Повишаване на комфорта и икономия на енергия

Повищаването на цените на енергията, заедно с по-големите изисквания за комфорт, водят да по-нататъшно развитие на топлофикационните технологии в полза на потребителите. Това развитие включва възможности за по-добро регулиране и измерване на потреблението на отделните абонати, така че излишната топлинна енергия, доставяна до потребителя да не се прахосва. Възможностите за максимално индивидуализиране на топлоподаването стават все по-вероятни от когато и да било. При жилищните блокове това се осъществява чрез използване на термостатични радиаторни вентили и топлофикационни възли за отделните апартаменти – апартаментните абонатни станции. А при жилищните блокове има голям потенциал за икономия на енергия, тъй като обикновено в тях живее голяма част от потребителите на централно отопление. В страните от бившия източен блок те съставляват по-голямата част от потребителите.

Едно от главните предимства на топлофикационната отоплителна система е отличната й гъвкавост за оползотворяване на неизползваната топлинна енергия и когенерирана енергия (СНР), както и енергия от повечето видове първични енергийни източници. Сравнително лесно е да се замени един вид гориво с друг в случай на недостиг на горива или с цел намаляване на разходите за гориво и неблагоприятното въздействие върху околната среда.

Съществува и друг вид гъвкавост, свързана с потребителската част от топлофикационната система. Топлинната енергия подавана от топлофикационната система към потребителя трябва да съответства в колкото е възможно по-голяма степен на индивидуалните потребности на абоната.

Всяка разлика между необходимата и подаваната топлинна енергия представлява скрита възможност за икономия на енергия. Икономията на енергия може да се постигне чрез оборудване за локално регулиране (регулатори на температурата и баланс вентили).

Индивидуална потребност и постоянно топлоподаване в жилищен блок

На теория е възможно подаването на топлинна енергия да се регулира спрямо потреблението без локално регулиране, но не и на практика. Фиг. 1. Фигурата илюстрира топлоподаването в помещенията, но същият принцип важи и за снабдяването с битовата гореща вода.

На теория е възможно в един жилищен блок да се проектира отоплителна система с постоянен дебит при идеално оразмерени радиатори. В действителност не е възможно да се избегне свръхотопляване без автоматика за локално регулиране по следните причини: дебитът не може да се балансира; подаваната от Топлофикация температура варира; ефектът от изолацията на помещението зависи от условията; един ден вятърът духа от юг, а на следващия ден от север; топлинният баланс се влияе от електрическите уреди и хората в помещението; обитателите имат различни предпочитания за вътрешната температура (Фиг.1) и др. Например, възрастните хора и родителите с деца могат да изберат по-високи стайни температури, докато в спалните се предпочитат по-ниски температури.

При отоплителни системи без локално регулиране се налага една част от сградата да се отопли прекомерно, за да се гарантира, че до всички обитатели в други части на сградата достига достатъчно топлина. Това води до големи загуби на енергия, свързани с високи температури в помещенията, така наречените загуби от отваряне на прозорци (Фиг. 2).

Разликата между потребност и снабдяване е потенциал за икономия на енергия – но свързан с комфорта

Фиг. 2. Индивидуалните нужди от отопление трябва да се посрещат с индивидуално регулиране. В противен случай се губи или комфортът или топлинна енергия, или и двете. Забележете, че няколко възможни параметри присъстват и на двете оси.

Този модел беше възприет в много източни региони по времето, когато цените на горивата бяха ниски. През по-късни периоди на рецесия, топлоподаването биваше ограничавано, оставяйки някои от обитателите в много студени помещения. В такъв случай едно равномерно разпределение на оскъдната топлина би могло да подобри значително средното равнище на комфорт.

Нивото на комфорт е важен фактор, касаещ консумацията на енергия. В резултат на икономическия растеж се увеличават изискванията за комфорт, което при нерегулираните системи води до  бързо покачване на потреблението на топлинна  енергия (Фиг. 3).

Увеличаване на потенциала за икономии вследствие на развитието

Фиг. 3. При нерегулираните системи икономическият растеж води до чувствително увеличение на потреблението на топлинна енергия и увеличен потенциал за икономии чрез автоматика за локално регулиране. Най-лявата част от фигурата показва внушително подценяване на крайните възможности за икономия.

Потенциалът на  автоматиката за реализиране на икономии би бил подценен, ако икономиите „на пръв поглед“ не бъдат допълнени в съответствие с развитието (лявата част на Фиг. 3). Правилният критерий за сравнение е какъв би  бил в бъдеще разходът на топлинна енергия на остарялата система. Тези предпоставки, заедно с нарастващите цени на енергията, могат да направят инвестирането в автоматика за локално регулиране много по-обосновано отколкото изглежда напръв поглед.

Най-общи примери за повишаване на изискванията за комфорт са предлаганите по-високи температури в помещенията, удължените отоплителни сезони, по-добра  вентилация на въздуха и подходяща постоянна температура на битовата гореща вода. В техническата  литература има сложни формули, например за това как вътрешният комфорт зависи от температурата на въздуха в помещението, теченията, излъчването, влажността, наличието на прах във въздуха и химическия му състав.

Целта на оборудването за  регулиране е да пригоди подаването на топлинна  енергия към индивидуалните нужди на потребителя при минимални загуби. Важно е да  се направи разграничение между различните нива на индивидуално регулиране (Фиг. 4).

Индивидуално регулиране в жилищен блок
Няколко варианта на основни типове

Фиг. 4. Има няколко степени на индивидуализация на оборудването за регулиране. Те силно влияят както на разхода на енергия, така и на нивото на комфорт.

Традиционните за източните региони системи са представени в лявата част на фигурата, докато тези с най-добро качество на регулиране са в дясната част на фигурата.

Тази система  включва термостатични вентили на всички радиатори и абонатна станция с топломер за всеки апартамент, така наречените апартаментни абонатни станции. Това позволява всяко семейство да оптимизира комфорта в помещенията и производството на битова гореща вода спрямо разхода на  енергия, постигайки максимална икономия. (Фиг. 5).

Енергиен разход
Влияние на нивото на комфорт и степента на индивидуално регулиране

Фиг. 5. Повишаващите се изисквания за комфорт и енергийна ефективност са двигател за преминаване към индивидуално регулиране. Сигурна икономия на енергия се постига само при система, която позволява на отделния потребител да оптимизира съотношението между комфорт и разход на енергия (система D).

Оценката за потенциала на автоматиката за  локално регулиране по отношение на реализиране на икономии става достоверна само когато се вземе предвид и нивото на комфорт. Данните за икономия на енергия трябва да се преоценят на база на разликата в нивото на комфорт. Ако нивото на комфорт не се вземе предвид, най-ефикасно по отношение икономията на енергия би било просто да се изключи отоплението! Така няма да е необходимо регулиране! Но доколкото бъдещето ни изправя пред повишаващи се изисквания за комфорт, както и за икономия на енергия, в случая максимално индивидуалното регулиране е най-същественият въпрос.

Друго важно предимство на  апартаментните абонатни станции е, че институциите относително бързо могат да постигнат оптимална икономия на енергия при повишаване на цените  по време на енергийна криза. Трябва да се има предвид, че сградните инсталации са конструирани с цел да  се използват няколко десетилетия, докато енергийните кризи могат да възникнат ненадейно. Това е особено актуално за много европейски държави, които разчитат на вносни енергийни източници.

Третият важен момент при използването на  апартаментни абонатни станции е, че е наложително инсталациите да се поддържат, тъй като тяхното състояние влияе пряко върху сметките на потребителите. Опитът показва, че   абонатните станции, които са обща собственост, се поддържат лошо и стават причина за излишни загуби и твърде висока  температура  на водата, която се връща в топлофикационната мрежа.

Що се отнася до системата с вертикални щрангове – в избеното помещение  има множество  тръби за БГВ и отопление, които  са свързани към няколко   вертикални щранга, преминаващи през отвори, пробити в пода и тавана на апартаментите (Фиг. 6). Според литературата, топлинните загуби в системата за БГВ са по-големи от нетната топлинна  енергия, използвана за производство на БГВ.

Тръбопроводи при два основни модела в жилищен блок

Фиг. 6. Принципна схема и режим на работа при два основни модела топлоснабдителни системи.

Колкото до системата с апартаментни абонатни станции, от сутерена  нагоре по етажите вървят  само  две тръби за всеки вход.

Всички тръби за отопление и БГВ се разполагат вътре в апартаментите, обикновено зад естетично оформени первази. (Хидравличното регулиране и/или главният топломер пак могат да бъдат в сутерена, ако се налага.

При системата с вертикални щрангове тръбите за БГВ и рециркулация са постоянно загрети, което е причина за значителни топлинни загуби, а между другото създават и повишен хигиенен риск (Фиг. 7). Само 20-30% от топлинните загуби от тръбите за БГВ и рециркулация се оползотворяват за отопление, останалата част е безвъзвратно загубена.

Хигиенен риск при традиционния модел система за БГВ

Фиг. 7. Системата с апартаментни абонатни станции намалява опасността от хигиенни проблеми с битовата гореща вода, тъй като тя се подгрява непосредствено преди потреблението в еднопосочен поток. При системите с щрангове водата може да тече с дни в затворен кръг през или покрай тръби с нецелесъобразни температури.

Що се отнася до системите с апартаментни абонатни станции, тръбите за БГВ през по-голямата част от времето не са действащи, а повечето семейства не ползват тръба за циркулация или само за кратко при задействане на таймер. Дори ако общата дължина на тръбите е малко по-голяма при системите с апартаменти станции, топлинните загуби са по-ниски поради по-краткото време на действие на различните части на системата (Фиг. 8).

Фиг. 8. Сравнение на дължината на тръбите и топлинните загуби от тръбите при вертикални щрангове и система с апартаментни абонатни станции. Времето, през което работят различните части на системата ,силно влияе на крайните топлинни загуби. Примерът се отнася за четириетажна сграда с апартаменти по 120 м2.

Колкото до инвестиционните разходи, по-подходящо е да се полагат хоризонтални тръби вътре в апартаментите, отколкото да се пробиват отвори в бетонни подове за прекарване на вертикални тръби.

Тази тръбопроводна инсталация дава възможност за индивидуално определяне на периода за отопляване на помещенията. Обитателите на най-горния етаж обикновено биха предпочели най-продължителен отоплителен сезон. При системите с вертикални щрангове това би означавало всички вертикални щрангове да се нагряват с 500 часа в повече. При системите с апартаментни абонатни станции това няма да е така. Това е един пример за икономия на енергия, произтичаща от индивидуалното регулиране и избор на нивото на комфорт.

Според проучванията направени за няколко групи къщи в Дания между 1991 и 2005 година, резултатът от индивидуалното отчитане е бил икономии в рамките на 15-30%. Икономия от 15% при разход за енергия 1000 Евро на година би означавала потребителят да си спести 1500 Евро през следващите десет години, ако цените на енергията останат непроменени.

Но цените на енергията вероятно няма да се запазят непроменени за дълго време – както се случва с изискванията за комфорт в много страни.

Принципът на проектиране с апартаментни абонатни станции е една съществена възможност за осъществяване на дейности насочени към енергийна ефективност в близко бъдеще.