КПД КОТЛОВ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ЛОКАЛЬНЫХ ОТОПИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ (ОПЫТ США)


Источник

Несомненно, КПД отопительных котлов является важным показателем эффективности их работы. Вместе с тем, эта величина не является определяющей при оценке эффективности работы отопительной системы в целом.
В данной статье приводится опыт США по определению энергоэффективности локальных отопительных систем и оптимизации затрат на отопительный сезон.

Российские нормативные документы, определяющие технические требования к котлам, (ГОСТ 20219-74, ГОСТ 11032-80, ГОСТ 10617-83) предписывают определять тепловую нагрузку газовых котлов по формуле: 

N = В*QH, ккал/ч, где В — часовой расход газа, куб.м/час,
QH — низшая теплота сгорания газа, приведенная к нормальным условиям, ккал/куб.м.

В отличие от российских, стандартами США на газовые котлы (при расчете нагрузки) применяется высшая теплота сгорания ()в), которая в 1,11 раза превышает QH, для природного газа и на 6% — для легкого жидкого топлива.

В результате величина тепловой нагрузки, рассчитанная по высшей теплоте сгорания природного газа, на 11% больше, чем принятая по российским нормам. (Как известно, высшая и низшая теплота отличаются на величину скрытой теплоты парообразования, т.е. на количество теплоты, выделяющейся при полной конденсации водяных паров, образующихся при горении газа).

Так как величина КПД является функцией тепловой нагрузки (и, соответственно, теплоты сгорания газа), то величины КПД, рассчитанные в соответствии со стандартом США, на 11% ниже, чем рассчитанные по российским стандартам.

Очевидно, что величина КПД, рассчитанная по высшей теплоте для любых котлов, никогда не бывает более 100%, в то время как КПД котлов конденсационного типа, рассчитанный по низшей теплоте (применяющейся в России, странах СНГ и многих странах Европы), превышает 100%.

В США величине КПД котла не придают столь решающего значения, какое оно имеет в России и странах СНГ. Это связано с тем, что величина КПД является характеристикой котла только в режиме непрерывной работы (при номинальной производительности). Этот режим применяется на испытательных стендах при определении фактических параметров котлов либо в непрерывном производственном цикле с постоянной нагрузкой, но такой режим для отопительных систем невозможен. Это связано с переменной тепловой нагрузкой на котлы в течение годового цикла эксплуатации системы.

Именно поэтому, в соответствии с рекомендациями Министерства энергетики США и Национального Бюро по Стандартам США, в инженерных расчетах принято рассматривать не величину КПД котлов, а коэффициент эффективности системы.

Наименее энергоэффективный режим работы котлов (вне зависимости от теоретической величины его КПД) имеет место в переходные периоды отопительного сезона.

Примерное сезонное
потребление топлива
= Суммарные теплопотребления здания за сезон
показатель AFUE {десятичный)

Учитывая изложенное выше, Министерство энергетики США ввело в действие стандарт для оценки сезонного энергопотребления отопительных устройств. Установленный этим стандартом показатель AFUE (Annual Fuel Utilization Efficiency — годовая эффективность использования топлива) в настоящее время применяется в США для оценки работы системы в целом.

Величина AFUE выражается, как и КПД, в процентах, но — в отличие от величины КПД — она учитывает влияние многочисленных переходных периодов на протяжении всего отопительного сезона (т.е. всех периодов времени, когда котел работает в режиме не-номиналъной нагрузки).

Таким образом, показатель AFUE используется для оценки реальных стоимостных затрат отопительного сезона.
Для этого Министерство энергетики США предлагает следующую формулу [ 1 ]. Для примера приводим данные о снижении эффективности работы системы при переходных нагрузках. (По замерам на системе отопления здания в г. Сиракузы, штат Нью-Йорк):

Соотношение:

Производительность котла
Расчетная тепловая нагрузка системы

Сезонная
эффективность
работы
системы
1,0 68%
1,5 58%
2,0 50%
2,5 45%
3,0 39%

Концепция многокотловой двухконтурной системы, предложенная корпорацией «Лаарс Хитинг Системз» (США), является реальным инструментом повышения показателя AFUE системы отопления в целом.

Применение указанной системы позволяет:

  • достигнуть максимального соответствия тепловых нагрузок теплопотерям в целях повышения комфорта в зданиях;
  • повысить эффективность работы системы отопления;
  • избежать прохождения воды через неработающие котлы (что снижает эффективность работы системы);
  • быстро и просто выполнять работы по обслуживанию и ремонту элементов системы.

Ниже приводятся данные по повышению эффективности в случае применения многокотловой двухконтурной системы. Национальное Бюро по Стандартам США произвело независимое исследование эффективности многокотловой двухконтурной системы по сравнению с традиционными котловыми системами. Результат исследования выражен следующим графиком:

По оси абсцисс: процент от максимальной тепловой нагрузки системы.По оси ординат: эффективность работы системы в долях единицы.

Где:
кривая 3 характеризует работу многокотловой двухконтурной системы;
кривые 1, 2, 4, 5 — характеристики традиционно применяемых котловых схем.

Примечание: Разрыв кривой и падение К.П.Д. системы при нагрузке приблизительно 25% от максимальной происходит, когда второй котел включается в работу системы и берет на себя часть возрастающей нагрузки. Подобное падение можно ожидать при достижении 50% и 75% расчетной максимальной нагрузки, когда третий и четвертый котлы включаются в работу, но испытания в этих режимах не предусматривались программой исследований.

Кривая 3 показывает наивысшее значение общей эффективности системы в переходные периоды отопительного сезона (т.е. когда тепловая нагрузка составляет от 5% до 65% номинальной производительности котельной установки).*
Резюмируя, можно отметить, что реальная сезонная эффективность работы котла в исключительной мере зависит от системы, в которой сам котел является лишь элементом, а также от того, насколько котельное оборудование соответствует тепловой нагрузке здания (преимущественно в переходные периоды отопительного сезона).

Учитывая резкое падение эффективности использования котла в переходные периоды, на первый план выходит требование по повышению К.П.Д. системы.

Очевидно, что даже котлы с весьма высоким КПД, установленные в системе некорректно, не смогут стать энергосберегающим фактором работы системы в целом.

Как показано выше, решающим фактором повышения энергоэффективности отопительных систем является правильный выбор конфигурации системы и подбор оборудования, в первую очередь, котельного, оптимального для каждой конкретной системы.

При этом в качестве исходных данных для правильного расчета системы необходимо определить затраты энергии на отопительный период. Расчет затрат энергии на отопление зданий в США базируется на методе определения градусо-суток, при котором исключается зависимость теплопотерь здания от климатических условий местности.

Количество градусо-суток за один 24-часовой день является разностью между +18°С (расчетной внутренней температуры помещений) и среднесуточной температурой для данного дня.

Суммируя градусо-сутки для всех дней отопительного периода, мы получаем величину, которая г’чшеняется для оценки затрат энергии на отопление здания.
Другими словами, градусо-сутки — это величина, характеризующая сумму отклонений среднесуточной температуры воздуха от ее определенного стандартного значения для всего количества суток отопительного периода.

Эту величину можно получить, умножив разницу между расчетной внутренней температурой помещений tBH и средней температурой наружного воздуха для отопительного периода tH ср на продолжительность отопительного периода для данной климатической местности n.

DD = (tвн — tн.ср.) * n (2) Для Москвы tH ср = -3,7°С,
n = 212 суток,таким образом, получаем количество градусо-суток для Москвы: DD = (18 — (-3,7)) * 212 = 4600

В России величина количества градусо-суток колеблется от 1044 (Сочи) до 12045 (Оймякон), составляя для средней полосы около 4900. Концепция определения энергозатрат на отопление через градусо-сутки была разработана в США на основе многолетних данных организаций-производителей и продавцов теплоносителей, а также местных метеорологических станций.

В основу расчета по данной методике заложена предпосылка, что здание нуждается в дополнительном теплоснабжении всякий раз, как только наружная температура опускается ниже 18°С, т.е. расчетом не учитываются тепловое сопротивление ограждений здания, тепло, выделяемое бытовыми приборами, тепловыделение людей, находящихся в здании и т.п. факторы.

Для того чтобы компенсировать в расчете значения указанных выше факторов, с 1989 года ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха) рекомендует применять коэффициент Cd, который определяется по приведенному ниже графику в зависимости от значения градусо-суток для данной местности (DD).

Следующее уравнение может быть использовано для оценки годовых энергозатрат на отопление здания:

По оси абсцисс: Число градусо-суток для данной местности (градусы Фаренгейта).
По оси ординат: Коэффициент Cd.
E год. = (Q paсч.  *  DD  *  24  *  Cd)
∆T расч.
Е год. — оценочное значение годовых энергозатрат на отопление, ккал;Q pacч. — расчетные теплопотери здания, ккал/час;

DD — количество градусо-суток;

Cd — коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление ограждающих конструкций и
дополнительные тепловыделения здания;

∆T расч.- разность внутренней (+18°С) и наружной
(средняя температура наиболее холодной пятидневки) температур,
принимаемых при расчете теплопотерь здания.


Чумаченко Игорь Николаевич.
Окончил Московский инженерно-строительный институт в 1978 году.
С 1981 года работал в системе Минэнерго.
Общий стаж работы в сфере энергоснабжения и теплофикации — 20 лет.
С 1995 года — директор представительства корпорации «Лаарс Хитинг Системз» (США) в странах Восточной Европы и СНГ.

About these ads


Добавить комментарий

Please log in using one of these methods to post your comment:

Логотип WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

You are commenting using your Twitter account. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

You are commenting using your Facebook account. Выход / Изменить )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Выход / Изменить )

Connecting to %s

Отслеживать

Get every new post delivered to your Inbox.

Join 223 other followers