Эффективность использования первичной энергии при энергоснабжении жилого фонда города и влияние на нее изменения энергетической эффективности зданий, в том числе за счет применения теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ)
Г. П. Васильев,
Руководитель Центра энергосбережения и эффективного
использования нетрадиционных источников энергии в строительном
комплексе ГУП «НИИМосстрой», научный руководитель
группы инновационных компаний «ИНСОЛАР»
М.И. Попов
Руководитель направления энергоаудита ПТНИЦ ОАО 26 ЦНИИ
Одним из серьезных недостатков действующей сегодня нормативно-технической базы энергосбережения является оценка энергетической эффективности зданий и оборудования по расходу конечной энергии у потребителя. Такой подход не позволяет оценить действительную энергетическую эффективность зданий и оборудования, поскольку не дает информации о количестве первичной энергии, потребляемой энергосистемой города. Гипотетически можно представить ситуацию, при которой мы за счет энергосберегающих мероприятий существенно сократили, или снизили до нуля потребление зданием тепловой энергии. Однако в этом случае мы будем вынуждены «сбрасывать» в градирни тепловую энергию, сопровождающую выработку электрической энергии, необходимой для бытовых нужд, освещения города, транспорта, промышленности и пр. В итоге, несмотря на значительное сокращение потребления тепловой энергии зданиями, расход первичной энергии в энергосистеме города может практически не измениться и значительные капвложения будут фактически выброшены «на ветер». Таким образом, эффективность использования первичной энергии является единственным объективным критерием оценки энергетической эффективности. В России нормирование удельного суммарного расхода зданием первичной энергии впервые вводится с 1 января 2013 года постановлением Правительства России №18 от 25 января 2011 года «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов».
Эффективность использования первичной энергии при энергоснабжении жилого фонда города и влияние на нее различных энергосберегающих мероприятий. Для этого, прежде всего, нужно знать объемы и структуру фактического потребления жилыми домами конечной энергии.
На данный момент среднее по городу удельное энергопотребление жилого фонда города на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение составляет около 300 кВтч/кв.м в год и электрической энергии около 40 кВтч на кв. м в год, данных по фактической структуре энергопотребления жилого фонда города сегодня нет. Для решения этой задачи и определения структуры фактического энергопотребления жилого фонда были проведены экспериментальные исследования структуры энергопотребления эксплуатируемых жилых домов типовой серии 111-355. МО. Исследуемые дома расположены в городе Балашиха, в мкр. Гагарина, дома №№ 19,21,24. Выбор этих домов в качестве объектов исследований обусловлен близостью их энергопотребления к средним значениям по жилому фонду г. Москвы. Дома – 16 этажные, панельные, многосекционные, оборудованы электроплитами, средняя плотность заселенности составляет 19,2 м2/чел. Исследования проводились в период с 1.05.09 по 26.04.11 г.г..
Электропотребление.
Для измерения объемов потребления электрической энергии использовались стационарные электросчетчики коммерческого учета. Регистрация потребляемой электроэнергии производилась с 1.05.09 по 30.11.10 раздельно для общедомовых (лифтовое хозяйство и общедомовое освещение) и бытовых приборов -квартир.
Электропотребление бытовыми приборами в квартирах.
На рисунке 1 представлен график изменения в течение годаза сутки удельного потребления электрической энергии бытовыми приборами в квартирах. Из графика видно, что в зимний период превышение удельного электропотребления квартир над среднегодовым достигает 23%, а в летний период, наоборот, существенно меньше среднегодового (до 21%). В итоге, фактическое удельное годовое потребление электрической энергии квартирами за период измерений составило 47,67 кВтчас/м2 год. Эта цифра в согласуется с нормируемыми значениями удельного электропотребления..
Некоторое повышение потребления электроэнергии в квартирах наблюдалось в выходные и праздничные дни, а также в периоды отключения горячего водоснабжения и задержки начала отопительного сезона.
Рис. 1. Изменение среднего за сутки удельного потребления электрической энергии бытовыми приборами в квартирах исследуемых домов
Анализ годового потребления электроэнергии квартирами исследуемых домов показал, что для летних, каникулярных месяцев характерно более равномерное потребление электроэнергии в течение суток и фактическое отсутствие утреннего пика потребления, а также менее выражен вечерний пик электропотребления. С окончанием сезона отпусков, с сентября месяца происходит перераспределение потребления электроэнергии, появляется утренний пик потребления. Дневное потребление достаточно равномерно, потребление объемов электроэнергии в вечерние часы возрастает с уменьшением продолжительности пика. В ноябре утреннее потребление существенно не меняется, а дневное потребление плавно возрастает с 9:00 до 17:00.Это связано с уменьшением продолжительности светлого времени суток, в вечернее время увеличивается продолжительность вечернего пика потребления. В ночные часы выявлен рост потребления до 40% в зимние месяцы относительно летних месяцев. Возможно, это связано с использованием электроотопительных приборов.
Исследования выявили существенную зависимость электропотребления квартир в зависимости от дней недели. В будние дни расход электроэнергии имеет четко выраженный характер потребления в зависимости от времени суток. В выходные и праздничные дни в потребление электроэнергии более равномерно, но суммарный расход электроэнергии увеличивается.
Электропотребление общедомовыми потребителями.
Учитывая, тот факт, что удельное электропотребление общедомового электрооборудования с 2011 года по московским нормам входит в состав нормируемого суммарного удельного энергопотребления жилых зданий остановимся подробнее на результатах исследований, касающихся общедомового электропотребления.
Исследования электропотребления общедомовых потребителей проводились в период с 27.04.09 г. по 27.04.10 г.. Регистрация потребления электроэнергии осуществлялась стационарными электросчетчиками коммерческого учета с интервалом записи значений фактического электропотребления в 1 час. Исследования показали, что годовое изменение электропотребления общедомовыми потребителями имеет тенденцию изменения аналогичную электропотреблению квартир, но сравнению с потреблением электроэнергии бытовыми потребителями, изменение электропотребления общедомовыми потребителями по месяцам незначительны.
Удельное потребление электроэнергии общедомовыми потребителями исследуемых зданий за время исследований составило 9,7 кВт*час/м2 площади квартир в год. При этом потребление электроэнергии общедомовыми потребителями в утренний пик- с 7 до 10 часов составило 17%, а в вечерний пик с 17 - 21 часов- 23% от общего потребления в течение суток.
В ходе исследования были получены характерные суточные графики удельного потребления электроэнергии общедомовыми потребителями. Полученные графики представлены на Рисунках 2,3 и 4. Графики электропотребления общедомового электрооборудования не учитывают электропотребления циркуляционных насосов систем отопления, горячего и холодного водоснабжения, установленных в ЦТП. Кроме того, было установлено, что потребление электроэнергии на общедомовые нужды составляет около 20% от потребления бытовыми потребителями в квартирах.
Рис. 2. Изменение удельного электропотребления лифтовым хозяйством в течение суток (приведено к площади квартир)
Рис. 4 Изменение суммарного удельного электропотребления общедомовыми потребителями в течение суток (приведено к площади квартир)
Потребление тепловой энергии.
Теплоснабжение исследуемых зданий осуществляется от районной котельной. Тепловая сеть 4-х трубная, находится в удовлетворительном техническом состоянии. Регулирование отпуска теплоты (центральное качественное по температурному графику) осуществляется на котельной и ЦТП. Расчетная температура наружного воздуха равна -280С. Здания оснащены приборами коммерческого учета тепловой энергии.
Потребление теплоты на отопление и вентиляцию.
Определение фактического расхода теплоты на нужды отопления и вентиляции проводилось на тех же жилых домах в г. Балашихе. Дома №19 и №21 имеют одинаковую ориентацию по сторонам света, однотипные системы отопления и их теплоснабжение осуществляется от одного источника теплоты ЦТП №3. Площадь квартир дома №19 составляет 8021 м2, а дома №21 -7918 м2.
Удельное фактическое потребление тепловой энергии, зарегистрированное за период исследований с 31.10.09 ---- 21.11.10 составило 163,5 кВт*час/м2 площади квартир в год, что после приведения к нормативным климатическим условиям (средней температуре отопительного сезона -3,1оС) составит…168,56 кВт*час/м2 площади квартир в год.
Потребление теплоты на горячее водоснабжение.
Фактический расход горячей воды фиксировался приборами коммерческого учета, регистрирующими температуру, расход теплоносителя в подающей и обратной линии. В доме №19 проживает 419 человек, а в доме 21 - 411 человек.
По результатам исследований было получено осредненное удельное годовое потребление тепловой энергии на нужды ГВС равное 122,4 кВт*час/м2 площади квартир в год.
В итоге, в результате описанных экспериментальных исследований была получена следующая структура удельного энергопотребления исследованных жилых домов, которую для дальнейших расчетов можно принять за структуру среднего энергопотребления жилого фонда города:
суммарное удельное энергопотребление-350,5 кВт*час/кв. м площади квартир в год, в том числе:
- 13,6% -электропотребление квартир;
-2,8%- электропотребление общедомового электрооборудования (без учета циркуляционных насосов систем отопления, ГВС и повысительных насосов ХВС;
-48,6% - затраты тепловой энергии на отопление и вентиляцию;
-35,0% -затраты тепловой энергии на горячее водоснабжение.
Анализ потребления теплоты на нужды отопления и горячего водоснабжения в комплексе с потреблением электроэнергии показал, взаимосвязь потребления электроэнергии и работы систем отопления и ГВС. Отключение горячего водоснабжения повышает потребление электроэнергии на 26%, а задержка включения системы отопления на 20%. На основании данных наблюдений предложении система уравнение описывающая потребление ресурсов жилым зданием.
Где F - общая жилая площадь здания м2.
К - коэффициент отношения расчетной разности температур (внутреннего и наружного воздуха) и текущей разности температур (внутреннего и наружного воздуха)
- удельный показатель.
Вернемся к эффективности использования первичной энергии при энергоснабжении жилого фонда города. Сегодня, при оценке энергетической эффективности зданий и их инженерного оборудования, мы не учитываем того обстоятельства, что коэффициент полезного действия энергетических установок всегда меньше 100%, т.е. при преобразовании топлива в тепловую и электрическую энергию мы теряем существенную часть получаемой при его сжигании теплоты. Кроме того, при добыче топлива, его транспортировке потребителю, его подготовке или переработке мы должны также расходовать энергию.
Учесть эти обстоятельства при анализе энергопотребления зданием позволяет понятие расхода первичной энергии и введение его единицы – 1 тонны первичного условного топлива. Что дает эта единица измерения?
Представим себе, что мы рассматриваем энергопотребление конкретного здания, или микрорайона. Нам известно количество использованной электрической энергии, тепловой энергии в виде пара или горячей воды, поступающих в микрорайон от внешних источников тепло и электроснабжения, а также количество различных видов топлива, сжигаемых в газовых или дизельных котельных (например, крышных) непосредственно в зданиях. Путем перевода всех составляющих энергопотребления микрорайона в первичное условное топливо, мы можем определить фактические затраты топлива для обеспечения жизнедеятельности микрорайона. Мы можем сопоставить фактические энергетические затраты зданий и объектов инфраструктуры, имеющих различные источники энергоснабжения и различную структуры потребления энергии.
Для оценки эффективности использования первичной энергии в жилом фонде города и влияния на нее показателей энергетической эффективности зданий была использована разработанная в группе инновационных компаний «ИНСОЛАР» математическая модель энергосистемы города. В таблице 1 приведены основные исходные данные, использованные для проведения расчетов по этой модели. Расчеты проводились для двух технологий комбинированной выработки тепла и электроэнергии: первая- существующая сегодня с КПД по электричеству 0,32, вторая- парогазовая технология – с КПД-0,5.
Таблица 1
Основные исходные данные, использованные для расчетов по оценке эффективности использования первичной энергии в жилом фонде города
|
Жилой фонд , кв.м |
219000000 |
|||||
|
КПД выработки электроэнергии на ТЭЦ, доли ед |
0.3-0.5 |
|||||
|
Годовые параметры |
Потребление тепловой энергии , тыс. МВтч/год |
Потребление электрической энергии, тыс. МВтч/год |
Потери тепловой энергии на ГВС, тыс. МВтч/год |
Потребление тепловой энергии на ГВС, тыс. МВтч/год |
Потери тепловой энергии на ОВ, тыс МВтч/год |
Потребление тепловой энергии на ОВ, тыс. МВтч/год |
|
Потребление жилым фондом |
61627 |
8800 |
1509.9 |
20059.9 |
4005.8 |
35691.8 |
Результаты расчетов приведены на рисунках 5- 11, а на рисунке 12 сводка результатов расчетов. На рисунке 13 представлена сводка результатов расчетов при увеличении годового потребления электроэнергии жилым фондом города в два раза за счет оснащения жилья системами кондиционирования.
Как видно из представленных на рисунках графиков, в балансе первичной энергии города кроме потребителей тепловой и электрической энергии участвует генераторы тепловой энергии (районные тепловые станции и котельные, сжигающие первичное топливо) и градирни, обеспечивающие согласование графиков тепловой и электрической нагрузок с возможностями энергогенерирующего оборудования.
Весьма существенное влияние на количественные показатели энергобаланса первичной энергии города оказывает эффективность выработки электроэнергии на ТЭЦ. Представленные на рисунках 5 и 6 графики соответствуют сегодняшней эффективности ТЭЦ с электрическим КПД =0.32, а на рисунках 7 и 8 –КПД – 0,5. При этом качественная картина влияния экономии энергии на ОВ и ГВС на эффективность использования первичной энергии в энергосистеме города практически не меняется.
Рисунок 6. Зависимость энергобаланса жилого фонда от экономии затрат энергии на отопление и вентиляцию (ОВ). Электрический КПД ТЭЦ=0.3, при этом на экономию тепловой энергии на ОВ затрачивается электрическая энергия в размере 0% от экономии.
Рисунок 7. Зависимость энергобаланса жилого фонда от экономии затрат энергии на горячее водоснабжение (ГВС). Электрический КПД ТЭЦ=0.3, при этом на экономию тепловой энергии на ГВС затрачивается электрическая энергия в размере 0% от экономии
Рисунок 8. Зависимость энергобаланса жилого фонда от экономии затрат энергии на отопление и вентиляцию (ОВ). Электрический КПД ТЭЦ=0.5, при этом на экономию тепловой энергии на ОВ затрачивается электрическая энергия в размере 0% от экономии
Рисунок 9. Зависимость энергобаланса жилого фонда от экономии затрат энергии на горячее водоснабжение (ГВС). Электрический КПД ТЭЦ=0.5, при этом на экономию тепловой энергии на ГВС затрачивается электрическая энергия в размере 0% от экономии
Похожая картина наблюдается для КПД когенерации энергии на ТЭЦ равном 0,5 при экономии тепловой энергии на отопление и вентиляцию (ОВ) горячее водоснабжение (ГВС), на которую затрачивается электрическая энергия в размере 30% от экономии (см. Рисунки 9 и 9), например, при использовании теплонасосных систем теплоснабжения. Здесь мы уже наблюдаем более значительные сокращения затрат первичной энергии и объемов дополнительного сжигания первичного топлива на РТС и в котельных.
Рисунок 10. Зависимость энергобаланса жилого фонда от экономии затрат энергии на отопление и вентиляцию (ОВ). Электрический КПД ТЭЦ=0.5, при этом на экономию тепловой энергии на ОВ затрачивается электрическая энергия в размере 30% от экономии
Рисунок11. Зависимость энергобаланса жилого фонда от экономии затрат энергии на горячее водоснабжение (ГВС). Электрический КПД ТЭЦ=0.5, при этом на экономию тепловой энергии на ГВС затрачивается электрическая энергия в размере 30% от экономии
Как видно из графиков на рисунке 10 экономия энергии на ГВС при использовании для этих целей тепловых насосов приводит к существенному сокращению дополнительного прямого сжигания органического топлива на территории города, а соответственно, к определенному экологическому эффекту, но увеличивает сброс тепловой энергии через градирни. Более эффективным представляется применение ГВС на базе гибридных теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) с аккумулированием тепловой энергии при работе ТСТ в ночное время, когда город вынужден вырабатывать электроэнергию фактически при отсутствии нагрузки. В этом случае мы получим снижение затрат первичной энергии при незначительном повышении сброса тепловой энергии через градирни ТЭЦ, но практически не повлияем на объем дополнительно сжигаемого топлива на РТС и котельных.
Представленные результаты моделирования энергетического баланса жилого фонда Москвы в зависимости от экономии энергии на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение показывают, что снижение затрат первичной энергии в системе энергоснабжения города является весьма сложной задачей и их зависимость (затрат п.э.) от экономии энергии в зданиях не является очевидной и требует обязательного учета при разработке политики энергосбережения в городе. Здесь необходимо отметить, что в расчетах не учитывались потери первичной энергии, связанные с работой электрогенерирующего оборудования на «холостом» ходу в период ночных провалов электрической нагрузки города, а также сброс избытков тепловой энергии через градирни в переходные и летний периоды года. Расчеты показали, что темпы снижения затрат первичной энергии в энергосистеме города существенно отстают от темпов экономии конечной энергии в зданиях. В связи с этим серьезные преимущества получают новые энергоэффективные технологии, обеспечивающие экономию первичной энергии за счет вовлечения в энергобаланс города нетрадиционных источников энергии и вторичных энергетических ресурсов- низкопотенциального тепла грунта, вентиляционных выбросов и т.д. При этом, как показывают расчеты, очень важное значение приобретает технология когенерации тепловой и электрической энергии на ТЭЦ города.
ЛИТЕРАТУРА
- Постановление Правительства России №18 от 25 января 2011 года «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов».
- Всильев Г.П. Анализ препятствий на пути повышения энергоэффективности жилого фонда . // Энергосбережение.- №2- 2010