Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный строительный университет

Технико-экономическая оптимизация теплоизоляции трубопроводов систем теплоснабжения

К.т.н. О.Д. Самарин, доцент кафедры ОиВ

Как известно, основная идея технико-экономической оптимизации какого-либо инженерного решения и, в частности, энергосберегающих мероприятий при использовании метода совокупных дисконтированных затрат (СДЗ) [1] заключается в нахождении значения некоторого параметра, характеризующего степень реализации данного мероприятия, при котором величина СДЗ принимает минимальное значение для заданного расчетного срока Т.

В качестве параметра может быть, например, сопротивление теплопередаче ограждения, диаметр трубопровода или воздуховода, скорость теплоносителя, габариты вентиляционной установки, температурная эффективность теплоутилизатора и т.д. Оптимизация возможна, если при одном и том же изменении параметра капитальные затраты К увеличиваются, а эксплуатационные Э - уменьшаются или наоборот, т.е. меняются в разных направлениях. Например, при повышении теплозащиты ограждающих конструкций, с одной стороны, снижаются расходы Э на тепловую энергию за счет уменьшения трансмиссионных теплопотерь, а с другой - возрастают затраты К на теплоизоляционный материал. Аналогично при уменьшении диаметров трубопроводов или воздуховодов сокращается их стоимость К из-за уменьшения массы металла, но увеличиваются затраты на электроэнергию Э для привода насосов или вентиляторов вследствие возрастания потерь давления при движении теплоносителя. Таким образом, технико-экономическая оптимизация представляет собой обобщение примеров, когда сравниваются только два варианта, для которых выполняется соотношение К₁>К₂, но Э₁<Э₂, потому что теперь речь идет о бесконечном множестве непрерывно переходящих друг в друга сочетаний параметров, среди которых и нужно выбрать наилучший в смысле минимальной величины СДЗ.

Технико-экономическая оптимизация различных элементов систем теплоснабжения рассматривалась ранее в ряде работ, в том числе в [2] и [3], но все же толщина теплоизоляции теплопроводов обычно принимается, исходя из нормативных потерь теплоты от 1 п м участка [4]. Поэтому исследуем задачу определения оптимальной толщины слоя теплоизоляционного материала д™ по методу СДЗ. Исходные положения здесь аналогичны случаю утепления несветопрозрачных ограждений здания, поскольку и для трубопроводов увеличение д™ приводит к росту капитальных затрат на теплоизоляционный материал К_ти, но одновременно вызывает уменьшение теплопотерь в окружающую среду

Э_тот. Однако, в отличие от изоляции плоской стенки, сопротивление теплопередаче слоя утеплителя на цилиндрической трубе будет выражаться более сложным образом, поэтому результат станет несколько иным.

Все дальнейшие рассуждения будем проводить для удельных величин, отнесенных к 1 п м трубопровода. Капитальные затраты на теплоизоляцию можно вычислить по следующему очевидному соотношению:

Здесь dнар и Dти - наружный диаметр трубопровода и слоя теплоизоляционного материала соответственно, м; С_ти - стоимость теплоизоляционного материала, руб./м³.

Дополнительные годовые эксплуатационные затраты, возникающие вследствие потерь теплоты в окружающую среду, могут быть найдены по выражению:

где (tw-tв)ср - средняя за отопительный период разность температур теплоносителя и воздуха в помещении или в окружающей среде (при открытой наружной прокладке), принимаемая исходя из графика центрального качественного регулирования системы теплоснабжения [3]; R_w - удельное линейное сопротивление теплопередаче 1 п м трубы с теплоизоляцией, м.К/Вт; z_OT - продолжительность отопительного периода в районе строительства по данным [5], сут.; С_т - тариф на тепловую энергию, руб./Гкал; 86400 - число секунд в сутках; 4,19 - удельная теплоемкость воды, кДж/(кгК) [5].

Пренебрегая сопротивлениями теплообмена на внутренней и наружной поверхности трубопровода и сопротивлением теплопередаче непосредственно металлической стенки трубы, как весьма незначительными, для сопротивления слоя изоляции имеем [6]:

где л_ти - теплопроводность изоляционного материала, Вт/(м.К).

В работе [7] предлагается следующая формула для СДЗ:

СДЗ=К.(1+p/100)^Т+Э.[(1+p/100)^Т-1].(100/p), (4)

где p - норма дисконта, которая учитывает упущенную выгоду от того, что средства в размере К вложены в энергосбережение вместо размещения под проценты в банке, %; T - расчетный срок окупаемости, лет.

В расчетах норму дисконта p можно принимать на уровне не ниже ставки рефинансирования Центрального Банка РФ. По состоянию на конец 2010 г. - начало 2011 г. она равна 7,75% годовых. Величина p связана с текущей величиной этой ставки, а также с коммерческими рисками капиталовложений. В [1] предлагается использовать на ближайшую перспективу значение p=10%.

Подставляем выражения для К_ти и Э_тот (1-3) вместо К и Э в (4), находим производную d(СДЗ)/d(д_Tи) и приравниваем ее нулю, откуда после некоторых преобразований для оптимальной (экономически целесообразной) толщины теплоизоляции д™.^ в безразмерном виде получаем:

- ориентировочная толщина слоя утеплителя без учета кривизны стенки трубы (здесь коэффициент 2,06=86400.10^-4/4,19).

Анализ этих двух формул показывает, что оптимальный уровень теплоизоляции трубопровода при прочих равных условиях тем выше, чем дороже тепловая энергия. В то же время стоимость теплоизоляционного материала оказывает обратное воздействие - в сторону снижения Rem-. Это достаточно очевидно, если учесть, что С_т влияет на значение Э_тот, а С_ти - соответственно на К_ти. Климатические параметры тоже имеют значение для теплоизоляции, но довольно слабое: в данном случае величина д-,-_и пропорциональна только Dd⁵. Наконец, чем больше норма дисконта, тем д™ должна быть ниже, и именно потому, что в этом случае возрастает риск дополнительных капиталовложений и уменьшаются гарантии их последующего возврата. Дополнительно только отметим, что в формулу по определению д_и не входит в явном виде наружный диаметр трубы, но это тоже достаточно понятно, и именно потому, что соотношение для дф_и не учитывает кривизну слоя теплоизоляции.

Такой учет осуществляется формулой (5), и можно показать, что при прочих равных условиях дти.опт<д?ти, и разница тем заметнее, чем выше отношение Dти/dнар. Иначе говоря, теплоизоляция на цилиндрической стенке работает эффективнее, чем на плоской, а д™ - это предельная максимальная толщина изоляции при dna^». Это следует из выражения для R_w, откуда оказывается, что термическое сопротивление слоя материала с одной и той же величиной д™ будет всегда больше на круглой трубе, чем на плоской конструкции.

Однако уравнение (5) существенно нелинейно, поэтому для его решения относительно величины д™.опт следовало бы воспользоваться методами последовательных приближений. Тем не менее, для инженерных расчетов можно ограничиться следующей зависимостью, которая, как показывает приведенный ниже пример расчета, имеет достаточную точность и в то же время является очень простой: дти.опт=д?ти.K, где K - поправочный коэффициент.

Здесь дотн=д?ти/dнар, - относительная ориентировочная толщина изоляции. Данное выражение справедливо в пределах примерно до дофн<0,7.

В качестве примера для теплоизоляции из пенополиуретана плотностью 60 кг/м³, теплопроводностью л™=0,041 Вт/(м.К) по параметрам «Б» [8] (при использовании предлагаемой методики специалистам рекомендуется пользоваться соответствующими нормативными документами и техническими условиями на тепловую изоляцию различных типов - прим. авт.) и стоимостью С_ти=3000 руб./м³ по среднерыночным ценам 2010 г., при средней разности температур (tw-tв )_ср=60 ^ОС, считая наружный диаметр трубопровода d_нар=0,3 м, а также принимая z_OT=214 сут. по данным [5] и С_т=1290,81 руб./Гкал (тариф ОАО «МОЭК» для нежилых потребителей в ценах 2010 г.), для Т=5 лет получаем д™=0,132 м.

Тогда дофн=0,44, К=0,767; дти.опт=0,101, м - значение, вполне соответствующее используемым в практике проектирования теплосетей [3].

Проверяем выполнение равенства (5):

теплоизоляция пенополиуретан трубопровод энергосберегающий

0,5(1+2.0,101/0,3).ln(1+2.0,101/0,3)= =0,431=0,132/0,3=0,44.

Таким образом, погрешность составляет всего около 2%.

При произвольных значениях дотн поправку К можно определить по графику на рисунке (сплошная линия).

Для сравнения на рисунке пунктиром показана зависимость (6), откуда видно, что расхождение действительно не превышает 2% и заведомо меньше, чем ошибка, возникающая вследствие пренебрежения остальными факторами, влияющими на результат расчета.

Таким образом, мы получили методику технико-экономической оптимизации толщины теплоизоляции трубопроводов систем теплоснабжения, учитывающую текущие значения цен и тарифов на материалы и энергоносители, а также уровень инфляции и рисков капиталовложений. Методика достаточно проста и пригодна для использования в инженерной практике и учебном процессе.

Литература

1. Дмитриев А.Н., Табунщиков Ю.А., Ковалев И.Н., Шилкин.

2. Н.В. Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. 120 с.

3. Богуславский Л.Д., Симонова А.А., Митин М.Ф. Экономика теплогазоснабжения и вентиляции. М.: Стройиз- дат, 1988. 351 с.

4. Ионин А.А. и др. Теплоснабжение. М.: Стройиздат, 1982. 336 с.

5. СНиП41-02-2003 «Тепловые сети». М.: ГУПЦПП, 2004.

6. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология». - М.: ГУП ЦПП, 2004.

7. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 684 с.

8. Гагарин В.Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Часть 1 //АВОК, 2009. № 1. С. 10-16.

9. СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий». М.: ГУП ЦПП, 2004.

Размещено на Allbest.ru