Вишневский Е.П. Проблемы энергосбережения при проектировании и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха

Главная > Инвестиции

Проблемы энергосбережения при проектировании и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха. PETROSPEK, Россия

к.т.н. Вишневский Е.П.

Рассмотрены основные инженерно-технические решения, обеспечивающие средствами рациональной организации и конструктивного оформления систем вентиляции и кондиционирования воздуха существенное снижение энергопотребления. Приведены расчетные зависимости, обеспечивающие оценку экономической эффективности используемых средств рекуперации тепла. Перечислены примеры практической реализации наиболее прогрессивных методов и способов обработки воздуха, а также новых технических решений с использованием последних мировых достижений в области энергосбережения.

Санкт Петербург, пл. Растрелли 2,

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 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

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. Комиссией по энергетике ЕЭС осуществляется программа THERMIE, предусматривающая поддержку международных проектов в области энергосбережения. Программа 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 др. В целях обмена информацией о новейших достижениях регулярно проводится Всемирная ярмарка по энергетическому обеспечению жизнедеятельности человека. Наряду с активными инженерными изысканиями в области энергосбережения осуществляются также интенсивные научные исследования.

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.

Так, 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 мэров г.г. Москвы и Санкт Петербурга на всех строящихся и реконструируемых объектах обязательной является установка приборов учета энергоресурсов, что должно способствовать усилению контроля за их расходованием.

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 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.

Вместе с тем, наиболее действенным мотивом активизации действий в части экономии энергетических ресурсов является значительное 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 составляет 116 руб/Гкал, для организаций здравоохранения, образования, культуры, спорта и жилищно-коммунального хозяйства 95 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 29,8 руб/кВт; плата за энергию 0,28 руб/кВт час. Для других регионов указанные значения могут существенным образом отличаться, однако общая картина существенного роста цен на энергию сохраняется повсеместно.

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.

Потребление энергии существенным образом зависит от климатических особенностей районов расположения вентилируемых объектов. Так, по данным AIVC (Air Infiltration and Ventilation Centre, Coventry, UK) в США годовое потребление энергии на единицу весового расхода приточного воздуха составляет [1] 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 в диапазонах не менее широких по сравнению с приведенными выше.

По имеющимся оценкам [3] 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).

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

Следует отметить, что целесообразность принятия решения относительно использования того или иного способа энергосбережения определяется, прежде всего, экономическими соображениями. Капиталовложения являются рентабельными, когда общая прибыль ( ) превышает инвестиционные вложения ( )

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. Рассмотрение данных вопросов как с теоретической, так и с практической точек зрения должно способствовать повышению уровня инженерных разработок, связанных с проектированием новых и реконструкцией существующих зданий и сооружений.

Использование частичной либо полной рециркуляции является одним из действенных средств энергосбережения, достаточно хорошо исследованных и нашедших широкое использование на практике, поскольку с инженерной точки зрения при этом в дополнение к стандартному набору вентиляционного оборудования требуется установка простейшей смесительной секции.

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.

Более сложными являются схемы рекуперации тепла, на примере которых рассмотрим более подробно структуру указанных выше экономических показателей. В этом случае общая прибыль определяется суммой следующих основных слагаемых:

годовая стоимость рекуперируемого тепла;

где:

экономия за счет государственных льгот, амортизационных отчислений и т.п.

экономия за счет сокращения расходов на производство и распределение дополнительного тепла;

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

годовая рекуперация тепла;

где:

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

стоимость тепловой энергии.

Годовая рекуперация тепла при неизменных производственных условиях рассчитывается обычным образом.

расход приточного воздуха, м3/час;

где:

удельная теплоемкость воздуха на притоке(ок. 2,79 кВт-час/кг К ;

плотность воздуха на притоке, кг/м3;

температура на притоке до рекуператора;

температура на вытяжке;

эффективность рекуперации тепла по отношению к притоку.

число часов работы в течение года;

Сменность работы

Температура воздуха на притоке до рекуператора определяется, исходя из климатологических данных [4] . В зависимости от сменности работы вводятся поправки по следующей схеме , где

2-сменная

1-сменная

(0C)

3-сменная

0,5

1,0

Экономия за счет сокращения расходов на производство и распределение дополнительного тепла . 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.

Инвестиционные вложения определяются суммой следующих основных слагаемых:

Экономия за счет государственных льгот, амортизационных отчислений и т.п. . 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».

где:

стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии;

капитальные затраты;

расходы на техническое обслуживание и ремонт.

эксплуатационные расходы;

Стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии . Установка рекуператоров приводит к увеличению потери давления в вентиляционной сети. В результате требуется увеличение напора, развиваемого вентагрегатом и, соответственно, электроэнергии, потребляемой электродвигателем.

Капитальные затраты 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.

где:

потеря давления в рекуператоре на вытяжной ветви, Па;

расход воздуха на вытяжке, м3/час;

действующий тариф на электрическую энергию в расчете на кВт час;

потеря давления в рекуператоре на приточной ветви, Па;

При использовании рекуперации тепла в производственных условиях стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии ( ) может достигать 10% от годовой стоимости рекуперируемого тепла ( ).

коэффициент полезного действия вентагрегата (1 вытяжка, 2 приток).

Расходы на техническое обслуживание и ремонт 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.

Эксплуатационные расходы 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).

Дополнительная разность энтальпий на приточной и вытяжной ветвях при этом составляет

Существенное повышение эффективности рекуперации тепла обеспечивается с помощью тепловых насосов, устанавливаемых в качестве дополнительной ступени за теплообменниками пластинчатого типа.

где:

1,2

Электрическая мощность теплового насоса, кВт;

Коэффициент эффективности COP (Coefficient of Performance) в этом случае достигает 4,5 5,0, т.е. на единицу расходуемой электрической мощности вырабатывается 4,5 5,0 единиц тепловой мощности. При наличии избыточной влажности дополнительным источником энергосбережения является регенерация скрытой теплоты испарения путем конденсации влаги на поверхности испарителя. При этом на каждый килограмм конденсируемой влаги выделяется 580 ккал (2,4 МДж) тепла.

Плотность воздуха при 200С, кг/м3;

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 систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Приведенные выше экономические показатели и соответствующие им математические соотношения положены в основу директивного документа Союза немецких инженеров VDI 2071 (часть “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.

Основой приобретенного опыта является реализация проектов вентиляции и кондиционирования воздуха на ряде объектов промышленного, общественного и социально-культурного назначения, к которым относятся первая очередь реконструкции здания МИД в г. Москве, Центробанк г. Санкт Петербург, промышленные сооружения Санкт Петербургского Морского порта, нефтеперерабатывающий завод в г. Кириши, завод ГАЗДЕВАЙС в г. Москве, картонно-бумажный комбинат в г. Набережные Челны, плавательные бассейны в г.г. Сочи, Ессентуки, Кириши, Минск, теннисные корты в г. Днепропетровск и др. В указанных проектах использовано оборудование ряда европейских фирм, уделяющих наибольшее внимание проблемам энергосбережения, к числу которых, в первую очередь, относятся фирмы DANTHERM (Дания) и HOVAL (Лихтенштейн) [5-9].

Рассматривая представленные выше материалы в качестве своеобразного введения в проблемы энергосбережения при проектировании и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха, мы намерены поделиться опытом и провести дискуссию по вопросам дальнейшего экономически строго обоснованного внедрения в отечественную практику наиболее прогрессивных методов и способов обработки воздуха, а также новых технических решений с использованием последних мировых достижений в данной области.

Colliver D.G. Energy requirements for conditioning of ventilating air, AIVC Technical Note 47, AIRBASE#NO 9104, September 1995, 36 pp.

Литература:

Heat Recovery with Heat Pumps and Dehumidifers in Swimming Pools, DANTERM 05.91, 16 pp.

Irving S.J. Air to air heat recovery in ventilation, AIVC Technical Note 45, AIRBASE#NO 9102, December 1994, 25 pp.

Е.П.Вишневский «Реализация энергосберегающих технологий обработки воздуха на базе рециркуляционно-рекуперационных агрегатов моноблочного типа производства фирмы HOVAL», АВОК, 1998, № 6, стр. 38 39

СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование», Госстрой, 1994.

Е.П.Вишневский «Опыт вентиляции объектов промышленности и социально-бытового назначения с использованием децентрализованных агрегатов производства фирмы HOVAL», АВОК, 1999, № 5, стр. 12 13

«Как извлечь прибыль из воздуха», Информационно-аналитический журнал «Мир Перспектив», 1999, № 1, стр. 24 25

E.P.Vishnevsky “Numerical Estimation and Comparison of Main Energy Efficient Design Strategies for Mechanical Ventilation Systems”, The Journal of the International Society of the Built Environment “Indoor+Built Environment”, 2000, vol. 9, No 2, pp. 118 122.

Е.П.Вишневский «Вентиляция крупных промышленных сооружений с использованием децентрализованных агрегатов моноблочного типа», Огнеупоры и Техническая Керамика, 2000, № 5, стр. 38 40

Украинские заводы покупают газ п.

Главная > Инвестиции

0.0238