Как рассчитываются тепловые потери

В процессе выбора теплоизоляционных материалов, конструкций и изделий неизбежно возникает ряд важных вопросов, правильно ответить на которые можно, только выполнив соответствующие расчеты, потому как другие методы (метод аналогов и т.д.) далеко не во всех случаях дают приемлемый результат. Простой пример: в случае бесканальной прокладки трубопроводов условным проходом 200 мм одно только изменение характеристик грунта и глубины заложения может изменить минимально возможную толщину тепловой изоляции на 40% при всех прочих равных условиях. А значение тепловых потерь при фиксированной толщине теплоизоляционного слоя может возрасти на 24%. Отсюда следует вывод, что даже при неизменных параметрах трубопроводов и теплоносителей нужно выполнять индивидуальный расчет тепловых потерь с учетом конкретных условий прокладки.

Схема теплопотерь дома.

Общие сведения о методике расчета тепловых потерь

Целью, с которой проводится расчет тепловых потерь, является определение фактических потерь теплоэнергии через теплоизоляцию трубопроводов водяных тепловых сетей централизованного теплоснабжения.

Расчет тепловых потерь проводится для всей теплосети, подключенной к общему источнику энергии. Расчет фактических потерь тепловой энергии по каким-то отдельным участкам сети не выполняется.

Расчет тепловых потерь предполагает наличие аттестованных узлов учета тепловой энергии как у потребителей тепловой энергии, так и на источнике тепловой энергии. Количество потребителей, имеющих приборы учета, должно быть не меньше 20% от суммарного количества потребителей рассматриваемой тепловой сети.

Таблица расчета тепловых потерь.

Приборы, с использованием которых будет выполняться расчет тепловых потерь отопительных трубопроводов, должны быть оснащены архивом с часовой и суточной регистрацией значений. Глубина часового архива должна быть не меньше 720 часов, а суточного — не меньше 30 суток.

Основным при выполнении расчета тепловых потерь отопительных трубопроводов является часовой архив. Суточный архив применяется в случае отсутствия часовых данных по каким-либо причинам.

Расчет фактических тепловых потерь выполняется на основании измерений температуры и расхода сетевой воды в подающем трубопроводе у потребителей сети, имеющих приборы учета, а также температуры сетевой воды на источнике энергии. Расчет тепловых потерь для потребителей без измерительных приборов выполняется по несколько иной методике.

Потребителями и источниками тепловой энергии считаются:

• в случае отсутствия приборов учета непосредственно в строениях: потребители тепловой энергии — индивидуальный или центральный тепловой пункты; источники тепловой энергии — котельные, теплоэлектростанции и т.п.;
• в случае наличия учетных приборов непосредственно в зданиях потребителями тепловой энергии считаются непосредственно здания, а источниками — центральные тепловые пункты.

Нормативы расхода тепловой энергии на собственные нужды котельной.

Для удобства выполнения расчета потерь тепловой энергии через теплоизоляцию подающие трубопроводы разграничиваются на: основные трубопроводы и ответвления от основных трубопроводов.

Под основным трубопроводом следует понимать часть подающего трубопровода между источником тепловой энергии и тепловой камеры, из которой идет ответвление к потребителям тепловой энергии.

Ответвления от основных трубопроводов — это части подающих трубопроводов от соответствующих тепловых камер до потребителей тепловой энергии.

Расчет фактических тепловых потерь выполняется с использованием нормативных значений потерь, которые определяются по нормам потерь тепловой энергии для сетей, теплоизоляция которых была выполнена в соответствии с нормами проектирования (нормы следует уточнять по проектной и исполнительной документации).

Подготовка к расчету

Перед тем как начинать расчет тепловых потерь нужно:

• произвести сбор исходных данных о рассматриваемой тепловой сети;
• составить расчетную схему тепловой сети, на которой указываются условный диаметр (условный проход), тип и длина прокладки трубопроводов для всех участков сети;
• собрать данные по подключенной нагрузке потребителей тепловой сети;
• установить тип приборов учета и наличие у них часовых и суточных архивов.

Типовая расчетная схема тепловой сети.

В случае отсутствия централизованного сбора данных учетных приборов выполняется подготовка необходимых устройств для сбора: переносного компьютера или адаптера. На переносной компьютер необходимо установить специальную программу, которая поставляется в комплекте с прибором учета. Данная программа предназначена для считывания часовых и суточных архивов с заданных теплосчетчиков.

В целях повышения точности расчета тепловых потерь предпочтительно выполнять сбор данных учетных приборов за некоторый временной интервал в неотопительный сезон, когда расход сетевой воды незначительный, предварительно узнав в теплоснабжающей организации о запланированных отключениях подачи тепловой энергии, чтобы данное время исключить из периода сбора показаний измерительных приборов.

При помощи проектной и исполнительной документации по рассматриваемой тепловой сети создается таблица всех участков данной тепловой сети. Под участком тепловой сети следует понимать участок трубопровода, который отличается от остальных одной из следующих характеристик:

• условным диаметром трубопровода (условным проходом трубопровода);
• типом прокладки (подземная канальная, надземная, подземная бесканальная);
• тепловой изоляцией (материалом основного слоя термоизоляционной конструкции);
• годом прокладки.

Таблица среднемесячных температур грунта и наружного воздуха.

В соответствующей таблице дополнительно указывается длина участка и наименование начального и конечного узлов рассматриваемого участка.

Основываясь на данных метеослужбы, необходимо составить таблицу среднемесячных температур грунта и наружного воздуха на разных глубинах прокладки трубопроводов, усредненных за 5 лет. Среднегодовые температуры грунта и наружного воздуха определяются как среднее арифметическое из среднемесячных значений за все время эксплуатации тепловой сети. Основываясь на утвержденном тепловом графике отпуска тепловой энергии, следует определить среднемесячные температуры сетевой воды в обратном и подающем трубопроводах.

Для определения среднемесячной температуры сетевой воды нужно знать среднемесячную температуру наружного воздуха. Среднегодовые температуры сетевой воды в обратном и подающем трубопроводах определяются как среднее арифметическое из среднемесячных показателей с учетом продолжительности работы тепловой сети по месяцам и за календарный год. Основываясь на данных службы учета теплопотребления, которые можно получить в теплоснабжающей организации, следует составить таблицу, в которой для каждого потребителя приводятся следующие данные:

Расчетные значения расхода сетевой воды на горячее водоснабжение.

• тип системы теплоснабжения (закрытая или открытая);
• наименование потребителей тепловой энергии;
• присоединенная нагрузка вентиляционной системы;
• присоединенная нагрузка отопительной системы;
• значение присоединенной средней нагрузки системы горячего водоснабжения;
• глубина часового и суточного архивов;
• марка (наименование) приборов учета;
• отсутствие или наличие централизованного сбора данных.

В случае наличия централизованного сбора данных в соответствии с результатами измерений следует выбрать период, за который будет выполняться расчет тепловых потерь. При этом нужно учитывать ряд факторов, а именно:

• в целях повышения точности расчета тепловых потерь лучше всего выбирать период с наименьшим расходом сетевой воды (как правило, это неотопительный период);
• в выбранный период времени не должно проводиться плановых отключений потребителей от теплосети;
• показатели измерительных приборов собираются как минимум за 30 календарных дней.

Формула расчета тепловых потерь.

В случае отсутствия централизованного сбора данных нужно в течение 3-5 дней собрать суточный и часовой архивы учетных приборов у потребителей теплоэнергии и на источнике теплоэнергии, используя для этого адаптер либо переносной компьютер с установленным программным обеспечением для считывания данных с используемого теплосчетчика.

Чтобы выполнить расчет тепловых потерь, нужно иметь следующие данные:

• температура сетевой воды в подающих трубопроводах у потребителей;
• расход сетевой воды в подающих трубопроводах у потребителей;
• температура сетевой воды в обратном и подающем трубопроводах на источнике теплоэнергии;
• расход сетевой воды в подающих трубопроводах на источнике теплоэнергии;
• расход подпиточной воды на источнике энергии.

Порядок обработки исходных данных приборов учета

Главная задача обработки данных учетных приборов заключается в преобразовании исходных файлов, которые считываются непосредственно с тепловых счетчиков, в единый формат, который позволяет проводить дальнейшую проверку на достоверность (верификацию) измеренных параметров теплопотребления и необходимые расчеты.

Конструкция теплового счетчика.

Для тепловых счетчиков разных видов данные считываются в разных форматах и требуют соответствующих процедур обработки. Так, для одного типа теплосчетчиков у различных потребителей параметры, сохраненные в архиве, могут требовать использования разных коэффициентов приведения начальных данных к единым физическим величинам. Различие данных коэффициентов определяется характеристикой импульсных входов вычислителя и диаметром преобразователя расхода. Ввиду этого первоначальная обработка полученных данных требует индивидуального подхода для файлов исходных данных. Часовые и суточные параметры теплоносителя применяются для подтверждения достоверности измеренных значений. При выполнении данной процедуры основное внимание необходимо обратить на следующие показатели:

• значение расходов и температур теплоносителя не должны выходить за физически обоснованные границы;
• суточный файл не должен содержать резких изменений расхода теплоносителя;
• изменение значения среднесуточной температуры носителя в подающем трубопроводе на источнике тепловой энергии должно соответствовать изменению среднесуточной температуры в подающем трубопроводе и потребителей;
• среднесуточная температура теплоносителя в подающем трубопроводе у потребителей должна быть не выше среднесуточных значений температуры в подающем трубопроводе на источнике.

Конструкция счётчика тепла.

В соответствии с результатами верификации исходных данных учетных проборов следует составить таблицу, в которой для всех потребителей тепловой энергии, имеющих приборы учета, и для источника энергии приводится тот период времени, когда достоверность начальных данных не вызывает сомнений. На основании этой таблицы следует выбрать общий период, в течение которого имеются достоверные данные изменения для всех потребителей сети и на источнике теплоэнергии (так называемый период наличия данных).

На основании часового файла данных, полученного на источнике теплоэнергии, определяют количество часов в периоде измерений, данные за которые будут использованы для дальнейшей обработки. Перед тем как определять период измерений, следует вычислить время, необходимое для заполнения всех подающих трубопроводов теплоносителем.

Условия для проведения расчета

Нужно, чтобы период измерений удовлетворял ряду условий, а именно:

• значение средней температуры сетевой воды в подающем трубопроводе на источнике теплоэнергии за время до начала периода измерений и значение средней температуры воды в подающем трубопроводе на источнике теплоэнергии за время в конце измерений должно отличаться не более, чем на 5 градусов;
• измерения должны вестись непрерывно в течение как минимум 240 часов;
• период измерений должен полностью содержаться в периоде наличия данных.

Проведение расчета теплопотерь дома.

Если подобный период невозможно выбрать по причине отсутствия данных у одного или же нескольких потребителей, то данные приборов учета таких потребителей в дальнейших расчетах не используются.

Количество потребителей, у которых есть данные приборов учета, должно составлять не меньше 20% от суммарного числа потребителей рассматриваемой тепловой сети. В случае уменьшения количества потребителей с учетными приборами до менее 20% нужно подобрать другой период для сбора данных и снова проделать процедуру верификации.

Для параметров, полученных на источнике теплоэнергии, нужно определить среднюю за период измерений температуру сетевой воды в подающем трубопроводе и среднюю за период измерений температуру сетевой воды в обратном трубопроводе.

Для измерительного периода нужно определить среднюю температуру воздуха и среднюю температуру почвы на средней глубине заложения оси трубопроводов.

Методика расчета характеристик тепловой изоляции

Расчет минимально допустимой толщины тепловой изоляции трубопроводов и оборудования выполняется на основании норм плотности теплового потока, которые зафиксированы в СНиП 41-30-2003. Алгоритм и расчетные формулы приведены в СП 41-103-2000. С помощью этого же документа можно рассчитать и фактические тепловые потери.

Однако проблема заключается в том, что в зависимости от варианта прокладки теплотрассы количество формул, используемых для расчетов, составит от 8 до 23. Количество же входящих в них переменных и коэффициентов — от 20 до 29. Так что даже при наличии у вас специальных знаний и опыта выполнения расчета минимально допустимой толщины тепловой изоляции (а равно и расчета фактических тепловых потерь) — это очень трудоемкая работа.

Методика расчета минимально допустимой толщины тепловой изоляции

Формула расчета минимально допустимой толщины тепловой изоляции.

Минимально допустимая толщина теплоизоляции трубопроводов определяется максимально допустимыми значениями потерь теплоэнергии для единицы длины трубопровода. Эти нормы регламентированы СНиП 41-03-2003.

Многих интересует, что будет, если пренебречь нормами СНиП и допустить большие тепловые потери. Если оставить в стороне административно-правовой аспект этого вопроса и рассмотреть исключительно экономические последствия, то дело будет обстоять следующим образом.

В последние годы имеет место планомерное ужесточение подхода надзорных органов к рассмотрению и утверждению показателей технологически обусловленных тепловых потерь при транспортировке энергии. То есть с каждым годом теплоснабжающие организации могут включать в тариф (и тем самым перекладывать на плечи потребителей) все меньшие тепловые потери.

В соответствии с действующими нормативными документами потери, которые включаются в тариф, не могут быть больше установленных СНиП значений более, чем на определенную величину, которая жестко регламентируется. Как правило, эта величина ограничивается дополнительными теплопотерями через опоры трубопроводов и составляет порядка 15-20% от нормативных потерь.

Таблица расчета минимально допустимой толщины тепловой изоляции.

Нормативы тепловых потерь СНиПа от 2003 года примерно на 26% меньше, чем нормативы СНиПа от 1988 года, и практически в 2,5 раза меньше значений, установленных нормами 1959 года. Становится ясно, что альбомы проектных решений и прочая проектная документация, составленная до 2003 года, в основном не способны обеспечить соответствия теплопотерь современным требованиям.

Таким образом, применение устаревших (конкретно в этом случае — разработанных до 2003 года) проектных решений или же использование готовых теплоизоляционных изделий без выполнения расчетов на соответствие их требованиям СНиП способно обернуться ежегодными сверхнормативными потерями тепловой энергии.

Методика расчета фактических потерь тепловой энергии через изоляционный материал

Соотношение расчетной плотности теплового потока.

Невозможно сопоставить разные теплоизоляционные материалы и изделия по соотношению их цены и качества, не определив заранее, каковы будут значения тепловых потерь при их применении.

На диаграмме, представленной на изображении 1, приведено соотношение расчетной плотности теплового потока при использовании разнообразных теплоизоляционных материалов. При равной толщине изоляции тепловой поток через нее для разных материалов отличается во много раз. Методика [1] соответствует расчету, который предложили Н.Н Арефьев и Л.И. Мунябин.

На этой диаграмме приведен тепловой поток для изделий с равной толщиной теплоизоляционного материала. Теоретически чем выше значение теплопроводности материала, тем толще должно быть изготовленное из него изделие. Однако в реальных условиях изделия, имеющие большую теплопроводность, зачастую имеют меньшую толщину по сравнению с изготовленными из более эффективных материалов. Ввиду этого на практике фактические теплопотери через изоляцию разных марок различаются еще больше, чем на приведенной диаграмме.

Отсюда вывод, в соответствии с которым следует, что экономически обоснованный выбор теплоизоляционных изделий и материалов возможен исключительно на основе результатов расчета теплопотерь, которые будут иметь место при применении этих изделий и материалов.

Методик, в соответствии с которыми может быть выполнен расчет тепловых потерь через изоляцию, существует довольно много. Основное различие между ними состоит в методах учета изменений условий эксплуатации теплосетей, прежде всего — зависимости между теплопроводностью и влагопоглощением теплоизоляционного материала.