с 01.01.2011 по 01.01.2022
Россия
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
УДК 697.7 Прочие виды отопления, например отопление энергией солнечных лучей
ГРНТИ 67.00 СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА
ГРНТИ 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
ОКСО 08.03.01 Строительство
ББК 313 Теплоэнергетика. Теплотехника
Тенденция роста индивидуального домостроения в стране решает социально-экономические задачи и жилищные вопросы населения. Развитие жилищного строительства в Якутии характеризуется обеспечением темпов строительства и различными социальными программами в сельской местности. В связи с географическими и транспортно-логистическими трудностями подключение многих поселений и микрорайонов к централизованным источникам энергоснабжения является затруднительным и несет большие бюджетные затраты. Вследствие этого, возрастает спрос на автономные источники тепловой генерации за счет использования доступного местного топлива. На рынке представлены различные твердотопливные теплогенераторы малой мощности (до 100 кВт) с верхним способом воспламенения топлива, использующие угольное и дровяное топливо. Практика показывает, что данные теплогенераторы и их дымоходные системы при эксплуатации в низких температурах наружного воздуха испытывают сложности, что отражается в образовании сажи на поверхностях нагрева и кислотного конденсата в дымоходах. Одной из причин является неудовлетворительный режим горения топлива из-за конструктивных особенностей топки котлоагрегата. Для изучения влияния климатических и внешних факторов на работу твердотопливного теплогенератора, в отопительный период выполнены измерения параметров работы топки котла и его дымоходной системы. Установлено, что при снижении объема топлива по мере выгорания в топке значительно снижаются показатели температуры горения и теплопроизводительности, что связано с увеличением коэффициента избытка воздуха.
твердотопливные котлы, горение твердого топлива, коэффициент избытка воздуха
Введение. В климатических условиях Севера России одной из важных задач является повышение надежности и эффективности работы источников теплогенерации, это является необходимым условием обеспечения комфортности условий труда и проживания человека. Согласно принятой Стратегии развития Арктической зоны (утвержден Указом Президента РФ от 26.10.2020 года №645) в целях социально-экономического развития предусматривается увеличение объемов жилищного строительства и инженерной инфраструктуры в труднодоступных регионах с учетом природно-климатических особенностей Крайнего Севера. В этой связи ведущим трендом развития энергетики в России является широкое использование энергосберегающих технологий, в том числе с применением альтернативных источников энергии и местного топлива [1, 2]. Одним из направлений является развитие энергетической инфраструктуры с использованием эффективных теплогенераторов.
При проектировании зданий и инженерных систем следует учитывать климатические особенности регионов на территории РФ [3, 4, 5]. Согласно СП 131.13330.2012, одной из характерных особенностей климата Якутии является большая годовая амплитуда температур, которая составляет от 50-127 °С. Суровость отопительного сезона характеризуется числом градусо-суток отопительного периода (ГСОП) [6, 7]:
(1)
где ГСОП – градусо-сутки отопительного периода (°С* сут); tвн – расчетная температура внутреннего воздуха, °С; tот -средняя температура за отопительный период,°С; z – количество суток отопительного периода, ед.
Для более наглядного представления о суровости климат на рисунке 1 представлены значения ГСОП для характерных городов России и Европы, а также населенных пунктов Якутии.
Как видно из рисунка суровость значений для Республики Саха (Якутия) значительно превышает значения городов России и составляет 8000-12000. Значительная продолжительность отопительного периода, наличие вечномерзлых грунтов, слабо развитая энергетическая инфраструктура, отсутствие логистики между населенными пунктами, в основном малонаселенными, создают особые трудности для строительства и обеспечения жизнедеятельности человека на Севере [8, 9].
Коммунальный комплекс Якутии образуют объекты теплогенерации, транспортировки теплоносителя и инфраструктурные сооружения. Практически во всех районах и городах республики отмечается высокий уровень износа инженерных систем, более 50%, который не позволяет обеспечить нормальное функционирование систем теплоснабжения [10]. Характерной особенностью территории Севера является низкая плотность населения, транспортная труднодоступность поселений, высокая стоимость тепловой генерации централизованными источниками (около 5-8 раз по сравнению с газовым и твердым топливом) [11]. Занятость лесами территории Якутии составляет 47,4%, общая площадь земель лесного фонда на территории Республики Саха (Якутия) около 249 млн. га, что составляет 81% от общей площади республики [12]. Также местным топливом является бурый и каменный уголь.
На рынке России существуют различные твердотопливные котлоагрегаты «нижнего» горения (Zota, Ураган, Теплодар, Kiturami) и «верхнего» горения (Липснеле, Стропува, Candle, Терморобот), кирпичные и самодельные печи водяного и конвекционного типа. Эффективность теплогенераторов определяет затраты и рентабельность производства тепловой энергии на отопление здания [13]. Теплогенерирующая установка является основным элементом системы отопления и горячего водоснабжения зданий. Качественная, бесперебойная и надежная работа всей системы зависит от проработанности и опытных испытаний проектных решений с особенностями климата и окружающей среды [14, 15, 16]. Наиболее важными преимуществами автономного теплоснабжения являются значительное сокращение сроков строительства, уменьшение капитальных затрат, снижение теплопотерь и исключение утечек при транспортировке по наружным тепловым сетям, исключение затрат на ремонт и эксплуатацию теплотрасс, возможность местного регулирования и др. [17]. Особенности работы котельных установок и общие характеристики автономного теплоснабжения изложены в работах М.М. Щеголева, Ю.Л. Гусева, Г.Н. Делягина, П.А. Хаванова, Г.М. Климова, О.К. Мазуровой и др. [18, 19, 20, 21, 22].
С начала 2010-х годов в Якутии активно начали внедряться твердотопливные котлы, использующие так называемый принцип верхнего воспламенения топлива, когда горение осуществляется в вертикальной цилиндрической топке сверху-вниз. В настоящее время в республике эксплуатируется свыше 2500 единиц данных котлов, использующих данный принцип. Основным источником топлива для таких автономных систем является бурый уголь, дрова из лиственничных пород дерева. Отопительный котел «верхнего горения» представляет собой корпус цилиндрической формы, в котором размещена камера сгорания топлива, колосниковая решетка, емкость для загрузки теплоносителя, устройство для подачи и распределения воздуха. Его отличительной особенностью от других котлоагрегатов является то, что воспламенение и горение топлива происходит в вертикальном цилиндре по направлению сверху-вниз [23].
Методы, оборудование, материалы. Загрязнение внешних поверхностей нагрева при омывании их дымовыми газами происходит при работе теплогенераторов на твердом топливе, и зависит от протекающих в топке процессов. Процесс загрязнения наблюдается в виде осаждения частиц золы на поверхностях нагрева котлоагрегата. Наиболее интенсивно данные процессы протекают при наличии в топке полувосстановительной среды, снижающей температуру плавкости золы по сравнению с температурами для окислительной среды. Данные отложения ухудшают лучистый и конвективный теплообмен, прогрессирующие отложения в виде плотных структур могут привести к аварийной остановке котлоагрегата. Согласно [24] одним из основных причин отказов отечественных котлоагрегатов является золовой износ, составляющий 23%.
Дымовые трубы котлоагрегатов эксплуатируются в сложных климатических условиях при больших перепадах температур, давления, влажности и ветровых нагрузок окружающей среды. Негативное влияние дымовых газов на металлические конструкции дымоходных систем проявляется в виде кислотной коррозии и фильтрации влаги. Кислотная коррозия происходит с конденсацией серной кислоты при омывании дымовыми газами низкотемпературных поверхностей в дымоходных системах и местах нагрева. Считается, что при содержании в топливе более 3 % серы конденсат на стенках трубы может быть в виде серной кислоты концентрацией до 70—80 %. [25].
По результатам натурных наблюдений в зимнее время (рис. 2а и 2б) эксплуатация твердотопливных котлов длительного «верхнего» горения сопровождается процессами сажеобразования разной степени и образования кислотных конденсатов. Образование сажи по мере его накопления на поверхностях нагрева сопровождается его самопроизвольным возгоранием или забиванием отверстий для отвода продуктов сгорания, с последующим проникновением дымовых газов в жилые помещения. Установлено, что процессы образования кислотного конденсата наблюдаются в переходный период в межсезонье и приводят к быстрому разрушению дымоходных систем из-за агрессивной среды. Все эти процессы негативно сказываются на эксплуатации котлоагрегатов, снижают надежность во время отопительного сезона, могут привести к аварийным случаям. Одним из факторов их возникновения являются низкие параметры горения топлива и температуры продуктов сгорания.
В целях исследования были проведены экспериментальные измерения режимов работы теплогенераторов с верхним воспламенением котла марки «Липснеле Арктик», с паспортной мощностью 40 кВт, во время отопительного периода в г. Якутске. Схема расположения и установки измерительных приборов и оборудования показана на рис. 3.
Основными измеряемыми параметрами являлись температуры горения топлива, продуктов сгорания, теплоносителя и теплопроизводительность котлоагрегата. Данные фиксировались с шагом 60 сек в память логгера, а затем обрабатывались на компьютере. Испытуемый котлоагрегат содержит нагнетательный вентилятор, управляющий контроллер и термостатический элемент. Контроль работы вентилятора осуществляется контроллером, зависящей от параметров теплоносителя в подающей линии теплогенератора. Измерения параметров работы отопительного котла производились при 2 режимах: с автоматическим поддувом воздуха через нагнетательный вентилятор и с механической ручной заслонкой без поддува воздуха, растопка производилась на дровах из лиственничных пород дерева и на буром угле Кангаласского угольного месторождения.
Основная часть. Испытания производились в естественных условиях при температуре наружного воздуха в диапазоне -30 до -40 0С, что характеризует осенне-зимний период. Изучение параметров котлоагрегата в зависимости от массы топлива в топке (рис. 4 и 5) показало увеличение продолжительности горения на 10-44% в режиме механического регулирования. Установлено увеличение часовой производительности тепловой энергии в режиме автоподдува на выше 50-55% по сравнению с механическим регулированием, что обусловлено увеличением количества воздуха в топке, ускоряющего окислительные процессы. Низкая часовая теплопроизводительность котла в режиме механического регулирования обусловлена недостатком воздуха, участвующего в горении и поддержании диффузионно-кинетического режима, с увеличением времени горения. При этом показатели суммарной тепловой производительности в обеих режимах при массе топлива 15-43 кг имеют между собой минимальные отклонения, составляющие 6-7%. Показатели суммарной тепловой производительности при количестве топлива 5-10-15 кг, что составляет 11-23-35% от общей массы, при сравнении с полной растопкой (43 кг) составляют в режиме с механической терморегуляции: 5 кг – 4,44%, 10 кг – 22,2%, 15 кг – 30%, в режиме автоподдува воздуха: 5 кг – 10,7%, 10 кг – 26,75%, 15 кг – 29,75%. Сжигание малых объемов топлива (5-15 кг) в топке котлоагрегата данной конструкции не позволяет получить необходимое количество тепловой энергии и обеспечить длительность горения.
Для обеспечения нормальной работы теплогенерирующей установки необходима непрерывная подача воздуха в топку для горения, обеспечивать необходимую скорость движения горячих газов и удалять образующиеся продукты сгорания с помощью тяго-дутьевых устройств [25, 26]. Вследствие вышеуказанного в ходе эксплуатации котлоагрегатов многие пользователи переходят на установку автоматизированных систем подачи воздуха для горения топлива в целях получения высоких параметров тепловой производительности. Использование режима автоподдува в зимнее время является необходимым условием для компенсации тепловых потерь здания и достижения паспортных характеристик котла.
Измерение параметров работы топки котла и его дымоходной системы (рис. 6) в режиме автоподдува в зимнее время (tн = -40,0…-33,0 0С) показало, что в «рабочем» режиме температура горения составляет 500-900 0С, с переменным затуханием при срабатывании терморегулятора. Как видно из графика изменение показателей температуры дымовых газов напрямую зависит от работы вентилятора поддува воздуха в камеру сгорания топлива, который срабатывает при понижении температуры теплоносителя подающей линии tп<65 0С. Зоны процесса горения в зависимости от температуры горения разделены на зоны растопки, возгорания и горения топлива, начала затухания по мере выгорания и отсутствия горения. Разделение зон отсутствия горения топлива производилось по температуре пирогенного разложения сложных органических соединений с выделением летучих веществ равной 100 0С [27]. Зоны процесса горения указаны в следующем порядке для всех графиков: 1 – горения нет, укладка топлива, вынос шлака; 2 – начало растопки, возгорание; 3 – горение; 4 – медленное затухание по мере выгорания топлива. Установлено, что по мере уменьшения и сгорания топлива, в топке происходит процесс медленного устойчивого понижения показателей температуры горения и соответственно температуры дымовых газов, с последующим затуханием. Данный процесс наблюдается при постепенном прогорании и уменьшении количества топлива в топке ниже 30% от общего объема. Установлено, что из-за конструктивных особенностей топочной камеры котлоагрегата с верхним воспламенением, увеличивается объем воздушного пространства топки – кислородной зоны, образуя избыточный воздух с увеличением объема топочных газов и снижением температуры горения и дымовых газов.
При увеличении количества избыточного воздуха показатели температур продуктов сгорания в верхней части в устье дымохода существенно разнятся с показателями температур на выходе из котла (рис. 6), и близки к образованию кислотного конденсата. Одним из основных недостатков при эксплуатации дымовых труб является их работа в непроектном режиме, связанная в первую очередь с большими перепадами наружных температур в отопительный сезон в регионах Севера.
Увеличение количества избыточного воздуха снижает тепловую эффективность котла (рис. 7), что показано на графике ниже. Длительность указанного процесса от начала понижения температуры горения до полного затухания из-за полного выгорания топлива составляет несколько часов, в среднем 2-3 часа. В период указанного процесса ухудшается тепловая работа топки котла и снижается температура теплоносителя системы отопления здания. Влияние избытка воздуха в топке увеличивает интенсивность теплопотерь, тем самым снижается КПД котлоагрегата.
Выявлена фаза перехода в процесс постепенного снижения температуры внутреннего воздуха в помещении и температуры теплоносителя в системе отопления (рис. 8), когда в топке котлоагрегата присутствует избыточный воздух. Это свидетельствует о том, что при переходе работы топки котла с повышенными коэффициентами избытка воздуха может снижаться надежность теплоснабжения и увеличивается риск аварийных случаев из-за замерзания теплоносителя.
1. Суслов Д.Ю., Рамазанов Р.С., Лобанов И.В. Исследование распределения газовоздушной смеси в корпусе инжекционной горелки с тепловым рассекателем // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. №10. С. 60-65. DOI:https://doi.org/10.34031/article_5db3db3a9cb6a3.99321784.
2. Кочев А.Г., Соколов М.М., Кочева Е.А., Федотов А.А. Практическое использование альтернативных энергетических ресурсов в православных храмах // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2019. №7. С. 78-85. DOI:https://doi.org/10.32683/0536-1052-2019-727-7-78-85.
3. Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов. 2-е издание. М.: Издательство АСВ, 2011. 148 с.
4. Малявина Е.Г., Маликова О.Ю., Фролова А.А. Строительная климатология: учеб.-метод. пособие. М.: Изд-во МИСИ-МГСУ, 2020. 47 с.
5. Гагарин В.Г., Неклюдов А.Ю. Учет теплотехнических неоднородностей ограждений при определении тепловой нагрузки на систему отопления здания // Жилищное строительство. 2014. №6. С. 3-7.
6. Кущев Л.А., Никулин Н.Ю., Овсянников Ю.Г., Алифанова А.И. Современные способы интенсификации работы кожухотрубных теплообменных аппаратов систем теплоснабжения // Технические науки. Строительство. 2019. №9. С. 82-90. DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2917-2018-2-130-140.
7. Богословский В.Н. Тепловой режим зданий. М.: Стройиздат, 1979. 248 с.
8. Полежаев Ю.В., Юрьевич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976. 392 с.
9. Карауш С.А., Хуторной А.Н. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения: учеб. пособие. Томск: ТГАСУ, 2003. 161 с.
10. Местников А.Е, Кардашевский А.Г. Энергоэффективное малоэтажное строительство в Якутии // II Всерос. науч. конф. с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий». Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2015. С. 39-41.
11. Государственная программа Республики Саха (Якутия) «Обеспечение качественными жилищно-коммунальными услугами и развитие электроэнергетики на 2020-2024 годы»: Постановление Правительства РС (Я) от 15 сентября 2021 №345 // Приказ Министерства ЖКХ и энергетики РС (Я) 2022. №182-ОД.
12. Федоров В.Т., Кокоев М.Н. Альтернативное теплоснабжение северных поселков городского типа // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 8. С. 65-73. DOI:https://doi.org/10.33622/0869-7019.2020.08.65-73.
13. Гаврильева Н.К., Николаева Ф.В., Старостина А.А., Гоголева Н.И. Мониторинг земельных ресурсов Республики Саха (Якутия) // Московский экономический журнал. 2020. №7. С. 45-57. DOI:https://doi.org/10.24411/2413-046Х-2020-10524.
14. Иванов В.Н., Иванова А.В. Энергоэффективность газовых теплогенераторов малой мощности в условиях Крайнего Севера: учеб. пособие. Якутск: Издательский дом СВФУ, 2019. 376 с.
15. Лицкевич В.К. Жилище и климат: монография. М.: Стройиздат, 1984. 288 с.
16. Михеев А.П., Береговой А.М., Петрянина Л.Н. Проектирование зданий и застройки населенных мест с учетом климата и энергосбережения: учеб. пособие. М.: АСВ, 2002. 192 с.
17. Иванов В.Н., Иванова А.В., Тихонов B.С. О надежности эксплуатации газовых котлов малой мощности в условиях Северо-Востока России // Промышленное и гражданское строительство. 2013. №8. С. 51-53. DOI:https://doi.org/10.33622/0869-7019.
18. Петрова А.И., Гордеев М.А. Значение малой энергетики в энергоснабжении районов Крайнего Севера // XVI междунар. межвуз. науч.-практ. Конф. студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». М.: МГСУ, 2013. С. 606-608.
19. Щеголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванова М.С. Котельные установки: учеб. для вузов. 2-е изд. М.: Стройиздат, 1972. 384 с.
20. Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А., Хаванов П.А. Теплогенерирующие установки: учеб. для вузов. 2-е изд. М.: ООО «ИД Бастет», 2010. 624 с.
21. Хаванов П.А. Источники теплоты автономных систем теплоснабжения: монография. М.: МГСУ, 2014. 208 с.
22. Климов Г.М. Децентрализованные системы водяного отопления индивидуальных жилых зданий: учеб.-метод. пособие. Электронный ресурс. URL: https://www.iprbookshop.ru/80892.html (дата обращения: 19.07.2022).
23. Мазурова О.К., Кузнецов Н.В., Бутенко А.Н. Автономное теплоснабжение: учеб. пособие. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2011. 143 с.
24. Пат. 187524 Российская Федерация, МПК F23B 101/00. Универсальный отопительный аппарат верхнего и нижнего горения / И.П. Жирков, Е.Г. Слободчиков, П.С. Тимофеев; заявитель и патентообладатель ООО «Саха Липснеле», № 2018127787; заявл. 27.07.2018; опубл. 11.03.2019, Бюл. № 8.
25. Герасимова Н.П. Золовой износ поверхностей нагрева котлоагреатов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. №3 (152). С. 596-605. DOI:https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-3-596-605.
26. Ельшин А.М., Ижорин М.Н., Жолудов В.С., Овчаренко Е.Г. Дымовые трубы. М.: Стройиздат, 2001. 296 с.
27. Шишков И.А., Лебедев В.Г., Беляев Д.С. Дымовые трубы энергетических установок. М.: Энергия, 1976. 176 с.
28. Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнова О.С. Топливо и теория горения. Ч.I. Топливо: учеб. пособие. СПб.: СПбГТУРП, 2011. 84 с.
