ОАО «ВНИИСТ», г. Москва
Энергоэффективность тепловых сетей бесканальной прокладки
В.Б. Ковалевский,
заведующий лабораторией
теплоизоляции и неорганических покрытий
В своей статье «Россия, вперед!» Президент РФ Д.А. Медведев недавно определил пять стратегических векторов экономической модернизации нашей страны. И самым первым вектором была названа необходимость стать «одной из лидирующих стран по эффективности производства, транспортировки и использования энергии».
В то же время Президент России отмечает: «Энергоэффективность и производительность труда большинства наших предприятий позорно низки. Но это полбеды. Беда в том, что, похоже, это не очень волнует владельцев, директоров, главных инженеров и чиновников».
Все сказанное выше в полной мере относится к теплоснабжению. Являясь пионером в области теплофикации и централизованного теплоснабжения (ЦТ) и обладая самой крупной в мире системой тепловых сетей, Россия существенно отстала от стран-лидеров в техническом уровне прокладки трубопроводов теплоснабжения. Потери тепловой энергии в системах ЦТ в несколько раз превышают аналогичный показатель в передовых странах Западной Европы, т.к. преобладающим способом обустройства тепловых сетей в России в течение длительного времени являлась подземная прокладка в непроходных каналах с минераловатной изоляцией (до 80%). Бесканальная прокладка, выполненная из конструкций заводского изготовления с использованием теплоизоляции из пенополиуретана (ППУ) в полиэтиленовой оболочке типа «труба в трубе», начала применяться в России свыше 25 лет назад, но к настоящему времени масштабы ее применения существенно ниже потребности и возможностей производителей такой продукции в нашей стране. Являясь в настоящее время, безусловно, одной из наилучших конструкций для тепловых сетей, теплоизоляция из ППУ в защитных оболочках разного типа для надземной и бесканальной подземной прокладки должна в наибольшей степени реализовать свои преимущества в различных регионах, повышая энергоэффективность теплоснабжения.
Линейные тепловые потери трубопроводов бесканальной подземной прокладки в ППУ изоляции
В настоящее время в России создана промышленная и законодательная база для широкого внедрения труб с ППУ изоляцией типа «труба в трубе» в практику строительства и капитального ремонта теплопроводов. Однако созданная нормативно-техническая документация (НТД) не в полной мере отражает особенности различных регионов России. Не указано в ней и на необходимость периодического обновления НТД, без которого невозможно вырваться из разряда «догоняющих». Ну и, конечно же, следует контролировать выполнение требований НТД, ориентируясь на передовые технические решения и правила их оптимизации с учетом специфики регионов.
В НТД для тепловых сетей бесканальной прокладки линейные тепловые потери трубопровода нормируются. В СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» приведены «Нормы плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной бесканальной прокладке и продолжительности работы в год более 5000 ч», а также нормы для продолжительности работы в год 5000 ч и менее. Таким образом, в СНиП предусмотрены различные нормы тепловых потерь для разных климатических зон.
Как известно, линейные тепловые потери трубопровода тепловых сетей бесканальной подземной прокладки определяются разностью температур теплоносителя и окружающего трубопровод грунта, а также линейным термическим сопротивлением трубопровода. В основу разработки норм линейных тепловых потерь положено решение технико-экономической задачи получения минимума суммарных приведенных затрат на теплоизоляцию трубопроводов и стоимости тепловой энергии, потерянной в теплосети при транспорте теплоты. При этом очевидно, что с ростом толщины тепловой изоляции снижаются тепловые потери в теплосетях, а оптимальное соотношение приведенных затрат зависит от цены на тепловую энергию в данном регионе и стоимости теплоизоляционных материалов. Естественно, что в различных регионах в условиях рыночной экономики цены как на тепловую энергию, так и на теплоизоляционные материалы могут существенно отличаться. И это не обязательно связано с климатической зоной региона.
Использование эффективных теплоизоляционных материалов существенно влияет на нормы тепловых потерь в тепловых сетях, т.е. на энергоэффективность тепловых сетей. Небезынтересно вспомнить, что появление и применение для бесканальной прокладки теплосетей пенополиуретана в качестве теплоизоляции привело к снижению норм тепловых потерь по сравнению с ар- мопенобетоном в СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»:
¦ для труб с условным проходом 25-65 мм на 50%;
¦ для труб с условным проходом 80-150 мм на 40%;
¦ для труб с условным проходом 200-300 мм на 30%;
¦ для труб с условным проходом 350-500 мм на 20%.
На рис. 1 приведено сравнение норм плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей со среднегодовой температурой теплоносителя 90/50 ОС (что соответствует температурному графику 150/70 ОС, наиболее широко применяющемуся на территории России) при подземной бесканальной прокладке и продолжительности работы в год 5000 ч и менее. Здесь следует отметить, что эти нормы тепловых потерь разрабатывались еще в СССР, когда стоимость 1 Гкал тепловой энергии была достаточно низкой.
На рис. 2 приведено сравнение нормативных тепловых потерь для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной бесканальной прокладке и продолжительности работы в год 5000 ч и менее, приведенных в СНиП 2.04.14-88 и в СНиП 41-03-2003. Судя по этому графику, практически никаких изменений за прошедшее время в расчетах по определению нормативных тепловых потерь для данных условий прокладки тепловых сетей не произошло. Однако, следует заметить, что к моменту выхода СНиП 41-03-2003 уже действовал ГОСТ 30732-2001 «Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке. Технические условия», в котором была указана толщина тепловой изоляции из ППУ для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной бесканальной прокладке. Эта толщина теплоизоляции на трубах обеспечивала существенно более низкие тепловые потери в теплосетях по сравнению с нормативными величинами тепловых потерь, приведенными в СНиП 41-03-2003 (рис. 3).
На рис. 3 приведены расчетные значения оптимальной линейной плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной бесканальной прокладке и продолжительности работы в год 5000 ч и менее, рассчитанные по ценам 2001 г. московского региона на тепловую изоляцию и тепловую энергию.
На этом же графике приведены и расчетные значения тепловых потерь при использовании в теплосетях труб, теплоизолированных по ГОСТ 30732-2001, а также, для сравнения, нормативные значения тепловых потерь по СНиП 41-03-2003. Здесь следует отметить, что при разработке ГОСТа 30732-2001 ставилась задача гармонизировать этот документ с действовавшими в то время Европейскими нормами (EN), а также учитывать то, что большинство отечественных производителей полиэтиленовых оболочек использовали импортное оборудование с размерным рядом, соответствующим EN 253. Поэтому расчетные значения тепловых потерь, которые были получены при использовании характеристик труб, рассчитанных для Западной Европы, оказались выше оптимальных тепловых потерь для регионов европейской части России.
Тем не менее, как видно из рис. 3, использование в тепловых сетях труб, теплоизолированных по ГОСТ 30732-2001, существенно повышает энергоэффективность тепловых сетей по сравнению с нормами, приведенными в СНиП 41-03-2003. Однако толщина теплоизоляции, принятая в ГОСТ 30732-2001, не является оптимальной, т.е. рассчитанной с учетом климатических и ценовых характеристик различных регионов России. Так, например, для московского региона оптимальная толщина тепловой изоляции на трубах тепловых сетей должна быть несколько больше, чем толщина тепловой изоляции, принятая в ГОСТ 30732-2001.
С изменением цен на теплоизоляционные материалы, применяемые в конструкции теплоизолированных труб, и ростом цен на тепловую энергию могут изменяться расчетные значения оптимальных величин нормативных тепловых потерь в теплосетях.
На рис. 4 приведены значения оптимальной линейной плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной бесканальной прокладке и продолжительности работы 5000 ч в год, рассчитанные по ценам 2001 г. и 2009 г. для московского региона.
Как видно из рис. 4, опережающий рост цен на тепловую энергию по сравнению с ростом цен на теплоизоляционные материалы в течение 20012009 гг привел к снижению оптимальных расчетных тепловых потерь в тепловых сетях бесканальной прокладки. Таким образом, из-за преимущественного роста цен на энергоносители, требования к энергоэффективности тепловых сетей возрастают и, очевидно, будут повышаться и в дальнейшем. Поэтому следует периодически пересматривать нормативные документы, в которых приводятся технические характеристики, влияющие на энергоэффективность тепловых сетей. К сожалению, в ГОСТ 30732-2006 приведены те же значения рекомендуемой толщины теплоизоляции для теплосетей бесканальной прокладки, что и в ГОСТ 30732-2001, хотя толщина ПЭ оболочек на трубах стала несколько ниже.
В более южных районах региона с меньшим числом часов работы тепловых сетей в год оптимальные тепловые потери будут несколько выше. На рис. 5 приведены значения оптимальных расчетных тепловых потерь в тепловых сетях бесканальной прокладки для районов с числом часов работы тепловых сетей 3600 и 5000 ч.
Значениям тепловых потерь, приведенным на рис. 5, в теплосетях бесканальной прокладки соответствуют значения толщин тепловой изоляции из ППУ, приведенные на рис. 6. На этом же графике сопоставляются нормативные толщины тепловой изоляции, непосредственно приведенные в ГОСТ 30732-2006 «Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой. Технические условия». В этом ГОСТе указывается, что выпускаемые трубы и фасонные изделия с полиэтиленовой оболочкой могут быть двух типов: тип 1 - стандартный, тип 2 - усиленный. В приложении «Б» ГОСТа приведены рекомендации по применению изолированных труб типа 1 и типа 2 в зависимости от климатических районов строительства тепловых сетей, а именно: Европейский район (Юг, Центр, Север); Урал; Западная Сибирь; Восточная Сибирь; Восточная Сибирь (Юг, Центр); Дальний Восток. Кроме того, на рис. 6 приведена рекомендуемая толщина теплоизоляции из СП 41-103-2000 «Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов».
Как видно из приведенного сравнения, в сложившейся к настоящему времени ситуации, повышение эффективности тепловой изоляции теплосетей бесканальной прокладки экономически оправдано за счет увеличения толщины тепловой изоляции. Особенно это относится к трубопроводам малых и средних диаметров. Нормативные значения тепловых потерь для теплосетей бесканальной прокладки, приведенные в СНиП 41-03-2003, не могут отражать современное реально существующее положение в области проектирования и строительства тепловых сетей и в настоящее время являются тормозом на пути повышения энергоэффективности трубопроводных систем транспорта тепловой энергии. Разумеется, для разных регионов оптимальные нормативные тепловые потери в теплосетях бесканальной прокладки могут быть различными из-за различного соотношения цен на тепловую энергию и теплоизоляционные материалы даже при похожих климатических условиях. Поэтому для расчета толщины теплоизоляции в данном регионе следует выполнять оптимизационные технико-экономические расчеты, как этого требует СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети», а не слепо ориентироваться на толщину теплоизоляции, рекомендованную для громадных территорий в обеих редакциях ГОСТ 30732 и СП 41-103-2000, из-за указанных выше причин. Здесь следует еще раз напомнить о необходимости периодического пересмотра нормативных документов и использовании в этих документах согласованных между собой технических решений и требований.
Энергоэффективность транспортировки тепловой энергии по теплопроводам зависит и от соотношения диаметра трубопровода и его длины. Поскольку тепловая мощность, транспортируемая по трубопроводу при одних и тех же температурных и скоростных параметрах с уменьшением диаметра трубопровода, уменьшается пропорционально квадрату диаметра, а удельные тепловые потери с поверхности трубопровода - пропорционально диаметру трубопровода в первой степени, то эффективность тепловых сетей малого диаметра существенно ниже, чем теплосетей больших диаметров. Так, если при оптимальных расчетных тепловых потерях, приведенных выше, в теплосети диаметром 530 мм при скорости течения воды 1 м/с и разности температур в прямой и обратной трубе 40 ОС теряется около 0,2% транспортируемой тепловой энергии на 1 км трассы, то в теплосети диаметром 159 мм с такими же характеристиками течения теплоносителя теряется ~1,1% на 1 км, а в теплосети диаметром 57 мм - уже ~5,8%.
Если в расчетах тепловой изоляции ориентироваться на нормативные значения тепловых потерь, приведенных в СНиП 41-03-2003, то для приведенного режима на 1 км трассы с теплоизоляцией из ППУ потери при транспортировке теплоты будут соответственно 0,63% - при диаметре труб 530 мм, 2,8% - при диаметре 159 мм и 12,3% - при диаметре 57 мм. Поэтому большое значение при проектировании теплосетей должно уделяться и эффективному подбору соотношения длины и диаметра теплопровода даже в случае применения оптимальных параметров теплоизоляции.