Об учёте тепловой энергии на индивидуальных тепловых пунктах потребителей

П.А. Пташкин, Начальник сектора Отдела перспективного проектирования ООО «НИПИ ПРЭС», г. Санкт-Петербург

Предлагаемая методика позволяет организовать связь межу эффективностью системы теплопотребления и стоимостью отопления (ГВС).

Преимущество методики – «формальное» снижение тарифа на тепловую энергию для конечного потребителя с одновременным увеличением объёма потребления тепловой энергии (НВВ ТСО сохраняется).

В последние десятилетия для крупных систем централизованного теплоснабжения (далее СЦТ) достаточно остро стоит проблема несоответствия фактического и расчётного теплогидравлического режима. Для подавляющего большинства крупных источников, имеющих расчётный температурный график теплоснабжения 150/70 оС, фактическая температура в подающем трубопроводе не превышает 110 оС, тогда как температура в обратном трубопроводе соответствует расчётной. Технические причины такого несоответствия, а также их последствия хорошо известны и описаны в литературе. В условиях высокого износа тепловых сетей, а также резервов пропускной способности, заложенных при организации СЦТ, фактическое снижение температурного графика в некоторой степени благоприятно для ТСО, т.к. снижает аварийность на ветхих сетях. Недоотпуск тепловой энергии при температурах наружного воздуха, близких к расчётным, компенсируется перетопами в тепловое время.

Несмотря на исчерпывающие знания о причинах несоответствия фактического и расчётного теплогидравлического режима, данная проблема не решается уже несколько десятилетий.

В статье автор предлагает взглянуть на существующую проблему под несколько другим углом: со стороны конечного потребителя и его взаимодействия с ТСО. Энергосбережение – как сокращение объёмов теплопотребления – находится за рамками данного опуса.

Системы централизованного теплоснабжения крупных городов существуют с советских времен. Особенностью систем централизованного теплоснабжения в СССР являлось то, что её отдельные звенья (источник – сети – абонент), функционально связанные между собой в едином технологическом процессе производства – потребления тепловой энергии, были разобщены в организационном отношении, т.к. находились в ведении различных министерств и ведомств [1]. Организационная разобщённость звеньев СЦТ не преодолена и сегодня. Более того, после проведения реформы теплоэнергетики и реформы ХКЖ, организационная разобщенность даже увеличилась в связи с атономизацией и автономизацией контрагентов. Взаимодействие между звеньями технологического процесса не одинаково и на уровне «Источник» – «Сети» достаточно хорошо налажено. В тоже время на уровне «Сети» – «Потребитель» взаимодействие крайне слабое. Разобщённость между Потребителями и ТСО приводит к невозможности внедрения современных многоуровневых методов регулирования, для которых, в первую очередь, требуется модернизация систем теплопотребления. Потребители, в подавляющем большинстве, не заинтересованы в модернизации ИТП, системы отопления и ГВС в силу различных экономических причин, а ТСО не имеют «рычагов» административного воздействия на них. Проблема «заморожена» и закреплена в Жилищном кодексе РФ и прочих нормативно-правовых актах сферы теплоснабжения. Единственный действенный метод воздействия ТСО на Потребителя – тариф на тепловую энергию.

Переход от теплоснабжения как «общественного блага» к теплоснабжению как «товар» сопровождался внедрением механизмов коммерческого учёта тепловой энергии и теплоносителя на границе раздела балансовой принадлежности звеньев теплоснабжения. Наиболее эффективный механизм коммерческого учета сегодня – это установка приборов учёта тепловой энергии и теплоносителя. Наличие приборов учёта позволяет объективно и однозначно оценивать количество поставленной тепловой энергии и теплоносителя как «товара» между ТСО и Потребителем.

Определение поставленной тепловой энергии в приборах учёта, в соответствии с Правилами [2], производится упрощенно по следующей формуле:

 , (1)

где:  – масса сетевой воды в подающем трубопроводе, полученная потребителем и определённая по приборам учёта, т/ч;

,  – энтальпии сетевой воды на выводе подающего и обратного трубопровода источника теплоты соответственно, ккал/кг.

Поскольку теплоносителем в рассматриваемых системах теплоснабжения является вода, энтальпия которой численно соответствует температуре t, оС, далее в качестве определяющей характеристики воды используется температура t.

Как следует из данной формулы, одно и тоже значение потребления тепловой энергии может быть достигнуто как при снижении разности температур (∆t) и увеличении расхода, так и наоборот. Выявляется принципиальное несоответствие между нуждами ТСО и потребителя. Для ТСО предпочтительнее снижение расхода теплоносителя с увеличением ∆t, поскольку снижаются затраты на перекачку теплоносителя и потери в обратном трубопроводе.

Для Потребителя предпочтительнее снижение ∆t и увеличение расхода теплоносителя, т.к. снижение ∆t увеличивает среднюю температуру поверхности отопительных приборов и позволяет компенсировать снижение теплоотдачи старых радиаторов (засорение и зарастание, многократная окраска, нарушение естественной конвекции и пр.) и уменьшить поверхности теплообменников ГВС при закрытой схеме. Как говорилось выше, ТСО не имеют «рычагов» административного воздействия на Потребителя, что позволяет ему реализовывать предпочтительный для себя вариант. Расход теплоносителя определяет Потребитель, а Источник и Сети подстраиваются и, соответственно, реагируют снижением температуры в подающем трубопроводе.

Соотношения удельного расхода теплоносителя и разности температур вход/выход ИТП представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость расхода теплоносителя от теплоперепада.

Для понимания и формулирования данной проблемы крайне важно определить причинно-следственную связь, приводящую к увеличению расхода теплоносителя.

Из представленной на рис. 2 схемы видно, что первопричина рассматриваемой проблемы находится в области Потребителя, а негативные эффекты в области ТСО. При этом Потребитель не заинтересован в исправлении ситуации, т.к. повышение расхода теплоносителя и температуры на выходе не приводит к увеличению объёма теплопотребления, а, следовательно, не отражается на стоимости тепловой энергии.

Рисунок 2. Причинно-следственная связь.

Некоторое нарушение в логике товарно-денежных отношений проявляется, если представить уравнение 1 в виде:

 (2)

При такой записи левая часть уравнения соответствует продаже ТСО, а правая – покупке Потребителя, в которой значения со знаком «+» могут быть интерпретированы как «покупка», а со знаком «–» – как «продажа». Таким образом, в теплоснабжении, в отличие от других видов ресурсоснабжения, складывается поразительная ситуация, которая может быть представлена так: потребитель «покупая» некоторое количество тепловой энергии на вводе, одновременно «продаёт» невостребованное тепло на выходе обратно ТСО по той же цене, причём данная цена неизвестна обеим сторонам. Разница между величиной «покупки» и «продажи» тепловой энергии используется для отопления и ГВС. При этом цена разницы известна, это – тариф на тепловую энергию. Цена тепла, подаваемого на вход потребителя и получаемого на выходе от него, не может быть одинаковой, поскольку энергетический потенциал тепла на выходе практически нулевой, т.к. не может быть использован для каких-либо ещё целей (цена определяется спросом).

Ближайшая аналогия может быть приведена в сфере холодного водоснабжения. По правилам расчётов, применяемых в теплоснабжении, потребитель оплачивал бы не количество потребленной ХВ, а разницу между потреблённой и спущенной в канализацию. Вся абсурдность данного подхода очевидна, т.к. вода, поступающая в канализацию, загрязнена и не может быть использована вторично. Более того, в реальности потребитель оплачивает канализационные стоки отдельно. Раздельная оплата холодной воды и стоков не вызывает каких-либо возражений у потребителей, т.к. понятна на бытовом уровне. Понятен и механизм экономии – чем меньше потребляешь, тем меньше платишь за воду и стоки. Для экономии затрат на воду и стоки, пассионарии стремятся использовать воду рационально, заменяют в квартирах сантехническое и кухонное оборудование более экономичным. Если бы потребитель оплачивал только разницу между ХВ и стоками, о рациональном использовании ресурса большинством населения говорить бы не приходилось.

Зависимость энергетического потенциала, содержащегося в теплоносителе, от температуры характеризуется понятием «эксергия».

Термин «эксергия» – как предельное значение энергии, которое может быть полезно использовано, предложен более 60 лет назад [3], но до сих пор крайне редко применяется в практике теплоснабжения. При расчетах за поставленную тепловую энергию по умолчанию принимается равнозначность эксергии сетевой воды на входе и на выходе потребителя, что не соответствует действительности.

Игнорирование эксергии как значимой величины приводит, в конечном итоге, к множеству негативных последствий, таких, как:

· неокупаемости установки у потребителей АИТП взамен элеваторов. В этом случае экономический эффект может быть получен только устранением «перетопов» в переходный период.

· неокупаемости двухступенчатой закрытой схемы ГВС по сравнению со схемой параллельного включения.

· неокупаемости тепловых насосов у потребителей;

· повышению температуры теплоносителя после потребителя;

· повышению расхода теплоносителя.

Поскольку Потребитель фактически оплачивает только полезно использованное тепло, условная схема расчётов между ТСО и Потребителем по методу баланса в узле представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Схема расчётов между ТСО и Потребителем при условной системе теплоснабжения с температурным графиком 150/70 оС и единичной нагрузкой потребителя 1 Гкал/ч при коэффициенте использования полученного тепла 0,53 о.е.

Здесь следует ввести несколько понятий для дальнейшего рассуждения:

· «Тепловая энергия, поставленная Потребителю» – произведение энтальпии сетевой воды на вводе Потребителя на расход теплоносителя через систему теплоснабжения Потребителя;

· «Тепловая энергия, невостребованная Потребителем» – произведение энтальпии сетевой воды на выходе от Потребителя на расход теплоносителя через систему теплоснабжения Потребителя;

· «Тепловая энергия, полезно использованная Потребителем» – произведение разности энтальпии сетевой воды на входе и выходе от Потребителя на расход теплоносителя через систему теплоснабжения Потребителя. Соответствует объему потребляемого тепла по приборам учета.

· «Коэффициент использования полученного тепла» – отношение полезно использованной тепловой энергии к поставленной.

Как видно на рис. 3, формальная граница балансовой принадлежности звеньев системы теплоснабжения «Сети – Потребитель» находится, по общему правилу, на первых фланцах задвижек на вводе Потребителя. Физически приборы учёта тепловой энергии устанавливаются как раз на такой границе. Однако, если рассматривать модель баланса тепловой энергии с точки зрения Правил учёта тепловой энергии, граница фактически находится на «полезно использованном тепле». Соответственно, в такой модели Потребитель и оплачивает только тепло, полезно использованное. При этом количество тепла, поставленное ему и им невостребованное, не играет никакой роли, т.к. всё невостребованное тепло возвращается Поставщику. Естественно, в такой ситуации потребитель заинтересован снижать только количество полезно использованного тепла, но никак не количество поставленного тепла.

Существующие тарифы на тепловую энергию отражают стоимость тепла, полезно использованного Потребителем. При этом стоимость поставленного и невостребованного тепла в соответствии с его эксергией никак не определяется.

Предлагаемая методика тарифообразования предусматривает ведение учёта количества тепла, поставленного потребителю и невостребованного им, т.е. учитывает эксергетические характеристики теплоносителя на входе и выходе. В этом случае стоимость полезно использованного тепла не определяется, а величина платежей зависит от эффективности системы отопления. Граница фактического учёта тепловой энергии полностью совпадает с границей балансовой принадлежности и физически находится в месте установки приборов учёта.

Формула расчётов за поставленную тепловую энергию по данной методике схожа с 1 и 2, но, в отличие от них, не содержит вычитаемого:

 (3)

На рис. 4 представлена схема, аналогичная рис. 3, с учётом предлагаемой схемы расчётов.

Рисунок 4. Предлагаемая условная схема расчётов между ТСО и Потребителем единичной нагрузкой 1 Гкал/ч при коэффициенте использования полученного тепла 0,53 о.е.

Как видно из рис. 4, эксергия теплоносителя имеет ценовое выражение, при этом цена тепловой энергии на выходе равна нулю, т.к. тепло более не может быть полезно использовано. Значение основных параметров системы и стоимость отопления сохраняются, а стоимость тепловой энергии на 46,6% сокращается, но увеличивается объём её потребления.

В случае если внутридомовая система теплоснабжения исправна, а её режим работы соответствует заданному температурному графику, стоимость отопления одинакова для обоих методов расчёта.

В случае если в здании установлена более эффективная система отопления, коэффициент использования полученного тепла в которой составляет 0,67, стоимость отопления в таком здании будет ниже. Такая схема представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Предлагаемая условная схема расчетов между ТСО и Потребителем единичной мощностью 1 Гкал/ч при коэффициенте использования полученного тепла 0,67 о.е.

Как видно из рис. 5, в более эффективной схеме теплоснабжения полезно используется больший теплоперепад, что позволяет снизить температуру воды на выходе до 50 оС. В таком случае сокращается расход сетевой воды через потребителя, а, соответственно, и количество поставляемого тепла. При заданной цене поставляемой потребителю тепловой энергии, стоимость отопления может быть снижена на 20% при одинаковом уровне полезного теплопотребления.

Плата за тепловую энергию в этом случае зависит от эффективности системы теплопотребления, которая может быть повышена:

· использованием АИТП, контролирующим расход сетевой воды на вводе;

· заменой приборов отопления на более эффективные (с большей поверхностью вплоть до напольного отопления на 1-х этажах);

· внедрением двухступенчатой системы приготовления ГВС при закрытой схеме;

· применением регуляторов температуры ГВС при открытой схеме;

· применением тепловых насосов.

У источников теплоснабжения появляется дополнительный канал обратной связи с потребителем «расход теплоносителя», в дополнение к существующему «температура обратной сетевой воды». Появляется также спрос на качественно-количественное регулирование со стороны Потребителя, что делает окупаемым и эффективным применение ЧРП на сетевых насосах.

Снижение денежного потока от реализуемой тепловой энергии на источниках при повышении эффективности систем теплопотребления отчасти компенсируется возможностью использования тепла более низких параметров для подогрева сетевой воды. При температуре обратной воды 40-45 оС, на ТЭЦ появляется возможность использования тепла пара в конденсаторах турбин, ценность которого сегодня близка к нулю. Также снижаются потери в обратном трубопроводе и затраты на перекачку теплоносителя (за счет исключения «паразитного» расхода).

За эффективность производства тепловой энергии отвечает Источник.

За эффективность транспорта – Тепловые сети.

За эффективность потребления – Потребитель.

Литература

1. С.А. Чистович, В.К. Аверьянов, Ю.Я. Темпель, С. И. Быков. «Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления» Научное издание. СтройИздат. Ленинградское отделение. 1987 г.

2. «Методика осуществления коммерческого учёта тепловой энергии, теплоносителя», утв. приказом Минстроя России от 17.03.14 г. № 99/пр.

3. Рант З., Эксергия – Новый термин для обозначения «технической работоспособности», 1965 г.