем только при наличии инструментального учета теплопотребления. Впрочем, рачительные хозяева в той или иной степени уже провели или проводят указанные мероприятия.
С нашей точки зрения весьма существенный вклад в энергосбережение может дать внедрение программного (по времени) и погодного регулирования теплопотребления. При этом, не снижая, а часто и улучшая комфортные условия, даже при не глубоком регулировании и по самым скромным оценкам, можно снизить потребление тепла и, следовательно, платежи за него на 20-30%.
В самом деле, зачем нужна температура 18-20 °С в производственных (административных, учебных и т.д.) помещениях в нерабочее время? А доля этого времени ой как велика! Это вечернее и ночное время в будни, выходные и праздничные дни. Здесь вполне допустимо поддерживать температуру 10 °С и ниже, но так чтобы гарантированно не разморозить систему. А за 2-3 часа до начала рабочего времени протопить помещения, увеличив циркуляцию теплоносителя в системе. И рачительные энергетики многих предприятий уже делают это, обязывая дежурный персонал заниматься подобным регулированием "вручную".
Более того, поскольку в России имеются в большинстве системы теплоснабжения с открытым водоразбором, то в помещениях даже у абонентов с закрытой системой теплопотребления в нерабочее время температура еще и повышается. Это происходит из-за увеличения располагаемого напора на тепловом вводе и, следовательно, увеличения циркуляции теплоносителя в системе теплопотребления абонента, ввиду существенного уменьшения нагрузки на горячее водоснабжение. При этом в жилом фонде в ночное время все происходит с точностью до наоборот по отношению к здравому смыслу. Ночью, когда жильцы спят, закутавшись в теплые одеяла, температура в квартире выше, чем днем, когда они бодрствуют.
Теперь несколько слов об эффективности погодного регулирования теплопотребления.
Всем известно, что в межсезонье, когда подача тепла уже начата (еще продолжается), но погода не устойчива (холода сменяются оттепелью и наоборот) очень часто наблюдаются перетопы. И приходится, в отсутствии системы регулирования теплопотребления, создавать приемлемые условия в помещении открытием форточки, то есть выбрасывать тепло (деньги) на ветер.
Перетопы, даже в условиях дороговизны и недостатка топлива, обусловлены многими факторами. Основным из них является то, что в наших системах теплоснабжения заложено так называемое "качественное" централизованное регулирование подачи тепла. То есть регулирование обеспечивается на источнике теплоты путем увеличение (уменьшения) температуры воды в подающем трубопроводе магистрали. Но при колебаниях температуры воды увеличивается (уменьшается) длина трубопровода и это "дыхание" пагубно сказывается на прочности его материала (проржавевшего металла), а отсюда и аварии. Поэтому теплоснабжающая организация старается без особой нужды не дергать температурный график, держа его на приемлемом максимуме.
Если источником теплоты является ТЭЦ, то утилизация пара, вращающего турбины с электрогенератором, обеспечивается путем нагрева воды, затем идущей в систему теплоснабжения. Здесь выработка электроэнергии является основной продукцией и мало зависит от погодных условий. В случае потепления надо либо продолжать гнать в систему теплоснабжения воду с завышенной температурой, либо обеспечивать иную, весьма дорогостоящую, утилизацию тепла водяного пара. Естественно, выбирается первый вариант.
Да и в условиях зимних холодов да многокилометровой магистрали теплоснабжающая организация вынуждена подавать, компенсируя потери тепла в теплотрассе, такую температуру воды, чтобы не заморозить абонентов, присоединенных в конце магистрали. При этом абоненты, находящиеся в начале магистрали, могут испытывать переизбыток тепла. И здесь не всегда можно обойтись прикрытием задвижки на вводе системы теплопотребления.
Думается аргументов в пользу необходимости и предпосылок экономической эффективности регулирования теплопотребления приведено уже достаточно. Остается добавить, что "ручное" регулирование весьма грубо, да и возможны накладки, вызванные так называемым "человеческим фактором". Конечно же, гораздо перспективней применение автоматического регулирования теплопотребления.
Это же подтверждает зарубежный опыт. В странах, где имеется централизованное отопление, и где давно научились экономить, существуют многоконтурные сугубо закрытые системы теплоснабжения. И в каждом контуре: ТЭЦ/город, город/квартал, квартал/здание, здание/отопительный прибор - обеспечивается автоматическое регулирование теплопотребления расходом теплоносителя. И в каждом случае оснащение системами регулирования производилось после либо одновременно с оснащением приборами учета.
Конечно, и в нашем отечестве есть примеры внедрения систем регулирования теплопотребления, особенно в новом строительстве, но они еще не приобрели массового характера. И здесь проблем, возникающих при попытках оснащения регуляторами, очень много и на всех стадиях. Пожалуй, не меньше, чем при внедрении приборного учета. И при проектировании, и при комплектовании, и при монтаже, и при эксплуатации. В том числе, при согласовании проекта в теплоснабжающей организации. Для нее отпуск тепла - товар, а кто ж добровольно пойдет на сокращение реализации этого товара? Надо, не надо бери и плати. Но, в конце концов, все проблемы решаемы.
И так, из чего же выбирать абоненту, при желании оснаститься системой регулирования теплопотребления? Рынок предложений далеко не пуст. Здесь присутствуют и зарубежные и многие отечественные фирмы. Но характерной особенностью предложений, и в этом смысле типовым решением, является необходимость приобретения совершенно отдельной системы регулирования, не зависимой от приборов учета. То есть со своей датчиковой аппаратурой, со своим коммуникационным оборудованием, если необходимо дистанционное вмешательство в процесс регулирования, например, задание уставок на параметры. Эти датчики и оборудование монтируются параллельно соответствующим элементам системы учета.
Специалисты компании "Теплоком" задумались над идеей совмещения функций учета и регулирования теплопотребления в одном средстве. Была проделана большая работа по анализу возможных алгоритмических, аппаратных и программных решений подобного совмещения. Пришли к выводу, что следует оснастить тепловычислитель функциями регулятора. Для реализации этих наработок компанией "Теплоком" разработаны, сертифицированы в установленном порядке и, со средины 2000 года, серийно выпускаются тепловычислители ВКТ-5 и теплосчетчики ТСК5 на их базе.
По основному назначению ВКТ-5 - это мощный универсальный тепловычислитель, обеспечивающий учет по восьми трубопроводам, в каждом из которых может находиться пар или вода и устанавливаться практически любой датчик расхода, в том числе переменного перепада давления. Обслуживаемые трубопроводы могут принадлежать нескольким тепловым вводам, например, для отопления и вентиляции (ОВ) и циркуляционного горячего водоснабжения (ГВС). По трубопроводам, не входящим в состав тепловых вводов, может вестись учет потребления, например, питьевой воды, а также сточных вод.
На рисунке 1 приведен пример комплекта теплосчетчика ТСК5 для одного водяного теплового ввода с электромагнитными датчиками расхода воды типа ПРЭМ-2, также изготавливаемых компанией "Теплоком".
Рис. 1. Комплект ТСК5 для одного теплового ввода с датчиками расхода ПРЭМ-2
Но главное отличие ВКТ-5 от подобного типа изделий других отечественных и зарубежных фирм заключено в том, что впервые в этом тепловычислителе имеется возможность по-годного и программного регулирования теплопотребления. Для этих целей в нем предусмотрены выходные сигналы на регулирующие органы, которые могут быть установлены в двух системах теплопотребления, и реализовано (на выбор) несколько алгоритмов регулирования.
При внедрении совмещенной системы учета и регулирования теплопотребления с применением ВКТ-5, достигается дополнительный экономический эффект по сравнению с типовыми решениями, поскольку существенно снижаются затраты на приобретение и установку оборудования. Во-первых, датчики теплосчетчика и модем, подключаемый к нему, применяются "по совместительству" и для целей регулирования. Во-вторых, не требуется закупка регулятора, как самостоятельного изделия, и дополнительной кабельной продукции для подключения датчиков, модема и регулятора. В-третьих, практически вдвое снижаются затраты на проектирование, согласование, комплектование, проверку, монтаж и сдачу в эксплуатацию по сравнению с двумя раздельными системами учета и регулирования.
Таким образом, например, для реализации погодного регулирования, по существу требуется комплект теплосчетчика дополнить только регулирующим органом и датчиками температуры наружного воздуха и внутри контрольного помещения.
Как видим, преимущества от внедрения совмещенной системы учета и регулирования на лицо. Но это, так сказать, в теории, а, как известно, практика - критерий истины. Для объективности эксперимента компания "Теплоком" обратилась в Комитет по энергетике и инженерному обеспечению Администрации Санкт-Петербурга с просьбой выделить типовые объекты, на которых можно было бы провести проверку алгоритмических, аппаратных и организационных решений, а также эксплуатационные и сравнительные испытания автоматических систем оптимизации теплопотребления (АСОТ) с применением ВКТ-5.
Просьба была удовлетворена. Для этих целей были предоставлены школы № 101, 483, 486 и 488. При этом имелось в виду, что школы 486 и 488, где уже установлены только теплосчетчики, выступят в качестве контрольных объектов без внедрения автоматической системы регулирования теплопотребления.
Следует подчеркнуть высокую вероятность чистоты эксперимента в части погодного регулирования, поскольку школы 483 и 488 имеют один и тот же проект, построены одновременно, являются соседними зданиями и снабжаются теплом от одной и той же магистрали. Аналогичная ситуация - в школах 101 и 486, вид на которые приведен на рисунке 2.
Рис. 2. Вид на школы 101 (слева) и 486 (справа)
В то же время на предоставленных объектах не показательно внедрение программного регулирования ввиду большой тепловой инерционности: постоянная времени больше 8 часов. Это объясняется тем, что отопительные приборы вмонтированы в полы помещений школ. Впрочем, преимущества программного (по времени) регулирования очевидны и без проведения эксперимента.
Предприятием "Теплоучет" в школах 101 и 483 в январе-феврале 2001 г. были установлены автоматические системы оптимизации теплопотребления (АСОТ) с применением ВКТ-5.
Рис. 3. Вид на смонтированный ВКТ-5 в школе 101
Коротко рассмотрим АСОТ при погодном регулировании и результаты ее внедрения в школе 101.
На рисунке 4 приведена функциональная схема теплосчетчика и АСОТ в школе 101. Здесь в подающем трубопроводе системы отопления был установлен регулирующий гидроэлеватор (РГ) производства завода "ЭТОН", вид на который показан на рисунке 5.
Рис. 4. Функциональная схема системы учета и регулирования теплопотребления школы № 101
Рис. 5. Вид на регулирующий гидроэлеватор, установленный в школе № 101
Также были установлены датчики температуры в контрольном помещении (tвп) и температуры наружного воздуха (tнв). Тепловычислитель ВКТ-5 дополнительно измеряет температуры tвп, tнв и реализует алгоритм, разработанный в копании "Теплоком".
В основе этого оригинального алгоритма лежит сравнение измеряемого тепла с его расчетным количеством, необходимым для поддержания температуры внутри помещения tвп в зависимости от температуры наружного воздуха tнв, в результате чего вырабатывается регулирующее ПИД воздействие, поступающее с ВКТ-5 на блок управления (БУ-2) производства компании "Теплоком". Усиленный сигнал с БУ-2 поступает на адаптер и далее на шаговый двигатель РГ, которой передвигает иглу, меняющую проходное сечение сопла РГ, что в свою очередь изменяет его коэффициент смешения и соответственно температуру воды на его выходе.
В ВКТ-5 введены соответствующие настраиваемые уставки, в том числе блокировки:
- понижение температуры в обратном трубопроводе t2 меньше заданной. При этом дается команда на открытие РГ и выхода на расчетный расход;
- повышение температуры в обратном трубопроводе t2 больше заданной. При этом блокируется дальнейшее открытие РГ;
- понижение (повышение) расхода теплоносителя ниже (выше) заданного. При этом блокируется воздействие на РГ.
На рисунке 6 приведены графики изменения среднесуточных температур и расходов теплоносителя при работе АСОТ в школе 101 за март месяц.
Рис. 6. Суточные параметры в школе 101
Из рисунка 6 видно, что:
- расход в обратном трубопроводе отслеживает температуру наружного воздуха tнв;
- температура в обратном трубопроводе t2 в большинстве случаев до 20.03 была ниже предусмотренного температурным графиком, после 20.03, в связи с заданием температуры в контрольном помещении равной 18°С, видно некоторое увеличение t2 из-за перегрева здания. Следовательно, была необоснованно изменена уставка на температуру в помещении.
Примечание. Температура внутри контрольного помещения tвп поддерживалась в пределах 16-18°С. По 20.03 tвп. была задана 16°С, т.к. первоначально температура в контрольном помещении была ниже на 2-3°С, чем в остальных помещениях школы, а с 20.03 задание по просьбе персонала было увеличено до 18°С. На рисунке заметна корреляция tвп с М2, которая объясняется тем, что алгоритм предполагает регулирование по возмущению, а не по отклонению tвп. Вначале апреля в расчетные формулы введена корректировка, которая позволила существенно убрать эту зависимость.
Рассмотрим повнимательнее процесс регулирования при существенных колебаниях температуры наружного воздуха. На рисунке 7 приведены графики часовых значений параметров за три последних дня марта.
Рис. 7. Часовое потребление в школе 101
Из графика изменения М2 на рисунке 7 видно, что процесс регулирования проходил устойчиво, без автоколебаний. При этом температура в помещении поддерживалась на уровне 18-19°С, хотя температура наружного воздуха tнв изменялась от - 7 до + 7°С.
Заметим, что данные результатов измерений, на основании которых построены графики выше (и ниже) приведенных рисунков в отношении школы 101, передавались дистанционно, через модем. При этом применялась компьютерная программа "Кливер Мониторинг Энерджи". Данные хранятся в предприятии "Теплоучет", поскольку оно занимается обслуживанием эксплуатации узла учета и регулирования в школе 101. На основании этих данных был составлен отчет о теплопотреблении за март месяц. Этот отчет передан и утвержден теплоснабжающей организацией.
Теперь о контрольном объекте - школе 486. Здесь ранее предприятием "Водомер" был установлен словацкий теплосчетчик "Unimex". При этом система теплопотребления абсолютно аналогична школе 101, но никакого регулирования не осуществлялось. Как уже показано выше школы 101 и 486 абсолютно аналогичны, являются соседними зданиями и обеспечиваются теплом от одной магистрали.
Результаты сравнения теплопотребления школы 101 (с регулированием) с теплопотреблением школы 486 (без регулирования) приведены на рисунке 8. При этом данные результатов измерений, на основании которых построены сравнительные графики в отношении школы 486, были получены из утвержденного отчета о теплопотреблении этой школы за март месяц.
Рис. 8. Сравнение суточного теплопотребления школ 101 и (контрольный объект) 486
Из рисунка 8 видно, что теплопотребление школы 486 существенно больше, чем в школы 101, хотя они находились в абсолютно равных условиях. При этом в помещениях школы 101 сохранялись более комфортные условия, чем в школе 486, где наблюдался явный перетоп.
Сравнительные данные за апрель показывают аналогичную картину.
Из эксплуатации АСОТ на школе № 101 можно сделать технический вывод:
- АСОТ показала себя работоспособной, даже на объекте с большой инерционностью;
- алгоритм и гидроэлеватор показали высокую устойчивость регулирования;
- режим поддерживался близкий к оптимальному теплопотреблению;
- диапазон регулирования расхода обеспечивался в пределах от 3 до 11 т/ч;
- выполнение функции по регулированию не отражалось на работоспособность ВКТ-5.
Примененный в школе 101 алгоритм рекомендуется устанавливать на одноэлеваторных объектах, имеющих небольшую (до 10%) вентиляционную нагрузку.
Теперь немного об АСОТ и результатах ее внедрения в школе 483.
Функциональная схема системы учета и регулирования, примененная на этом объекте аналогична схеме приведенной на рисунке 3. При этом вместо элеватора был применен регулируемый клапан (РК) с проходным отверстием O 40 с исполнительным механизмом ЕСПА.
Здесь был реализован алгоритм регулирования, разработанный специалистами петербургского военно-инженерного технического университета (ВИТУ). Он базируется на двухпозиционном регулировании расхода в системе (от минимума до расчетного значения) для поддержания в заданном диапазоне температуры внутри помещения. Также были установлены датчики температуры наружного воздуха (tнв) и температуры внутри помещения (tвп).
ВКТ-5 дополнительно измеряет температуру tвн и при достижении ей минимального заданного значения, вырабатывает воздействие на открытие РК (возможно применение любого подходящего по проходному сечению). С ВКТ-5 сигнал поступает на блок управления БУ-2, с помощью которого он усиливается. Сигнал с БУ-2 непосредственно управляет двигателем РК, который открывается до положения ограниченного концевым выключателем. При повышении температуры tвп выше заданной, ВКТ-5 вырабатывает сигнал на закрытие РК до положения концевого выключателя определяющего минимальный расход теплоносителя.
Теперь о контрольном объекте - школе 488. Здесь ранее предприятием "Водомер" был установлен словацкий теплосчетчик "Unimex". При этом, как уже показано выше, школы 483 и 488 абсолютно аналогичны, являются соседними зданиями с одинаковыми системами теплопотребления и обеспечиваются теплом от одной магистрали.
Результаты сравнения теплопотребления школы 483 (с регулированием) с теплопотреблением школы 488 (без регулирования) приведены на рисунке 9. При этом данные результатов измерений, на основании которых построены графики были получены, как описано выше.
Рис. 9. Сравнение суточного теплопотребления школ 483 и (контрольный объект) 488
Из рисунка 9 видно, что теплопотребление школы 483 существенно больше, чем в школы 488, хотя они находились в абсолютно равных условиях. При этом в помещениях школы 483 сохранялись более комфортные условия, чем в шкоСравнительные данные за апрель показывают аналогичную картину.ле 488, где наблюдался явный перетоп.
Из эксплуатации АСОТ на школе № 483 можно сделать технический вывод:
- работала устойчиво при значительных изменениях tнв;
- выдерживала заданное регулирование расхода;
- выполнение функции регулирования не влияло на работу теплосчетчика.
Достоинством данного решения является простота и низкая стоимость АСОТ и широкий диапазон регулирования расхода теплоносителя. К недостаткам данного варианта можно отнести необходимость значительного циклического изменения расхода в системе отопления.
Экономический эффект от внедрения АСОТ, рассчитанный только за 1 месяц как разность между теплопотреблением контрольного объекта и объекта с работающей системой регулирования на базе тепловычислителя ВКТ-5, приведен в таблице.
| Школа | Адрес | Потребление, Гкал | Экономический эффект | |
| Гкал (%) | руб. (189,07 руб/Гкал) | |||
| 101 | ул.Сикейроса, 17-1 | 112,71 | 79,43 (41%) | 15 018 |
| 486 | ул.Сикейроса, 19-1 | 192,14 | ||
| 483 | ул.Шостаковича, 3-2 | 137,33 | 27,52 (17%) | 5 203 |
| 488 | пр.Просвещения, 32-4 | 164,85 | ||
Из таблицы видно, что школы, оснащенные АСОТ, потребили тепла меньше на 41 и 17% соответственно. Разницу в эффекте между вариантами применения АСОТ можно объяснить тем, что в контрольном объекте (школе 486) по сравнению с другим контрольным объектом (школа 488) хуже налажена система отопления. Отсюда можно сделать общий вывод. Внедрение автоматизированной системы оптимизации теплопотребления весьма эффективно. Еще больший эффект может быть достигнут при совмещении погодного и программного (по времени) регулирования теплопотребления.
При неустойчивой погоде, например, в условиях Санкт-Петербурга, эффективность только погодного регулирования может наблюдаться в течение всего отопительного сезона. Срок окупаемости затрат на модернизацию существующей системы учета с целью реализаций функций регулирования может составлять от 2-3 до 6 месяцев. Срок окупаемости затрат на внедрение с нуля совмещенной системы учета и регулирования теплопотребления может быть даже меньше вышеуказанного времени.
