УДК 621.9

Ключевые слова: оценка, нормативный метод, тепловая изоляция

За последние годы были достигнуты значительные успехи в области производства теплоизоляционных материалов, а также по индустриализации теплоизоляционных работ. Теплотехнические характеристики теплоизоляционных материалов постоянно улучшаются, а стоимость капитальных затрат на обустройство теплоизоляции снижается относительно стоимости тепловой энергии. Однако проектно-нормативная документация по проектированию тепловой изоляции не соответствует современному уровню развития теплотехники, так как методологический подход содержит значительные обобщения, принципиальная основа которых разработана в 50-х годах прошлого века /1/.

Действующим нормативным документом по проектированию теплоизоляции в Республике Казахстан является МСН 4.02-03-2004 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» /2/. Проектирование энергосберегающей тепловой изоляции по данному нормативному документу основано на ограничении тепловых потерь. В МСН 4.02-03-2004 указаны нормированные значения плотности теплового потока через изолированную поверхность в зависимости от геометрических и эксплуатационных условий. Исходя из указанных значений, рассчитывается необходимая толщина теплоизоляционного слоя.
Анализ нормативного документа МСН 4.02-03-2004 позволил выявить следующие недостатки:

- в МСН 4.02-03-2004 отсутствует сама методика расчёта толщины теплоизоляционного слоя и не представлены ссылки на какие-либо другие документы, регламентирующие алгоритм расчёта;
- для теплотрасс, проложенных под землёй в непроходных каналах и бесканально, не представляется возможным отдельно рассчитать тепловую изоляцию для подающего и обратного трубопровода, так как нормы плотности теплового потока представлены суммарно по длине теплотрассы;
- значения коэффициента, учитывающего изменение стоимости теплоты в зависимости от района строительства, представлены только для регионов России.
До 2005 года проектирование тепловой изоляции в Казахстане производилось по СНиП 2.04.14-88* «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» /3/, в котором отсутствовали вышеуказанные недостатки. Однако этот документ содержал нормативные данные, которые приводили к ошибочным результатам расчётов. С принятием МСН 4.02-03-2004 этот СНиП утратил статус нормативного документа.

В сложившихся условиях при проектировании тепловой изоляции приходится использовать алгоритмы расчётов, представленных в СП 41-103-2000 «Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов» (одобрен для применения в странах СНГ протоколом № 16 от 02.12.1999 года Межгосударственной научно-технической комиссии по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве) /4/.

Для осуществления технико-экономической оценки действующей нормативной методики проектирования тепловой изоляции произведем расчёты тепловых потерь и экономической эффективности тепловой изоляции в виде чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) при различной толщине тепловой изоляции на конкретных примерах для плоских и цилиндрических объектов.

Тепловые потери для плоских и цилиндрических объектов диаметром 2 м и более определяются по формуле

(1)

где Q – тепловые потери изолируемого объекта, Вт;
F – площадь поверхности объекта, м2;
tв - температура среды внутри изолируемого оборудования, °С;
tн - температура окружающей среды, °С;
Rвн - термическое сопротивление теплоотдаче на внутренней поверхности стенки изолируемого объекта, м2×°С/Вт;
Rн - то же, на наружной поверхности теплоизоляции, м2×°С/Вт;
Rст - термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты стенки изолируемого объекта, м2×°С/Вт;
- полное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты n-слойной плоской изоляции, м2×°С/Вт.

Произведём технико-экономической расчёт для бака-аккумулятора горячей воды. Для теплотехнического расчёта принимаем следующие исходные данные: стенки бака - плоские металлические; площадь изолируемой поверхности бака 10 м2; =70 ˚С; =16 ˚С; количество часов работы в год n=8400 час/год; теплоизоляционный материал - пенополиуретан с =0,032 Вт/(м*˚С); наружный защитный слой окрашен алюминиевой краской; место расположения - в помещении.

Используя нормированные значения плотности теплового потока по МСН 4.02-03-2004 и алгоритм расчёта СП 41-103-2000, была определена требуемая толщина теплоизоляционного слоя 55 мм.

Для экономического обоснования проектного решения определим чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) при различной толщине теплоизоляционного слоя. При этом необходимо использовать дополнительные исходные данные: срок службы тепловой изоляции N=10 лет; нагрев воды осуществляется электронагревателями; стоимость электроэнергии 5,57 тг/(кВт*ч), что соответствует =1,547*10-6 тенге/Дж; капитальные затраты на устройство тепловой изоляции из 1 м3 теплоизоляционного материала =52000 тенге/м3; уровень инфляции 10 %; коэффициент дисконтирования 0,16.

Используя теорию теплообмена /4/, нетрудно установить динамику изменения тепловых потерь от изолируемого объекта при различной толщине теплоизоляционного слоя. На основе этих данных при известной стоимости энергии, которую удалось сохранить, и капитальных затратах на устройство тепловой изоляции можно установить чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) /5/. Значение NPV определяется по формуле

(2)

где NPV – чистый приведенный эффект инвестиций, тенге;
P – доход от инвестиций, полученный в году i, тенге;
i – год получения дохода;
n – количество лет получения дохода;
r - коэффициент дисконтирования;
IC – объём инвестиций, тенге.

Результаты данных расчетов представлены в таблице 1 и в графическом виде на рисунке 1. При выполнении расчётов толщина теплоизоляционного слоя изменялась от 0 до 0,180 м.

Из данных таблицы 1 и рисунка 1 видно, что толщина тепловой изоляции 55 мм, установленная по нормативным документам не является оптимальной, так как максимальное значение чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) достигается при толщине 100 мм. Конечно, увеличение значения NPV при переходе от 55 мм к 100 мм небольшое (1,5 %), однако, при этом значительно снижаются тепловые потери (на 43 %).

Аналогичным образом произведём технико-экономические расчёты для цилиндрической поверхности. Тепловые потери для цилиндрических объектов диаметром менее 2 м определяются с помощью формулы

(3)

где qL - линейная плотность теплового потока через цилиндрическую теплоизоляционную конструкцию, Вт/м;
RLвн – линейное термическое сопротивление теплоотдаче на внутренней поверхности стенки изолируемого объекта, м×°С/Вт;
RLн - то же, на наружной поверхности теплоизоляции, м×°С/Вт;
RLст - линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты стенки изолируемого объекта, м×°С/Вт;
- полное линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты n-слойной плоской изоляции, м×°С/Вт.

Рисунок 1 – Зависимость чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) от толщины теплоизоляционного слоя бака

Таблица 1 - Результаты расчётов тепловой изоляции бака-аккумулятора

Произведём технико-экономической расчёт для трубопроводов теплосетей, проложенных в непроходных каналах. Для теплотехнического расчёта принимаем следующие исходные данные: диаметр трубопроводов d=530 мм; для подающих трубопроводов =90 ˚С; для обратных трубопроводов =50 ˚С; =9 ˚С; n=8400 часов; тепловая изоляция из пенополиуретана =0,032 Вт/(м*˚С).

Используя нормированные значения плотности теплового потока по МСН 4.02-03-2004 (96,2 Вт/м) и алгоритм расчёта СП 41-103-2000, была установлена требуемая толщина теплоизоляционного слоя для подающего и обратного трубопровода 51 мм.

Для экономического обоснования проектного решения определим чистый приведенный эффект инвестиций при различной толщине теплоизоляционного слоя. При этом используются дополнительные исходные данные: срок службы тепловой изоляции N=25 лет; стоимость теплоэнергии =410,5*10-9 тенге/Дж; капитальные затраты на устройства тепловой изоляции из 1 м3 теплоизоляционного материала =52000 тенге/м3; высота непроходного канала 1,105 м; ширина непроходного канала 2,41 м; грунт – суглинок с коэффициент теплопроводности 1,75 Вт/(м*˚С); глубина заложения до оси трубопровода 2 м; уровень инфляции 10 %; коэффициент дисконтирования, применяемый для тепловых сетей, равен 0,12.

Аналогично предыдущему примеру, производятся технико-экономические расчёты для теплотрассы. Результаты данных расчётов для теплотрассы длиной в 1 км с диаметром труб 530 мм, проложенных в непроходном канале, представлены в таблице 2 и в графическом виде на рисунке 2.

Таблица 2 - Результаты расчётов тепловой изоляции для теплотрассы длиной в 1 км с диаметром труб 530 мм, проложенных в непроходном канале

При выполнении расчётов, результаты которых представлены в таблице 2, толщина теплоизоляционного слоя подающего трубопровода изменялась от 0 до 0,12 м. При этом толщина теплоизоляционного слоя обратного трубопровода была принята 62 % от толщины теплоизоляционного слоя подающего трубопровода. Это соотношение в данной задаче является наиболее оптимальным, что было выявлено на основе многовариантного перебора значений от 0 до 100 %.

Необходимо отметить, что подающий и обратный трубопроводы, находясь в замкнутом пространстве канала, оказывают взаимное влияние на тепловые потери друг друга. Снижение тепловых потерь одного из них за счёт тепловой изоляции приводит к увеличению тепловых потерь другого.

Анализа данных таблицы 2 свидетельствует о том, что оптимальное значение толщины теплоизоляционного слоя в рассматриваемом примере составляет: для подающего трубопровода 70 мм, для обратного трубопровода 43 мм. При этом чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) на тепловую изоляцию 1 км теплотрассы составляет 37235 тыс. тенге, а тепловые потери теплотрассы составляют 86,9 Вт/м.

Рисунок 2 – Зависимость чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) от толщины теплоизоляционного слоя трубопроводов 1 км теплотрассы

Как ранее было установлено, требуемая толщина теплоизоляционного слоя по нормативным документам на подающем и обратном трубопроводах составляет 51 мм, обеспечивая величину тепловых потерь 96,2 Вт/м. При данном значении чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) на тепловую изоляцию 1 км теплотрассы составляет 36402 тыс. тенге. В сравнении с оптимальными значениями толщины тепловой изоляции, нормативные значения характеризуются пониженной величиной NPV (на 2,3 %), и повышенными тепловыми потерями (на 10,7 %).

Таким образом, на рассмотренных примерах объективно доказано, что нормативная методика расчёта тепловой изоляции не обеспечивает нахождение оптимальных параметров теплоизоляционного слоя.

Методика расчёта по МСН 4.02-03-2004 и СП 41-103-2000 объективно не учитывает такие важнейшие факторы как стоимость выработки единицы тепла («холода»), капитальные затраты на устройство тепловой изоляции, срок функционирования тепловой изоляции. Тем самым, игнорируется специфика проектируемого объекта и не учитываются особенности его функционирование в условиях рыночной экономики.

Современные рыночные отношения требуют индивидуального подхода к технологическим задачам, что позволяет выявить наиболее рациональный путь их решения. Это обуславливает необходимость разработки новой методики проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, которая позволит определить оптимальные параметры теплоизоляционного слоя и свести к минимуму экономические затраты, связанные с неизбежными потерями тепла («холода») при использовании нагретых (охлаждённых) сред в технологических процессах. Новая методика проектирования должна предусматривать нахождение универсального критерия целесообразности тепловой изоляции, который позволит не только определить оптимальную толщину данного теплоизоляционного материала, но и произвести обоснованный выбор материала из имеющегося ассортимента.

Список литературы
1. Нормы проектирования тепловой изоляции для трубопроводов и оборудования электростанций и тепловых сетей. - М.: Госстройиздат, 1959.
2. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. МСН 4.02-03-2004. Дата введения 01.11.2005 г.
3. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. СНиП 2.04.14-88* -М.: Государственный строительный комитет СССР, 1989.
4. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. СП 41-103-2000. -М.: ГОССТРОЙ России, 2001.
5. Экономика строительства. Учебник для ВУЗов/Под ред. д. э. н., проф. И. С. Степанова. -М.: Юрайт, 2000.

Источник: Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. Научный журнал. - Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2009.-№ 2 (44).-С. 141-147.