Оптимизация воздушного отопления

С. Тишаев

В ряде случаев воздушное отопление является наиболее приемлемым и эффективным решением. В приведенном материале анализируются эксплуатационные и капитальные затраты для различных вариантов организации таких систем обогрева с использованием в качестве источника энергии природного газа, электроэнергии, центрального теплоснабжения и древесного топлива

Современные условия жизни и блага цивилизации все более активно закрепляются в нашей стране. Растет количество торговых и развлекательных центров, супермаркетов, крытых рынков, строятся новые и реконструируются старые производственные помещения, спортивные комплексы, бассейны и тренажерные залы. Возникают логистические и складские центры, выставочные павильоны, аэропорты, ремонтно-сервисные центры и множество других объектов, характеризующихся такими общими чертами, как малая этажность (в основном не более 2-х этажей), большие воздушные объемы помещений и наличие обязательной принудительной вентиляции (разной кратности). При этом требования к поддержанию условий внутреннего микроклимата в таких помещениях могут быть достаточно жесткие. Как правило, присутствуют несколько режимов, например рабочий (дневной) и дежурный (ночной) экономичный, с требованием быстрого перехода с одного режима на другой.

Для таких объектов, обладающих большой тепловой инерционностью, применение традиционных систем отопления с водяными отопительными приборами (радиаторами) не является эффективным. Поэтому используются системы воздушного отопления. Независимо от вида первичного применяемого теплоносителя (горячая вода, водяной пар или воздух) в качестве конечного теплоносителя, который раздается в отапливаемую рабочую зону, в таких системах выступает нагретый воздух. В зависимости от имеющегося на объекте теплогенератора и/или доступного энергоносителя (топливо, электричество, центральное теплоснабжение) выбирается оборудование для нагрева воздуха.

На рынке отопительного оборудования широко представлены различные виды отопительных устройств для воздушного отопления. Все они принципиально представляют собой теплообменные аппараты со встроенным или вынесенным вентилятором для принудительного перемещения воздуха в устройстве и подводом тепла нагреваемому воздуху через стенку. Для нашего рассмотрения пока неважно, какой теплоноситель (вода, водяной пар, дымовые газы или пары фреона), а также устройство (теплообменник или ТЭН) применяются для нагрева воздуха. Эти моменты в дальнейшем будут учтены различными коэффициентами эффективности. Важными для нас будут вид используемого энергоносителя и общие эксплуатационные расходы при использовании данного энергоносителя. Другими словами, рассмотрим оптимизацию системы воздушного отопления с точки зрения применяемого топлива.

Для удобства рассмотрения представим себе гипотетический объект, например, производственного назначения с общей тепловой нагрузкой (на отопление и вентиляцию) 200 кВт. Будем считать, что эта тепловая нагрузка постоянна все время отопительного периода, который длится 180 дней, и температура наружного воздуха в этот период также постоянна и равна -1 °С.

Для большей части Украины это значение близко к средней температуре отопительного периода.Также представим, что для нашего здания доступны следующие энергоносители (подключения):

1. Природный газ с розничным тарифом 8720 грн. за 1000 м³, с учетом НДС.
2. Электроэнергия для IIкласса напряжения до 27,5 кВ с установленной электрической мощностью 200 кВт и розничным тарифом 158,94 коп./кВт·ч, включая НДС.
3. Центральное теплоснабжение от городской котельной или ТЭЦ с розничным тарифом 1575,90 грн./Гкал, включая НДС.
4. Древесные пеллеты в качестве топлива для автоматического водогрейного пеллетного котла с розничным тарифом 2300 грн./т, включая НДС.

Рассмотрим, какой из этих энергоносителей более предпочтителен для владельца объекта с точки зрения затрат на отопление.

Природный газ

Воздушное отопление с использованием природного газа с калорийностью 8050 ккал/м³ в качестве энергоносителя может быть реализовано как с помощью промежуточного теплоносителя, так и без него.

В первом случае для организации воздушного отопления вода нагревается в водогрейных котлах до температуры 90–95 °С (отопительный график 90/70 °С) и затем циркуляционными насосами подается в водо-воздушные теплообменники (калориферы) локальных нагревателей или приточно-рециркуляционных установок. Низкотемпературные графики в этом случае неприменимы, т.к. потребуют очень больших поверхностей теплообмена калориферов, кроме того, существенно увеличится риск обледенения и размораживания калориферов приточных камер в сильные морозы. Поэтому в случае применения водогрейных котлов мы не рассматриваем конденсационную технику, т.к. точка росы для газового топлива составляет около 54 °С, и средний КПД такого современного котла будет 90–94% (для дальнейшего расчета возьмем среднюю величину – 92%). Дополнительно следует учесть потери на отопление котельной (приточная камера котельной) и потери в подводящих/отводящих трубопроводах. Как правило, все указанные дополнительные потери при правильном проектировании и строительстве укладываются в цифру 5%, на которую и будет снижен КПД водогрейного котла в расчете.

Воздушное отопление прямым нагревом воздуха (без промежуточного теплоносителя) может быть организовано теплогенераторамикак обычного, так и конденсационного типа. На окончательный выбор типа теплогенератора в этом случае влияет финансовое состояние владельца объекта, т.к. установки конденсационного типа всегда дороже. Средний КПД современных теплогенераторов неконденсационного типа составляет 89%, а конденсационного типа (для принятой нами температуры наружного воздуха на отопительный период) – 97–99% (все КПД здесь и далее даны для низшей теплоты сгорания топлива).

Топливная составляющая эксплуатационных расходов на отопительный сезон для нашего объекта для рассматриваемого случая представлена в таблице 1.

Таблица 1. Затраты при использовании природного газа

Электроэнергия

Воздушное отопление с применением электроэнергии в качестве энергоносителя также может быть реализовано как с помощью промежуточного теплоносителя, так и без него.

В случае применения промежуточного теплоносителя используются электрические водогрейные котлы с КПД, равным 97% (учитываются потери через обшивку котла и при подаче теплоносителя по трубопроводам).

Прямой нагрев воздуха электричеством происходит в электрокалориферах (секциях) приточно-рециркуляционных установок. Как правило, такие установки размещаются непосредственно на объекте (крышные кондиционеры или приточно-рециркуляционные камеры). В таком случае КПД электронагревателя составляет 99%.

Еще один вариант непосредственного нагрева воздуха с помощью электроэнергии – использование тепловых насосов «воздух/воздух». Для современных тепловых насосов, работающих на фреоне R410A, и выбранных нами условий коэффициент преобразования будет составлять COP = 3,6, следовательно,потребляемая тепловым насосом электрическая мощность – 200/3,6 = 55,55 кВт. Топливная составляющая эксплуатационных расходов на отопительный сезон для нашего объекта для рассматриваемого случая представлена в таблице 2.

Таблица 2. Затраты на электроэнергию

Центральное теплоснабжение

Воздушное отопление с центральным теплоснабжением от городской котельной или ТЭЦ выполняется с применением промежуточных теплообменников – бойлеров или индивидуальных теплопунктов (ИТП). Они необходимы как для регулирования температуры теплоносителя в контуре отопления объекта, так и для разобщения теплоносителя (горячей воды) разного качества и давления (в системе центрального теплоснабжения и контуре отопления объекта). Нагретая вода от бойлера (ИТП) циркуляционными насосами подается в водо-воздушные теплообменники (калориферы) приточно-рециркуляционных установок.

Потери тепла в трубопроводах и бойлере оцениваются в 3%. Они учитываются при расчете стоимости центрального теплоснабжения за отопительный сезон, которая составит для взятых условий 1 206 955 грн.

Пеллеты

Воздушное отопление рассматриваемого объекта с использованием твердого топлива – древесных пеллет целесообразно выполнять только через промежуточный теплоноситель, нагреваемый в пеллетном автоматическом водогрейном котле.

КПД современных автоматических котлов, работающих на качественных древесных пеллетах, приближается к газовым установкам и составляет 87%. Однако, как и в случае с газовой водогрейной котельной, дополнительно следует учесть потери на отопление котельной (приточная камера котельной) и потери в подводящих/отводящих трубопроводах. Как правило, все указанные дополнительные потери при правильном проектировании и строительстве укладываются в цифру 5%, на которую и будет снижен КПД водогрейного котла в расчете. Калорийность стандартных древесных пеллет влажностью 10% составляет 4,2 кВт·ч/кг. При таких исходных данных стоимость пеллет за отопительный сезон составит 577 003 грн.

Объединяя полученные результаты расчетов, получаем диаграмму топливной составляющей за отопительный сезон для рассмотренных случаев (рис. 1).

Рис. 1. Сравнение затрат на воздушное отопление при использовании различных источников энергии

На диаграмме наглядно видно, что минимальные расходы на топливо будут в случае использования теплового насоса (381 456 грн./сезон). Расходы на пеллеты в 1,5 раза больше, чем расходы на электроэнергию для теплового насоса, но также значительно меньше, чем расходы на центральное тепло и электроэнергию для электрокалориферов.

При постановке задачи для упрощения мы зафиксировали температуру наружного воздуха (-1 °С) на весь отопительный период. Такой подход позволил нам с достаточной степенью точности оценить сезонные расходы на топливо. Однако в действительности в течение отопительного периода температура наружного воздуха может опускаться до -30 °С.

Такие периоды могут быть кратковременными и перемежаться оттепелью, но они существенно влияют на окончательные выводы по выбору отопительного оборудования для объекта. Действительно, эффективность и тепловая мощность теплового насоса с уменьшением температуры наружного воздуха также снижаются. А малый тепловой скачок (разность в температурах между нагретым и входящим в теплогенератор) воздуха в тепловом насосе требует специальных мероприятий, например, применения рекуператоров, для нагрева вентиляционного воздуха. Для большинства тепловых насосов «воздух/воздух» экономически целесообразно использовать их до температуры -5 °С.

Дальнейшее снижение температуры потребует дополнительного источника тепла, которым, согласно нашим расчетам, может стать либо пеллетный котел для нагрева воды и подачи ее в дополнительный водяной калорифер в приточно-рециркуляционной установке, либо газовый теплогенератор.

Таким образом, с точки зрения оптимизации эксплуатационных затрат, казалось бы, наиболее целесообразно иметь комбинированную установку с тепловым насосом. Однако окончательное решение по составу и конфигурации отопительного оборудования должно приниматься индивидуально с учетом многих факторов.

Как правило, самым решающим аргументом для владельца объекта являются капитальные затраты на строительство и оборудование системы отопления. Эти затраты на этапе проектирования рассчитываются для реального объекта с учетом всех его особенностей. Поскольку наш гипотетический объект значительно отличается от любого реального, мы воспользуемся стоимостными данными типовых похожих проектов, а не будем подбирать для него реальное теплотехническое оборудование, рассчитывать и сравнивать капитальные затраты для разных вариантов. Оставим эту тему для возможных будущих обзоров по оборудованию и производителям.

Приведем индикативные стоимости оборудования среднего ценового сегмента «для предварительного сравнения уровней затрат в рассмотренных вариантах теплоснабжения.

Капитальные затраты

Для случая воздушного отопления с использованием природного газа. При использовании промежуточного теплоносителя мы включим в состав капитальных затрат следующие пункты:

• укомплектованная модульная газовая котельная с двумя водогрейными газовыми котлами с реверсивными топками и двухступенчатыми горелками; водяные тепловентиляторы в виде отопительных приборов;
• трубопроводы и запорная арматура на систему отопления;
• приточно-вытяжная установка с водяным калорифером и системой забора/раздачи воздуха;
• монтажные и пусконаладочные работы на организацию системы отопления и вентиляции.

Для выбранной нами тепловой мощности объекта ориентировочная стоимость указанного комплекса в условных единицах составляет 99 650 у.е. (таблица 3).

Таблица 3. Капитальные затраты при воздушном отоплении природным газом

При использовании газовых теплогенераторов с непосредственной теплопередачей (без промежуточного теплоносителя) в состав капитальных затрат включены следующие пункты:

укомплектованные теплогенераторы наружной установки с двухступенчатыми газовыми горелками;
система воздуховодов и воздухораспределительных устройств, включая материалы и монтажные работы;
монтажные и пусконаладочные работы на теплогенераторах.

Ориентировочная стоимость указанного комплекса составляет 76 100 у.е.

Такой же комплекс, но с конденсационными газовыми теплогенераторами, составляет 77 650 у.е.

Для организации воздушного отопления с использованием электроэнергии в качестве энергоносителя, в случае применения промежуточного теплоносителя, в состав капитальных затрат включены следующие пункты:

• укомплектованная модульная электроотопительная котельная с двумя водогрейными электрическими котлами;
• водяные тепловентиляторы в виде отопительных приборов;
• трубопроводы и запорная арматура на систему отопления;
• приточно-вытяжная установка с водяным калорифером и системой забора/раздачи воздуха;
• монтажные и пусконаладочные работы на организацию системы отопления и вентиляции.

Ориентировочная стоимость указанного комплекса составляет 60 400 у.е. (таблица 4).

Таблица 4. Капитальные затраты при использовании для отопления электроэнергии

При использовании электрокалориферов с непосредственной теплопередачей в состав капитальных затрат включены следующие пункты:

• электрокалориферы с воздушными нагревательными элементами;
• система воздуховодов и воздухораспределительных устройств, включая материалы и монтажные работы;
• монтажные и пусконаладочные работы на теплогенераторах.

Ориентировочная стоимость указанного комплекса составляет 46 900 у.е.

В случае использования теплового насоса «воздух/воздух» в состав капитальных затрат включаются следующие пункты:

• тепловой насос «воздух/воздух»;
• система воздуховодов и воздухораспределительных устройств, в том числе материалы и монтажные работы;
• монтажные и пусконаладочные работы на теплогенераторах.

Ориентировочная стоимость указанного комплекса составляет 121 800 у.е.

Для случая воздушного отопления с центральным теплоснабжением от городской котельной или ТЭЦ в состав капитальных затрат включены:

• укомплектованный теплопункт (ИТП) для подключения к тепловым сетям;
• водяные тепловентиляторы в виде отопительных приборов;
• трубопроводы и запорная арматура на систему отопления;
• приточно-вытяжная установка с водяным калорифером и системой забора/раздачи воздуха;
• монтажные и пусконаладочные работы на организацию системы отопления и вентиляции.

Для выбранной нами тепловой мощности объекта ориентировочная стоимость указанного комплекса составляет 70 400 у.е.

И наконец, в случае использования древесных пеллет в качестве топлива в состав капитальных затрат включены:

• укомплектованная модульная пеллетная котельная с двумя водогрейными автоматическими котлами;
• водяные тепловентиляторы в виде отопительных приборов;
• трубопроводы и запорная арматура на систему отопления;
• приточно-вытяжная установка с водяным калорифером и системой забора/раздачи воздуха;
• монтажные и пусконаладочные работы на организацию системы отопления и вентиляции.

Для выбранной нами тепловой мощности объекта ориентировочная стоимость указанного комплекса составляет 118 400 у.е.

Сводная диаграмма капитальных затрат для рассмотренных случаев воздушного отопления объекта представлена на рис. 2.

Рис. 2. Сводная диаграмма капитальных затрат для различных случаев воздушного отопления объекта

Как видно, наименьшие капитальные затраты соответствуют наибольшим эксплуатационным расходам (на электричество), а наибольшими капитальные затраты являются в случае использования для воздушного отопления и вентиляции тепловых насосов и пеллетной котельной (самых экономичных энергоносителей).

Выводы

Таким образом, мы пришли к выводу, что однозначного решения (панацеи) при выборе энергоносителя не существует. Каждый объект является уникальным и требует индивидуального подхода и вариантных расчетов (проработок) на этапе проектирования. Для многих объектов рассматриваемого класса кондиционирование и вентиляция в летнее время являются не менее важными вопросами, чем отопление зимой. В таком случае капитальные затраты на многофункциональное оборудование (например реверсивный тепловой насос) при сравнении только отопления или кондиционирования следует рассматривать с долевым коэффициентом участия. Либо должны оцениваться комплексные решения системы отопления, вентиляции и кондиционирования.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 6 194