Анализ действующих и исследование современных инновационных систем теплоснабжения жилых массивов городов

Введение. Система теплоснабжения является одной из базовых отраслей национальной экономики и необходима для создания комфорта, санитарных и бытовых условий в жилых помещениях, в объектах образования и здравоохранения, других “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №2/2025 106 Машинасозлик ва энергетика административных и общественных зданиях. Низкое качество или отсутствие отопления и горячего водоснабжения увеличивает распространение среди населения недовольствий, связанных с отсутствием комфорта, необходимых санитарных и бытовых условий в их жизни [1, 2]. В густонаселенных жилых районах с многоэтажной застройкой централизованное теплоснабжение являются наименее затратным вариантом отопления в долгосрочной перспективе для предоставления услуг теплоснабжения населению. Все отопительные системы на уровне квартир приводят к более высокому потреблению газа, а альтернатива использования систем, полностью работающих на электричестве, является дорогостоящей и также приводит к повышенным нагрузкам на электрическую сеть города. Альтернативы централизованному теплоснабжению жилых массивов городов на сегодняшний день нет. Но в связи с этим существует значительные недостатки в системе теплоснабжения. Температурные перепады в осенне-зимний период значительны. Так же значительны и суточные изменения температур [4,5,6-13]. Назрела необходимость модернизации существующих тепловых систем в результате применения современных энергосберегающих технологий и оборудования в системах централизованного теплоснабжения. Уровень предоставления услуг теплоснабжения и горячего водоснабжения в жилых массивах городов при этом будет значительно улучшен и достигнута значительная экономия природных ресурсов за счет более эффективного использования тепловой энергии [12,13]. Анализ различных существующих систем теплоснабжения. Существующие различные схемы присоединения потребителей к тепловым сетям разделяются на зависимые и независимые, а также на закрытые и открытые. Принятая та или иная схема зависит от необходимой мощности, расстояния до теплоснабжающего предприятия, потребности в горячей воде и отоплении. Ниже приведены различные системы теплоснабжения. Классификация систем теплоснабжения. Отопительные установки Зависимая схема Независимая схема Со струйным и насосным смешением С расширительным баком Прямая раздача С подпиткой обратной сетевой воды Со струйным смешением С насосным смешением С подпиткой из водопровода Рис. 1 Схемы присоединения отопительных установок. В открытых системах сетевая вода частично разбирается у абонентов для горячего водоснабжения или технологических нужд. В настоящее время открытые системы выходят из употребления. И в открытых и закрытых системах в большинстве случаев используются двухтрубные водяные системы. В том случае, когда максимальная температура воды в подающей линии тепловой сети не превышает 95°С, по этой схеме присоединяются также отопительные системы жилых и общественных зданий. В большинстве случаев отопительные системы жилых и общественных зданий, присоединяются к водяным тепловым сетям в зависимой схеме со смесительным устройством. Объясняется это тем, что для жилых зданий, общежитий, школ, поликлиник, музеев и других зданий предельная (максимальная) температура теплоносителя установлена 95°С, в “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №2/2025 107 Машиностроение и энергетика то время как максимальная температура воды в подающей линии от ТЭЦ принимается в большинстве случаев 150 °С, причем в крупных системах теплоснабжения экономически может быть оправдано повышение максимальной температуры сетевой воды в подающем трубопроводе до 170—190 °С. Элеваторная система теплоснабжения. Смесительное устройство или элеватор, установленный на абонентском вводе, подмешивает к горячей воде, поступающей из подающей линии, охлажденную воду из обратной линии. В результате получается смешанная вода более низкой температуры, чем вода в подающей линии. В качестве смесительных устройств на абонентских вводах применяются струйные и центробежные насосы. Элеватор служит для снижения температуры воды в местной системе отопления и создания в ней необходимого циркуляционного напора. На рис.2. показан струйный насос (элеватор). Схема со струйным насосом или элеватором, получившая широкое применение в России и других странах содружества, была разработана и предложена проф. В.М. Чаплиным еще на заре развития теплофикации. Вода из подающей линии тепловой сети поступает после регулятора расхода (РР) 11 в элеватор 9. Одновременно в элеватор подсасывается часть охлажденной воды, возвращающейся из отопительной установки в обратную линию тепловой сети. Смешанная вода подается элеватором в отопительную систему. Для работы элеватора необходимо иметь на абонентском вводе значительную разность напоров между подающей и обратной линиями теплосети, за счет которой создается повышенная скорость воды на выходе из сопла элеватора, необходимая для создания эффекта инжекции. При потере напора в циркуляционном контуре местной отопительной системы 1 ÷ 1,5 м и обычно требующихся коэффициентах инжекции (отношение расхода подсасываемой воды к расходу воды через сопло) около 1,5—2,5, разность напоров подающей и обратной линий должна составлять 8—15 м. Рис.2. Общий вид струйного насоса (элеватора) Рис.3 Струйный насос (элеватор) в разрезе “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №2/2025 108 Машинасозлик ва энергетика Давление теплофикационной воды на входе в элеватор допускается не более 1 Мпа (10 кгс/см2). Для предотвращения засорения сопла элеватора на линии теплофикационной воды перед элеватором необходимо установить сетчатый фильтр или грязевик с сеткой. К одному элеватору, как правило, присоединяется одна система отопления. Допускается присоединять к одному элеватору несколько систем отопления с увязкой гидравлических режимов этих систем. Элеваторы водоструйные стальные “МИНИ”, “Э” предназначены для присоединения к тепловой сети систем отопления с малыми тепловыми нагрузками (до 60 кВт). Рис.4 Общий вид водоструйного элеватора «Мини» Рис.5. Вид водоструйного элеватора «Мини» в разрезе При элеваторном присоединении систем отопления возможны два способа дросселирования избыточного напора: с помощью дроссельных шайб; с помощью сопел элеваторов. Первый способ позволяет обеспечить расчетные значения расходов сетевой воды, коэффициента смешения и, следовательно, температур воды на входе в систему отопления. Вместе с тем, практика показывает, что при эксплуатации существующих сетей часто пользуются вторым способом регулирования. Циркуляция воды в местной системе осуществляется элеватором за счет энергии сетевой волы, поступающей из тепловой сети. Насос включается в работу только в периоды осуществления количественного регулирования или регулирования «пропусками», что обычно имеет место только при наиболее высоких наружных температурах отопительного сезона ( нt > О °С). В этих режимах для поддержания нормальной внутренней температуры в отапливаемых зданиях подача сетевой воды в отопительные установки должна сокращаться или периодически полностью прекращаться. Насос используется также для создания циркуляции воды в отопительных установках при аварийных ситуациях в тепловой сети. По условиям комфорта в отапливаемых помеще- “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №2/2025 109 Машиностроение и энергетика ниях насос 10, устанавливаемый на абонентских вводах должен работать бесшумно. В том случае, когда присоединение отопительных установок к тепловой сети осуществляется через ГТП, можно ограничиться одним общим смесительным насосом на группу зданий, этим обеспечивается автономная циркуляция воды в отопительных установках. Независимо от этого элеваторы могут быть установлены на вводах в каждое здание. Для поддержания постоянного расхода воды из тепловой сети в отопительную систему на абонентских вводах установлены регуляторы расхода 11. Импульсом работы этих регуляторов является перепад давлений в каком-либо дроссельном органе – шайбе или сопле элеватора. Установка индивидуальных тепловых пунктов. Функции индивидуального теплового пункта заключаются в перераспределении энергии, поступающей из теплосети между системами вентиляции, ГВС и отопления, в соответствии с потребностями здания. При этом учитывается специфика обслуживаемых помещений. Жилые, складские, подвальные и другие их виды, разумеется, должны отличаться и по температурному режиму и параметрам вентиляции. Установка ИТП подразумевает наличие отдельного помещения. Чаще всего оборудование монтируется в подвальных или технических помещениях многоэтажек, пристройках к многоквартирным домам или в отдельно стоящих строениях, находящихся в непосредственной близости. Ниже на рисунке 6 приведена однотрубная система ГВС на базе Центрального теплового пункта (ЦТП) или Индивидуального теплового пункта (ИТП) Рис. 6. Однотрубная система ГВС Модернизация здания путем установки ИТП требует существенных финансовых затрат. Несмотря на это, актуальность ее проведения продиктована преимуществами, сулящими несомненные выгоды, а именно: ▪ расход теплоносителя и его параметры подвергаются учету и оперативному контролю; ▪ распределение теплоносителя по системе в зависимости от условий теплопотребления; “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №2/2025 110 Машинасозлик ва энергетика ▪ регулирование расхода теплоносителя, в соответствии с возникшими требованиями; ▪ повышенный уровень безопасности в случаях аварий и прочие. Единовременные же затраты на оборудование ИТП окупятся за весьма короткий промежуток времени. Теплоноситель, поступающий в индивидуальный тепловой пункт (ТП) по подающему трубопроводу теплового ввода, «отдает» свое теплосодержание в подогревателях систем горячего водоснабжения (ГВС) и отопления (где это необходимо), после чего возвращается в обратный трубопровод теплового ввода и по магистральным сетям возвращается в теплоисточник. Температура воды теплоносителя, поступающего от теплоисточника согласно температурного графика (135/65 со срезкой 115/65) из тепловой пункта в систему отопления многоквартирного дома, корректируется в ТП автоматически в зависимости от фактической температуры наружного воздуха. Рис. 7. Функциональная схема индивидуального теплового пункта ИТП используется для обслуживания одного потребителя (здания или его части). Как правило, располагается в подвальном или техническом помещении здания, однако, в силу особенностей обслуживаемого здания, может быть размещен в отдельно стоящем сооружении (пристрое). На рис. 7 показана функциональная схема индивидуального теплового пункта. Состав индивидуального теплового пункта. В состав ИТП входят следующие устройства: • Теплообменники для передачи тепловой энергии, в перспективе предусмотрены пластинчатые компактные высокоэффективные теплообменники; • Арматура запорного и регулирующего действия; • Приборы для контроля и измерения параметров; • Насосное оборудование; • Щиты управления и контроллеры. Схема теплового пункта отопления построена с использованием пластинчатого теплообменника и является полностью независимой как показано на рисунке 8. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №2/2025 111 Машиностроение и энергетика Рис.8. Подключение ИТП к системе теплоснабжения Работа ИТП для ГВС подразумевает включение в схему пластинчатых теплообменников, работающих только на нагрузку по ГВС. Перепады давления в этом случае компенсируются группой насосов. В случае организации систем для отопления и ГВС выше рассмотренные схемы объединяются. Пластинчатые теплообменники отопления работают вместе с двухступенчатым контуром ГВС, причем подпитка системы отопления осуществляется от обратного трубопровода теплосети посредством соответствующих насосов. Сеть холодного водоснабжения же является подпитывающим источником для системы ГВС. Если к ИТП необходимо подключить и систему вентиляции, то он оснащается еще одним пластинчатым теплообменником, связанным с ней. Отопление и ГВС продолжают работать по ранее описанному принципу, а контур вентиляции подключается аналогично отопительному с добавлением необходимых контрольно-измерительных приборов. В узлах учета ИТП осуществляется контроль параметров 3-х рабочих сред: прямой и обратной сетевой воды и холодной воды подпитки. ИИК каждой из этих сред выполнен на базе промышленного контроллера (теплосчетчика). Первичную исходную информацию данный контроллер (всего их – 3 шт.) получает посредством СИ давления (P), расхода (F) и температуры (T) соответствующей рабочей среды, в качестве которых проектом предусматривается использование: − первичных преобразователей барометрического и избыточного давления и перепада давлений с соответствующим верхним пределом измерения, унифицированным выходным токовым сигналом 4-20 mA и классом точности 0,5 %; − термопреобразователей с унифицированным выходным токовым сигналом 4-20 mA, основой которых являются термопреобразователи сопротивления с соответствующей длиной монтажной (погружной) части типа ТСП (с НСХ–«100П»). Кроме этого узлы учета ИТП оснащаются показывающими приборами измерения давления и температуры: Контроллер монтируется в шкафе ША, размещаемом в помещении ИТП. Измеренные и вычисленные параметры (текущие, среднечасовые и накопительные значения) рабочей среды записываются в энергонезависимой памяти контроллера. Оттуда эти данные могут быть переписаны в память коммуникатора или ноутбука, а также переданы в УСПД посредством GSM-модема, подключенного к каждому из упомянутых контроллеров по ЛВС (с интерфейсом «RS-485» передачи данных). Основные преимущества предлагаемой технологии: При модернизации системы теплоснабжения существующих многоквартирных жилых домов индивидуальные тепловые пункты становятся единственным разумным решением задачи экономии тепла для их обитателей и теплоисточника. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №2/2025 112 Машинасозлик ва энергетика Актуальные задачи по совершенствованию систем транспорта и распределения теплоты в тепловых сетях: ⁕ расширение диапазона безопасных гидравлических режимов; ⁕ полноценного использования блокированных связей между смежными тепломагистралями; ⁕ снижение потерь сетевой воды при авариях на магистральных теплопроводах; ⁕ обеспечение автономной, независимой от тепловой сети циркуляции воды в системах теплопотребления; ⁕ более широкого использования автоматического группового и местного регулирования в дополнение к централизованному регулированию, внедрение систем дистанционного учёта тепловой энергии, контроля и управления. Эксплуатационные расходы в тепловых сетях во многом зависят от удельного расхода сетевой воды на единицу тепловой нагрузки системы. Основные пути снижения удельного расхода сетевой воды: -повышения температуры сетевой воды в подающих трубопроводах до экономически оправданного уровня; - снижение температуры сетевой воды в обратных трубопроводах, т.е. более глубокое использование энтальпии теплоносителя у потребителя за счёт автоматического количественно-качественного регулирования потребления, увеличения поверхностей нагрева, использования стимулирующих тарифов и т.д. Результаты сравнительного анализа. Ниже приведены два сравнительных варианта для теплообеспечения некоторого замкнутого района: Рис.9. Существующая схема элеватора Рис.10. Индивидуальный тепловой пункт с пластинчатыми теплообменниками. Реализация подобного проекта установки АИТП осуществлена в г. Набережные Челны, в том числе за счет выведения изношенного оборудования ГВС и оптимизации режимов работы тепловой сети, позволила сократить потери тепловой энергии в сетях с 19% (2007 г.) до 15,3% (2016 г.), а также сократить потребление тепловой энергии. В г. Казани в 2013 г. стартовал первый этап, а в 2014−2015 годах второй этап перевода домов на ИТП. В рамках этой программы было переведено 244 дома. На рис. 11 показан график изменения потребления после установки индивидуальных тепловых пунктов в домах с разной площадью и количеством потребителей ГВС. Производится сравнение величин потреблений в январе-июне 2014г., когда дома были запитаны от ЦТП, и в январе-июне 2016 г. после перевода на ИТП [9]. Как видно из графика, (рис. 11) наблюдается значительное снижение расхода ГВС с относительно неизменной величиной расхода тепловой энергии на подогрев. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №2/2025 113 Машиностроение и энергетика Гкал куб.м Гкал куб.м Гкал куб.м Гкал куб.м Гкал куб.м Гкал куб.м -500 Январь февраль март апрель май июнь -1000 Татарстан ул 52 (17021,43 кв.м.) Коммунаров ул2 (21 449,9 кв.м.) Короленко, 69 (3607 кв.м.) Амирхана, 41 (15104,20 кв.м.) Амирхана, 27 (5699, 76 кв.м.) Авангардная ул 157 (522,1 кв.м.) Рис. 11. Разница потребления от ЦТП и ИТП (сравнение потребления январь-июнь 2014г. – январь- июнь 2016 г.) Анализ теплопотребления двух пятиэтажных жилых домов с ИТП и без ИТП в одном периоде регулирования показал экономию в теплопотреблении за год более 7% (623,7 Гкал с ИТП, 671,55 Гкал без ИТП). При этом при использовании ИТП была достигнута стабильность температуры ГВС и химического состава воды. В связи с этим необходимо отметить снижение потерь тепловой энергии в сетях Казанских тепловых сетей с 17,35% до 15,86% (рис. 12). Основное снижение было достигнуто снижением утечки воды в сетях ГВС на 581 тыс. тонн, а также за счет вывода из эксплуатации сетей ГВС при переходе на ИТП [9]. 2016 5% 16 % 2015 10 % 21 % 2014 12 % 17 % 0% 5% 10 % 25 % Потери воды в сетях ГВС, % Потери тепловой энергии, % 15 % 20 % Рис. 12. Динамика потерь тепловой энергии и воды в сетях ГВС АО «Татэнерго» [12] В сравнительном анализе четко просматривается высокая эффективность установки тепловых пунктов. В качестве основных достоинств замены элеваторных систем теплоснабжения на тепловые пункты в жилых домах можно выделить такие как: ➢ устранение прямых подключений к горячей воде. Теплообменник, установленный на стороне потребителя (на уровне дома), нагревает воду, поступающий из системы “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №2/2025 114 Машинасозлик ва энергетика холодного водоснабжения, и изолирует ГВС от сети ЦТ, это гарантирует, что санитарные нормы для ГВС не будут нарушены и обеспечит промышленную очистку циркулирующей воды, а также позволит добавить химические ингибиторы для предотвращения коррозии. ➢ использование современных теплообменных аппаратов, применяемых в ИТП значительно сокращает потери тепла, а также увеличивает энергетическую эффективность оборудования. ➢ установка теплосчетчиков полезна для сбора данных о реальном потреблении тепла в зданиях, а также способствует снижению расхода тепла. ➢ установка ИТП обеспечит потребителей средствами и стимулами для экономии энергии. Ожидается до 20% экономии потребления тепла. Кроме того АИТП с теплообменниками эффективно устраняет потери воды в сети и сетевым системам водоподготовки, которые поддерживают высокое качество воды и устраняют коррозию и блокировку сети. Заключение. Таким образом экономический эффект от перевода домов с открытой системы центрального теплоснабжения с элеваторной схемой теплоснабжения на закрытую систему с установкой ИТП будет получен как теплосетевой организацией, так и непосредственно потребителями. Ожидается значительное снижение затрат на ремонтные работы сетей, снижения потерь тепловой энергии в сетях ГВС, потерь теплоносителя, холодной воды, а также за счет сокращения персонала, снижения налогов и прочих расходов. 1. Приведенный в статье анализ показывает преимущество перспективных технологий, определяющие в ближайшей перспективе облик систем управления нового поколения в условиях цифровой трансформации. 2. В ближайшей перспективе влияние современных технологий, особенно небольших, для жилых домов и малого бизнеса, будет возрастать, если цены на природный газ будут продолжать расти. 3. При использовании систем ИТП и ЦТП, расходы в котельных значительно сокращаются. Если сравнивать с традиционными элеваторными системами централизованного теплоснабжения, то это позволяет обеспечить экономию затрат на первичное топливо более, чем на 30%. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №2/2025 115 Машиностроение и энергетика 7. Гриценко В.И. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнике В.И.Гриценко, Ю.Т.Усманский –Омск: Издательства ОмГТУ, 2007.-120 с. 8. Вагин Г.Я. Методика технико-экономического обоснования внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий и оборудования в промышленности. Г.Я.Вагин, Н.Н.Головкин, Е.Б.Солнцев, А.А.Лямин // Промышленная энергетика–2005- №6 С.-8-13 9. Данилов О.Л., Гаряев А.Б., Яковлев И.В. и др. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Под ред. А.В. Клименко. М.: Издательский дом МЭИ. 2009 г. 10. Отчет о работе филиала АО «Татэнерго» Казанские тепловые сети за 2016. 11. Политова Т.О., Зиганшин Ш.Г., Саляхова Р.Р., Малахов А.О.Корреляционный анализ факторов влияющих на отказы трубопроводов тепловых сетей //Инженерный вестник Дона. 2015. Т. 37. № 3. С. 115. 12. Ваньков Ю.В., Зиганшин Ш.Г., Горбунова Т.Г., Политова Т.О., Хабибуллин Р.М. Анализ повреждаемости тепловых сетей г. Казани и разработка рекомендаций для повышения их надежности. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. № 78. С. 9 18. 13. Ваньков Ю.В., Зиганшин Ш.Г., Горбунова Т.Г. Влияние надежности тепловых сетей на функционирование инженерных систем // Новости теплоснабжения. 2012. № 10. 14. Плавич А. Ю. Оценка и обеспечение надежности водяных тепловых сетей: дис. канд. техн. наук: 05.23.03. М., 2003. 15. Семенов В.Г. О повышении надежности и энергоэффективности тепловых сетей // Электронный журнал «Энергосовет». 2010. № 7 (12). FOTOELEKTRIK BATAREYALARNING ENERGETIK PARAMETIRLARINI MONITORING VA DIAGNOSTIKA TIZIMI UCHUN QURILMA ISHLAB CHIQISH Maxmudov M.I., Sayfiyev H.O., Nurov S.S. Buxoro davlat texnika universiteti. Annotatsiya. Fotoelektrik batareyalarning energetik parametrlarini monitoring qilish va diagnostika qilish uchun integratsiyalashgan tizimni ishlab chiqish masalasi ko‘rib chiqiladi. Taklif etilgan tizim quyosh panellari samaradorligini real vaqt rejimida kuzatish, nosozliklarni o‘z vaqtida aniqlash va tashqi muhit sharoitlarini monitoring qilish imkonini beradi. Tizim quyosh panellari parametrlari (harorat, kuchlanish, tok), atrof-muhit sharoitlari (yorug‘lik, harorat, namlik) va markaziy boshqaruv qismidan iborat bo‘lib, yuqori aniqlik va samaradorlikni ta'minlashga qaratilgan. Fotoelektrik panellarning ishlashini optimallashtirish va texnik xizmat xarajatlarini kamaytirish uchun yangi yondashuvlarni taklif etadi. Kalit so‘zlar: fotoelektrik batareyalar, quyosh panellari, monitoring tizimi, diagnostika, atrof-muhit parametrlarini kuzatish, energiya samaradorligi. МОНИТОРИНГ И ДИАГНОСТИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БАТАРЕЙ Махмудов М.И., Сайфиев Х.О., Нуров С.С. Бухарский государственный технический университет. Аннотация. Рассматривается вопрос разработки интегрированной системы для мониторинга и диагностики энергетических параметров фотоэлектрических батарей. Предлагаемая система позволяет в реальном времени отслеживать эффективность работы солнечных панелей, своевременно выявлять неисправности и контролировать внешние условия. Система состоит из модулей для мониторинга параметров солнечных панелей (температура, напряжение, ток), внешних условий (освещенность, температура, влажность) и центрального блока управления, что обеспечивает высокую точность и эффективность работы. Предлагается новый подход к оптимизации работы фотоэлектрических панелей и снижению затрат на техническое обслуживание. Ключевые слова: фотоэлектрические батареи, солнечные панели, система мониторинга, диагностика, контроль параметров окружающей среды, энергоэффективность. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №2/2025 116