Проблемы энергосбережения при проектировании и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха

Проблемы энергосбережения при проектировании и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха

к.т.н. Вишневский Е.П.

Проблемы энергосбережения приобретают все большую актуальность в современных условиях. Мировое сообщество, будучи обеспокоено надвигающимся энергетическим кризисом, предпринимает огромные усилия по изысканию новых технологических и технических решений, направленных на сокращение потребляемой энергии, а также планирует использование нетрадиционных, возобновляемых источников энергоснабжения. На период 1994-1998 г.г. Комиссией по энергетике ЕЭС осуществляется программа THERMIE, предусматривающая поддержку международных проектов в области энергосбережения. Как и ранее, программа, объявленная на 1997 г., охватывает широкий круг вопросов, касающихся строительства, промышленности, сельского хозяйства, транспорта и других сфер деятельности. Предусмотрено первоочередное финансирование инновационных проектов с участием не менее двух стран, в том числе Восточно-европейских, включая Россию, Украину, Белоруссию и другие страны - бывшие республики СССР. В целях обмена информацией о новейших достижениях 27-29 мая 1997 г. в г. Амстердам будет проведена Всемирная ярмарка по энергетическому обеспечению жизнедеятельности человека. Наряду с активными инженерными изысканиями в области энергосбережения осуществляются также интенсивные научные исследования. Наиболее крупным из намеченных научных мероприятий является 7я международная конференция и выставка по энергетике Energex`98, намеченная к проведению 19-21 ноября 1998 г. в г. Манама (Бахрейн). Отечественная практика внедрения рыночных механизмов в систему вновь формируемых хозяйственных отношений, исходя из реально складывающихся экономических условий, диктует необходимость коренного изменения ранее существовавших подходов к проблемам учета и расходования энергии, что становится насущной проблемой любого из потребителей, определяя выживаемость и конкурентоспособность как на переходном периоде, так и в дальнейшей перспективе. Принятый в октябре 1995 года Закон “Об энергосбережении” определяет правовые, экономические и организационные основы государственной политики в области энергосбережения. Во исполнение указанного Закона департаментами строительства ряда местных администраций разработаны соответствующие программы энергосбережения. Наиболее характерные мероприятия, предусматриваемые программами подобного рода, включают следующее:

• энергетический аудит;
• внедрение энергетических паспортов;
• создание демонстрационных зон высокой энергетической эффективности, что должно способствовать распространению современных энерго и ресурсосберегающих технологий, а также отработке механизмов инвестиционной политики при реализации проектов, основанных на принципах международной интеграции;
• использование экономических стимулов внедрения энергосберегающих технологий

Так, в 1993-1994 годах в Москве, Санкт Петербурге и ряде других городов России были разработаны и приняты собственные городские и региональные «Концепции развития энергетики», которые в дальнейшем послужили основой соответствующих «Энергетических программ до 2010 года» и «Программ энергоресурсосбережения». Согласно распоряжению мэра г. Москвы с 1 января 1997 года на всех строящихся и реконструируемых объектах обязательной является установка приборов учета энергоресурсов, что должно способствовать усилению контроля за их расходованием. В качестве характерной особенности разворачиваемой деятельности в области энергосбережения следует отметить высокую степень динамизма предусматриваемых при этом средств и методов реализации разрабатываемых программ. Согласно Закону “Об энергосбережении” показатели энергоэффективности и энергосбережения должны устанавливаться на срок не более 5 лет. Вместе с тем, наиболее действенным мотивом активизации действий в части экономии энергетических ресурсов является существенное повышение их стоимости, что заставляет не только внедрять на стадии проектирования наиболее эффективные с экономической точки зрения конструкторские разработки, но и в ряде случаев ставить вопрос о реконструкции действующих предприятий. Тариф на тепловую энергию, отпускаемую МГП «Мостеплоэнерго» для предприятий промышленности, строительства, бирж, гостиниц и акционерных обществ составляют 126.000 руб/Гкал. Тариф на электрическую энергию, отпускаемую АО «Мосэнерго» для промышленных и приравненных к ним потребителям с присоединенной мощностью 750 кВА и выше складываются из двух компонент: плата за мощность в месяц 29.799 руб/кВт; плата за энергию 0.28 руб/кВт-час. Для сравнения тарифы на тепловую энергию, отпускаемую ГП «ТЭК Санкт Петербург» составляют для промышленных и приравненных к ним потребителям 100.000 руб/Гкал и 55.270 руб/Гкал для теплично-парниковых хозяйств и сельскохозяйственных потребителей. Тарифы на электрическую энергию, отпускаемую АО «Ленэнерго» по упомянутым ранее позициям составляют, соответственно, 37.147 руб/кВт и 0.24 руб/кВт-час. Для других регионов указанные значения могут существенным образом отличаться, однако общая картина опережающего роста цен на энергию по отношению к уровню имевшей место и в определенной степени продолжающейся инфляции сохраняется повсеместно. В соответствии с действующими укрупненными сметными нормами (УСН) на строительство 15-20 % капитальных и около 15 % эксплуатационных затрат приходятся на долю систем вентиляции и кондиционирования воздуха. В ряде отраслей производства, как, например, в химической промышленности, эти цифры могут достигать 30 % и более. В целом по России системами вентиляции и кондиционирования воздуха ежегодно потребляется свыше 20 млрд. кВт-час электроэнергии и более 40 млн. т. условного топлива. Потребление энергии существенным образом зависит от климатических особенностей районов расположения вентилируемых объектов. Так, по данным AIVC (Air Infiltration and Ventilation Centre, Coventry, UK)1 в США годовое потребление энергии на единицу весовогорасхода приточного воздуха составляет в Лос-Анджелесе (шт. Калифорния) 22,1 Mдж час/кг и в Омахе (шт. Небраска) 102,5 Mдж час/кг. В Европе аналогичные значения составляют от 45,6 Mдж час/кг до 101,1 Mдж час/кг. Отечественные справочные данные подобного рода отсутствуют. Однако, следует предположить, что с учетом географического разнообразия территорий России удельные расходы энергии, связанные с работой систем вентиляции, составляют значения, соизмеримые с приведенными выше. В России, как и в Европе, основная доля энергии расходуется на подогрев приточного воздуха. В то время, как в США, наряду с подогревом, существенное количество энергии расходуется на охлаждение воздуха при работе систем кондиционирования. В некоторых случаях, определяемых климатическими особенностями региона либо спецификой объектов, значительная энергия расходуется на осушение воздуха. Так, в Майами на эти цели расходуется до 86% энергии, потребляемой системами вентиляции. Последнее является весьма характерным, позволяя рассматривать проблемы осушения воздуха, наряду с вентиляцией и кондиционированием в качестве одного из основных способов обработки воздуха, определяемых триадой параметров, характеризующих микроклимат и, соответственно, степень комфорта, а именно: подвижность воздуха, его температура и влажность. В среднем на производственных площадях ежегодно потребляется ориентировочно 10 000 кВт-час/м2 (8,5 Гкал/м2 в год). Широко известны традиционные методы энергосбережения, связанные с уменьшением тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений, а также снижением инфильтрации и эксфильтрации путем герметизации оконных проемов, дверей, чердачных и межэтажных перекрытий. Вместе с тем, существуют инженерно-технические решения специализированного характера, обеспечивающие средствами рациональной организации и конструктивного оформления систем вентиляции и кондиционирования воздуха существенное снижение энергопотребления. К числу подобных решений относятся:

• частичная либо полная рециркуляция воздуха;
• рекуперация тепла в теплообменниках пластинчатого типа;
• использование тепловых насосов;
• регенерация скрытой теплоты испарения путем конденсации избыточной влаги.

По имеющимся оценкам за счет использования подобного рода мероприятий годовые значения энергопотребления могут быть снижены в среднем до 2 000 кВт-час/м2 (1,7 Гкал/м2 в год). С теплофизической и инженерной точек зрения указанные выше способы энергосбережения и их техническая реализация являются нетривиальными и требуют профессионального подхода, предполагая в каждом конкретном случае достаточно глубокий анализ особенностей имеющих место механизмов и процессов, способствующих повышению эффективности работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха. В дальнейших публикациях мы намерены детально рассмотреть данные вопросы как с теоретической, так и с практической точек зрения, что, на наш взгляд, будет способствовать повышению уровня разработок, связанных с проектированием новых и реконструкцией существующих зданий и сооружений. Следует отметить, что целесообразность принятия решения относительно использования того или иного способа энергосбережения определяется, прежде всего, экономическими соображениями. Капиталовложения являются рентабельными, когда общая прибыль (E ) превышает инвестиционные вложения (K )

E > K

При этом существенным является соотношение капитальных и эксплуатационных затрат. Первые из них на стадии проектирования определяются стоимостью применяемого оборудования, а также объемами строительно-монтажных и пуско-наладочных работ. Вторые связаны с режимами эксплуатации, необходимыми расходными материалами, энергопотреблением, а также трудозатратами на техническое обслуживание и ремонт. Рассмотрим более подробно структуру указанных выше экономических показателей на примере энергосбережения путем рекуперации тепла в системахобщеобменной вентиляции. В этом случае общая прибыль определяется суммой следующих основных слагаемых:

E = EW + EB + EZ

, где:

EW годовая стоимость рекуперируемого тепла;
EB экономия за счет сокращения расходов на производство и распределение дополнительного тепла; EZ экономия за счет государственных льгот, амортизационных отчислений и т.п.

Годовая стоимость рекуперируемого тепла Ew рассчитывается, исходя из годовой рекуперации тепла и стоимости тепловой энергии.

Ew = Qw x Pw 

, где:

QW годовая рекуперация тепла;
PW стоимость тепловой энергии.

Стоимость тепловой энергии в свою очередь рассчитывается, исходя из стоимости топлива (PB ), коэффициента, характеризующего потери тепла в процессе его производства и распределения, а также теплотворной способности топлива (HU ).

Годовая рекуперация тепла при неизменных производственных условиях рассчитывается обычным образом.

Qw = V2 x S2 x C2 x (t11 - t21) x h x Φ2

, где:

V2 расход приточного воздуха, м3/час;
S2 плотность воздуха на притоке, кг/м3;
C2 удельная теплоемкость воздуха на притоке (ок. 2,79 кВт-час/кг К0);
t11 температура на вытяжке;
t21 температура на притоке до рекуператора;
h число часов работы в течение года;
Φ2 эффективность рекуперации тепла по отношению к притоку.

Температура воздуха на притоке до рекуператора определяется, исходя из климатологических данных t21 = tM . В зависимости от сменности работы вводятся поправки по следующей схеме t21 = tM + tM , где

Сменность работы: 1-сменная 2-сменная 3-сменная
                                     1,0                 0,5                  0

Экономия за счет сокращения расходов на производство и распределение дополнительного тепла EB . Как следствие рекуперации, имеет место сокращение производственных расходов, связанных с производством и распределением уменьшенного количества потребляемого тепла. Отсюда образуется определенная экономия, которая, тем не менее, как правило, не учитывается. Экономия за счет государственных льгот, амортизационных отчислений и т.п. EZ . Во многих странах существует система стимуляции деятельности, направленной на сокращение потребляемых энергетических ресурсов. При этом вводятся специальные государственные льготы, получаемые при внедрении энергосберегающих технологий. В результате образуется дополнительная экономия, учитываемая в составе общей прибыли. С 1997 г в России также вместо ранее существовавшей системы штрафов вводятся льготы, основы которых предусмотрены Законом «Об энергосбережении».

Инвестиционные вложения определяются суммой следующих основных слагаемых:

K = KK + KB + KU + KW

, где:

KK капитальные затраты;
KB стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии;
KU эксплуатационные расходы;
KW расходы на техническое обслуживание и ремонт.

Капитальные затраты KK обычно определяются, прежде всего, в зависимости от используемого метода расчета рентабельности. При этом различают статические и динамические методы. В случае рекуперации, однако, капитальные затраты рассчитываются однозначным образом. Они складываются из затрат на вновь устанавливаемые теплообменники, дополнительные агрегаты и блоки, а также включают стоимость монтажа. При этом из общей суммы вычитается остаточная стоимость высвобождаемого оборудования, что может быть связано с сокращением количества производимого и распределяемого тепла. Кроме того, в расчете капитальных затрат следует учитывать дополнительные инвестиции, получаемые в соответствии с различного рода правительственными программами энергосбережения. Стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии KB . Установка рекуператоров приводит к увеличению потери давления в вентиляционной сети. В результате требуется увеличение напора, развиваемого вентагрегатом и, соответственно, электроэнергии, потребляемой электродвигателем.

При использовании рекуперации тепла в производственных условиях стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии (KB ) может достигать 10% от годовой стоимости рекуперируемого тепла (EW ). Эксплуатационные расходы KU зависят от конкретных особенностей используемых систем рекуперации тепла. Существуют определенные нормы расходов подобного рода (в большинстве случаев они составляют 2% от капитальных затрат в расчете на год). Расходы на техническое обслуживание и ремонт KW также зависят от используемого рекуперационного оборудования. При отсутствии статистических данных на основе опыта эксплуатации указанные расходы должны оцениваться ориентировочно. Как правило, они составляют от 2 до 5% от капитальных затрат в расчете на год. Рассмотренные выше экономические показатели и соответствующие им математические соотношения положены в основу директивного документа Союза немецких инженеров VDI 2071 (часть 2) “Экономический расчет рекуперации тепла в установках кондиционирования воздуха”. Указанный документ de facto является общепризнанным европейским стандартом, используемым большинством производителей кондиционеров и вентиляционного оборудования в целях унификации методов оценки экономической эффективности и сравнительного анализа альтернативных технических решений. В связи с отсутствием на настоящий момент национальных и ведомственных стандартов аналогичного содержания упомянутый выше документ представляет собой основу технико-экономического анализа осуществляемых отечественных и зарубежных проектов, тем более, что рядом фирм-поставщиков оборудования методика VDI 2071 реализована в составе лицензионного программного обеспечения, используемого при теплотехнических расчетах и подборе необходимых типоразмеров комплектующих изделий и элементов системвентиляции и кондиционирования воздуха. По заявкам читателей указанный документ в переводе на русский язык может быть заказан через редакцию журнала (отдел распространения). Рассматривая представленные выше материалы в качестве своеобразного введения в проблемы энергосбережения при проектировании и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха, мы рассчитываем в ближайших выпусках журнала опубликовать серию статей, посвященных данному вопросу и развернуть широкую дискуссию читателей, которая, мы надеемся, будет способствовать дальнейшему экономически строго обоснованному внедрению наиболее прогрессивных методов и способов обработки воздуха, а также новых технических решений с использованием последних мировых достижений в данной области.

СТАТЬИ -> Статьи по теме -> Проблемы энергосбережения при проектировании и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха