На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Наука для практики

01.01.2014 Влияние плотности застройки района на выбор источника теплоснабжения

 

Влияние плотности застройки района на выбор источника теплоснабжения

 

A model finding an optimal heat supply system was developed depending on the density of the thermal load. The influence of different factors on the choice of the optimal scheme of heating district heat supply was analyzed, in particular factors such as building density, higher energy prices and the duration of the life cycle of the heat supply system. The developed model can be used to optimize the choice of heating schemes existing and under construction areas and settlements.

 

В странах бывшего СССР централизованные системы теплоснабжения создавались в 1960–1980-е гг. и с тех пор практически не обновлялись. Сегодня существует много вопросов и проблем, касающихся развития и модернизации систем теплоснабжения. Во многих городах наблюдается процесс перехода на индивидуальное отопление. В Украине вопросы модернизации и развития систем теплоснабжения рассматриваются на государственном уровне [1] и в целом ряде публикаций [2–4].

 

Так, в работе [5] предложена методика определения оптимального размещения газовой котельной для нового жилого района по критерию минимизации суммарных затрат за жизненный цикл системы централизованного теплоснабжения. Данная методика может применяться при проектировании централизованных систем теплоснабжения районов и населенных пунктов. Проанализировано влияние изменения цен на энергоносители и предварительно изолированные трубы и учтено изменение жизненного цикла системы теплоснабжения, что влияет на оптимальную конфигурацию тепловой сети. В работе [6] описаны преимущества и недостатки централизованных систем теплоснабжения (ЦСТ) и автономного отопления, а также проблемы, связанные с выбором той либо иной системы теплоснабжения. В статье [10] на примере модельного района определены границы экономической целесообразности применения современных систем индивидуального и централизованного теплоснабжения на основе газовых котлов.

В данной статье мы рассмотрим влияние плотности тепловой нагрузки на выбор наиболее экономически выгодной системы теплоснабжения жилого района с газовым источником тепла по критерию минимизации суммарных (капитальных и эксплуатационных) денежных затрат за жизненный цикл работы системы.

Рассмотрим три варианта теплоснабжения зданий:

• централизованное отопление – районная котельная с установкой индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) в каждом здании;

• крышные котельные – с ИТП для каждого здания;

• поквартирное отопление – с установкой индивидуальных газовых котлов для каждой квартиры (рис. 1).

 

 

Необходимо определить оптимальный вариант теплоснабжения в зависимости от плотности застройки, а также от других факторов, которые влияют на величину критерия оптимизации. Этим критерием является минимизация суммарных затрат денежных средств за весь период жизненного цикла централизованной системы (ЖЦС) теплоснабжения [7].

Суммарные затраты средств за период жизненного цикла системы теплоснабжения включают:

• капиталовложения на оборудование, в том числе на проектирование и монтаж тепловых источников;

• капиталовложения на предварительно изолированные трубопроводы ППУ необходимых диаметров (для районной котельной);

• эксплуатационные расходы средств на электроэнергию для транспортировки теплоносителя на период проекта (для районной и крышных котельных);

• эксплуатационные расходы средств для компенсации потерь тепла при транспортировке теплоносителя на период проекта (для районной котельной);

• зарплата персонала.

Для упрощения задачи по выбору теплового источника принято, что все дома находятся на одной высоте над уровнем моря. Расположение районной котельной – оптимальное (по методике [5]); система теплоснабжения – водяная, двухтрубная, подземная, закрытая, с параметрами теплоносителя 90–70 °С; ежегодные эксплуатационные расходы за период проекта (или ЖЦС) не изменяются во времени. Предполагается также, что стоимость районной котельной со всем необходимым оборудованием не зависит от ее расположения. Для того чтобы сформулировать математическую постановку задачи, введем следующие величины:

і – номер дома, i Î {1, 2, 3, 4, … n};

n – количество домов;

З – суммарные затраты за весь период жизненного цикла централизованной системы теплоснабжения, тыс. долл.;

t – период жизненного цикла системы теплоснабжения, лет;

Зі – суммарные затраты для i-го дома за весь период жизненного цикла централизованной системы теплоснабжения, тыс. долл.;

кз – капитальные затраты на закупку и монтаж оборудования тепловых источников, тыс. долл.;

кі – капитальные затраты на закупку и монтаж предварительно изолированных трубопроводов ППУ необходимых диаметров для i-го дома, тыс. долл. (в случае районной котельной);

wі – годовые эксплуатационные затраты средств на электроэнергию для транспортировки теплоносителя для i-го дома, тыс. долл. за год (в случае районной и крышных котельных);

gі – годовые эксплуатационные затраты средств для компенсации потерь тепла при транспортировке теплоносителя для i-го дома, тыс. долл. за год (в случае районной котельной).

Используя введенные величины, математическую постановку задачи по выбору теплового источника можно сформулировать так:

 

 

где Зi = кз + кi + (wi + gi)t. (2)

Величина кз зависит от удельной стоимости котлов, ИТП и прочего оборудования, входящего в состав источников тепла (рис. 2–4). Величина wі прямо пропорциональна величине гидравлических потерь для данного участка тепловых сетей и стоимости электрической энергии. Гидравлические расчеты трубопроводов выполняются согласно методике [8]. Величина gi имеет прямую зависимость от стоимости и потерь тепловой энергии (природного газа) в трубопроводах тепловых сетей. Потери тепла в трубопроводах рассчитываются согласно методикам [8, 9].

 

 

Данные, представленные на рис. 2–4, получены на основании анализа рыночных цен на оборудование и трубы.

Исходные данные, которые соответствуют плотности тепловой нагрузки жилого района современного мегаполиса, и результаты расчета базового варианта (площадь территории – 4 га, плотность тепловой нагрузки – 1,4 МВт/га) представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

 

Результаты расчета капитальных и эксплуатационных затрат в зависимости от выбора варианта теплоснабжения жилого района современного мегаполиса

Наименование величины

Размерность

Значение

Исходные данные

Период жизненного цикла системы

лет

20

Температура подачи теплоносителя

°С

90

Температура обратки теплоносителя

°С

70

Средняя плотность теплоносителя

кг/м3

978

Количество потребителей тепла (домов)

шт.

10

Суммарная нагрузка потребителей тепла

МВт

5,6

Стоимость бытового газового котла мощностью 5 кВт

долл./шт.

995

Необходимое количество бытовых котлов мощностью по 5 кВт

шт.

1 120

Стоимость природного газа

долл./тыс. м3

125

Стоимость электроэнергии

долл./кВт•ч

0,04

Расчет стоимости оборудования и материалов

Стоимость котельной мощностью 5,6 МВт

млн долл.

0,232

Cтоимость 10 крышных котельных мощностью 5,6 МВт

млн долл.

0,435

Стоимость квартирных котлов по 5 кВт

млн долл.

1,114

Стоимость ТС при 1,4 МВт/га (4 га)

млн долл.

0,077

Стоимость ТС при 0,35 МВт/га (16 га)

млн долл.

0,154

Стоимость ТС при 0,0875 МВт/га (64 га)

млн долл.

0,308

Стоимость ТС при 0,0219 МВт/га (256 га)

млн долл.

0,615

Стоимость ТС при 0,0055 МВт/га (1 024 га)

млн долл.

1,23

Эксплуатационные затраты за 20 лет

Для 10 крышных котельных

млн долл.

0,039

Для квартирных котлов по 5 кВт

млн долл.

0,29

Для районной котельни при 1,4 МВт/га (4 га)

млн долл.

0,285

Для районной котельни при 0,35 МВт/га (16 га)

млн долл.

0,39

Для районной котельни при 0,0875 МВт/га (64 га)

млн долл.

0,6

Для районной котельни при 0,0219 МВт/га (256 га)

млн долл.

1,02

 

Суммарные затраты (капитальные и эксплуатационные за 20 лет) для районной котельной и для 10 крышных котельных в зависимости от площади района, на котором расположены тепловые потребители, показаны на рис. 5. Эти же зависимости для районной котельной и поквартирных котлов представлены на рис. 6.

 

 

Анализ данных на рис. 5–6 показывает, что для базового варианта при плотности тепловой нагрузки свыше 4 МВт/га выгоднее использовать централизованное теплоснабжение; при плотности тепловой нагрузки от 0,002 МВт/га до 4 МВт/га более выгодны крышные котельные; при плотности менее 0,002 МВт/га – крышные котельные или поквартирное отопление.

В табл. 2 показано, как изменятся эти выводы для рассмотренных источников тепла, если будут меняться период жизненного цикла системы и цены на энергоносители. Как видно из таблицы, для жизненного цикла системы 20 лет при увеличении стоимости энергоресурсов (электроэнергия и природный газ) диапазон плотности тепловых нагрузок для районной котельной и поквартирного отопления увеличивается, а для крышных котельных уменьшается. При уменьшении жизненного цикла системы до 15 лет и при увеличении стоимости энергоресурсов диапазон плотности тепловых нагрузок районной котельной уменьшается, а для поквартирного отопления и крышных котельных, наоборот, увеличивается.

 

Таблица 2

 

Результаты расчетов плотности тепловой нагрузки района для разных источников теплоснабжения в зависимости от изменений стоимости энергоносителей и жизненного цикла системы

Наименование величины

Размерность

Базовый вариант

1 вариант

2 вариант

3 вариант

4 вариант

5 вариант

6 вариант

Стоимость природного газа

долл./тыс. м3

125

250

375

500

125

250

375

Стоимость электрической энергии

долл./кВт•ч

0,04

0,08

0,12

0,16

0,04

0,08

0,12

Жизненный цикл системы

лет

20

20

20

20

15

15

15

Расчет плотности тепловой нагрузки района, при которой источник теплоснабжения наиболее выгоден с позиции минимальных затрат

денежных средств за жизненный цикл системы

Районная котельная (схема А)

МВт/га

>4

>3,98

>3,95

>3,73

>2,24

>2,54

>2,8

10 крышных котельных (схема В)

МВт/га

0,047–4

0,065–3,98

0,086–3,95

0,096–3,73

0,037–2,24

0,049–2,54

0,064–2,8

Поквартирное отопление и 10 крышных котельных (схема С)

МВт/га

<0,047

<0,065

<0,086

<0,096

<0,037

<0,049

<0,064

 

Таким образом, с ростом цен на энергоносители:

• в зависимости от ЖЦС изменяется экономическая привлекательность централизованного теплоснабжения по сравнению с крышными котельными. При ЖЦС 20 лет крышные котельные становятся более выгодными, чем районная котельная, а при ЖЦС 15 лет более выгодно использование районной котельной, нежели крышных;

• поквартирное отопление (табл. 2, схема С) при небольшой плотности тепловых нагрузок (менее 0,096 МВт/га) более экономически выгодно по сравнению с централизованным отоплением независимо от ЖЦС. Диапазон плотности тепловой нагрузки для поквартирного отопления всегда увеличивается с ростом цен на энергоносители.

 

Выводы

1. Разработана модель нахождения оптимальной системы теплоснабжения в зависимости от плотности тепловой нагрузки. Проведено расчетное исследование влияния плотности тепловой нагрузки на выбор наиболее экономически выгодной системы теплоснабжения района с газовым источником тепла по критерию минимизации суммарных денежных затрат за весь жизненный цикл работы рассматриваемой системы.

2. Расчетное исследование позволило проанализировать на количественном уровне влияние различных факторов на выбор оптимальной схемы теплообеспечения района, в частности таких факторов, как плотность застройки, рост цен на энергоносители и продолжительность жизненного цикла системы теплоснабжения.

3. Разработанная модель может быть использована для оптимизации выбора схемы теплоснабжения существующих и строящихся районов и населенных пунктов.

 

Александр ДУТКА, аспирант, младший научный сотрудник Института газа НАН Украины,
Евгений НИКИТИН, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Института газа НАН Украины

 

(Статья поступила в редакцию 20.12.2013 г.)

 

Литература

1. Министерство регионального развития, строительства и жилищно-коммунального хозяйства Украины. Государственная целевая программа модернизации и развития систем теплоснабжения Украины на 2012–2022 гг.

2. Башмаков И. А., Папушкин В. Н. Муниципальное энергетическое планирование // Электронный журнал ЭСКО. – 2010. – № 2.

3. Карп И. Н., Никитин Е. Е. Пути решения проблем коммунальной энергетики //

Электронный журнал ЭСКО. – 2011. – № 12.

4. Маліновський А. А., Турковський В. Г., Музичак А. З. Централізоване теплопостачання має перспективу в Україні // Проблеми загальної енергетики. – 2011. – № 4.

5. Дутка А. В., Никитин Е. Е. Выбор оптимального размещения газовой котельной для нового жилого района // Энерготехнологии и ресурсосбережение. – 2012. – № 3.

6. Автономные или централизованные системы отопления и теплоснабжения – проблемы выбора: [Электронный ресурс]. – //www.cogeneration.ru/tech_real/stirling.html.

7. Стратегія енергозбереження в Україні: Аналітично-довідкові матеріали в 2-х томах: Механізми реалізації політики енергозбереження / За ред. Жовтянського В. А., Кулика М. М., Стогнія Б. С. – К.: Академперіодика, 2006. – Т 2. – 600 с.

8. ДБН В.2.5-39:2008 «Теплові мережі». – 2008.

9. Справочник проектировщика под ред. Николаева А. А. – Проектирование тепловых сетей. – М., 1965. – 360 с.

10. Дубовський С. В., Бабін М. Є., Левчук А. П., Рейсіг В. А. Межі економічної доцільності централізації та децентралізації теплопостачання // Науковий збірник «Проблеми загальної енергетики». – 2011. – № 1.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком