employee from 01.01.2011 to 01.01.2022
Russian Federation
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
UDK 697.7 Прочие виды отопления, например отопление энергией солнечных лучей
GRNTI 67.00 СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА
GRNTI 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
OKSO 08.03.01 Строительство
BBK 313 Теплоэнергетика. Теплотехника
The growth trend of individual housing construction in the country decides the socio-economic role in solving the housing issue of the population. The development of housing construction in Yakutia is characterized by ensuring the pace of construction and various social programs in rural areas. Due to geographic and transport and logistics difficulties, connecting many settlements and microdistricts to centralized power supply sources is difficult and incurs large budget costs. On the market there are various solid fuel heat generators of low power (up to 100 kW) with an upper fuel ignition method, using coal and wood fuel. Practice shows that these heat generators and their chimney systems experience difficulties when operating at low outdoor temperatures, which is reflected in the formation of soot on heating surfaces and acid condensate in chimneys. One of the reasons is the unsatisfactory mode of fuel combustion due to the design features of the boiler furnace. To study the influence of climatic and external factors on the operation of a solid fuel heat generator, during the heating period, measurements were made of the operation parameters of the boiler furnace and its chimney system. It has been established that with a decrease in the volume of fuel as it burns out in the furnace, the combustion temperature and heat output are significantly reduced, which is associated with an increase in the excess air coefficient.
solid fuel boilers, solid fuel combustion, excess air ratio
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. Suslov D.Yu., Ramazanov R.S., Lobanov I.V. Investigation of the distribution of the gas-air mixture in the body of an injection burner with a thermal splitter [Issledovanie raspredeleniya gazovozdushnoj smesi v korpuse inzhekcionnoj gorelki s teplovym rassekatelem]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2019. No. 10. Pp. 60-65. (rus). DOI:https://doi.org/10.34031/article_5db3db3a9cb6a3.99321784.
2. Kochev A.G., Sokolov M.M., Kocheva E.A., Fedotov A.A. Practical use of alternative energy resources in Orthodox churches [Prakticheskoe ispol'zovanie al'ternativnyh energeticheskih resursov v pravoslavnyh hramah]. News of higher educational institutions. Construction, 2019. No. 7. Pp. 78-85. (rus). DOI:https://doi.org/10.32683/0536-1052-2019-727-7-78-85.
3. Fajst V. Basic provisions for the design of passive houses. 2nd edition. [Osnovnye polozheniya po proektirovaniyu passivnyh domov. 2-e izdanie]. M.: Publishing House of the ASV, 2011. 148 p. (rus)
4. Malyavina E.G., Malikova O.Yu., Frolova A.A. Building climatology: a teaching aid [Stroitel'naya klimatologiya: ucheb.-metod. posobie]. M.: Publishing House of MISI - MGSU, 2020. 47 p. (rus)
5. Gagarin V.G., Neklyudov A.Yu. Accounting for thermal inhomogeneities of fences when determining the heat load on the heating system of a building [Uchet teplotekhnicheskih neodnorodnostej ograzhdenij pri opredelenii teplovoj nagruzki na sistemu otopleniya zdaniya]. Housing construction, 2014. No. 6. Pp. 3-7. (rus)
6. Kushchev L.A., Nikulin N.Yu., Ovsyannikov Yu.G., Alifanova A.I. Modern methods of intensifying the operation of shell-and-tube heat exchangers of heat supply systems [Sovremennye sposoby intensifikacii raboty kozhuhotrubnyh teploobmennyh apparatov sistem teplosnabzheniya]. Technical science. Construction, 2019. No. 9. Pp. 82-90. (rus). DOI:https://doi.org/10.21285/2227-2917-2018-2-130-140.
7. Bogoslovskij V.N. Thermal regime of buildings. [Teplovoj rezhim zdanij]. M.: Stroyizdat, 1979. 248 p. (rus)
8. Polezhaev Yu.V., Yur'evich F.B. Thermal protection. [Teplovaya zashchita]. M.: Energy, 1976. 392 p. (rus)
9. Karaush S.A., Hutornoj A.N. Heat generating installations of heat supply systems: a tutorial. [Teplogeneriruyushchie ustanovki sistem teplosnabzheniya]. Tomsk: TGASU, 2003. 161 p. (rus)
10. Mestnikov A.E, Kardashevskij A.G. Energy-efficient low-rise construction in Yakutia [Energoeffektivnoe maloetazhnoe stroitel'stvo v YAkutii]. II Vseros. nauch. konf. s mezhdunarodnym uchastiem «Energo- i resursoeffektivnost' maloetazhnyh zhilyh zdanij». Novosibirsk: Institut teplofiziki SO RAN. 2015. Pp. 39-41. (rus)
11. State program of the Republic of Sakha (Yakutia) "Providing high-quality housing and communal services and developing the electric power industry for 2020-2024": Decree of the Government of the Republic of Sakha (Yakutia) dated September 15, 2021 No. 345 [Gosudarstvennaya programma Respubliki Saha (YAkutiya) «Obespechenie kachestvennymi zhilishchno-kommunal'nymi uslugami i razvitie elektroenergetiki na 2020-2024 gody»: Postanovlenie Pravitel'stva RS (YA) ot 15 sentyabrya 2021 №345]. Order of the Ministry of Housing and Public Utilities and Energy of the RS (Y) 2022. No. 182-OD.
12. Fedorov V.T., Kokoev M.N. Alternative heat supply for northern urban-type settlements [Al'ternativnoe teplosnabzhenie severnyh poselkov gorodskogo tipa]. Industrial and civil construction, 2020. No. 8. Pp. 65-73. DOI:https://doi.org/10.33622/0869-7019.2020.08.65-73. (rus)
13. Gavril'eva N.K., Nikolaeva F.V., Starostina A.A., Gogoleva N.I. Monitoring of land resources of the Republic of Sakha (Yakutia) [Monitoring zemel'nyh resursov Respubliki Saha (YAkutiya)]. Moscow Economic Journal, 2020. No. 7. Pp. 45-57. (rus). DOI:https://doi.org/10.24411/2413-046X-2020-10524.
14. Ivanov V.N., Ivanova A.V. Energy efficiency of low power gas heat generators in the Far North [Energoeffektivnost' gazovyh teplogeneratorov maloj moshchnosti v usloviyah Krajnego Severa: ucheb. posobie]. Yakutsk: Publishing House of NEFU named after M.K. Ammosov, 2019. 376 p. (rus)
15. Lickevich V.K. Housing and climate: monograph. [ZHilishche i klimat: monografiya]. M.: Stroyizdat, 1984. 288 p. (rus)
16. Miheev A.P., Beregovoj A.M., Petryanina L.N. Design of buildings and development of populated areas, taking into account climate and energy saving: a textbook. [Proektirovanie zdanij i zastrojki naselennyh mest s uchetom klimata i energosberezheniya: ucheb. posobie.]. M.: ASV, 2002. 192 p. (rus)
17. Ivanov V.N., Ivanova A.V., Tihonov B.S. On the reliability of operation of gas boilers of low power in the conditions of the North-East of Russia [O nadezhnosti ekspluatacii gazovyh kotlov maloj moshchnosti v usloviyah Severo-Vostoka Rossii]. Housing construction, 2013. No. 8. Pp. 51-53. (rus). DOI:https://doi.org/10.33622/0869-7019.
18. Petrova A.I., Gordeev M.A. The importance of small-scale power generation in the energy supply of the regions of the Far North [Znachenie maloj energetiki v energosnabzhenii rajonov Krajnego Severa]. XVI mezhdunar. mezhvuz. nauch.-prakt. Konf. studentov, magistrantov, aspirantov i molodyh uchenyh «Stroitel'stvo - formirovanie sredy zhiznedeyatel'nosti». M.: MGSU. 2013. Pp. 606-608. (rus)
19. Shchegolev M.M., Gusev Yu.L., Ivanova M.S. Boiler plants: a textbook for universities. 2nd ed. [Kotel'nye ustanovki: ucheb. dlya vuzov. 2-e izd.]. M.: Stroyizdat, 1972. 384 p. (rus)
20. Delyagin G.N., Lebedev V.I., Permyakov B.A., Havanov P.A. Heat generating installations: a textbook for universities. 2nd ed. [Teplogeneriruyushchie ustanovki: ucheb. dlya vuzov. 2-e izd.]. M.: LLC "ID Bastet", 2010. 624 p. (rus)
21. Havanov P.A. Heat sources of autonomous heat supply systems: monograph. [Istochniki teploty avtonomnyh sistem teplosnabzheniya: monografiya]. M.: MGSU, 2014. 208 p. (rus)
22. Klimov G.M. Decentralized water heating systems for individual residential buildings: teaching aid [Decentralizovannye sistemy vodyanogo otopleniya individual'nyh zhilyh zdanij: ucheb. - metod. posobie]. Electronic resource. URL: https://www.iprbookshop.ru/80892.html (date of treatment: 19.07.2022).
23. Mazurova O.K., Kuznecov N.V., Butenko A.N. Autonomous heat supply: a tutorial. [Avtonomnoe teplosnabzhenie: ucheb. posobie]. Rostov-on-Don: RSSU, 2011. 143 p. (rus)
24. Zhirkov I.P., Slobodchikov E.G., Timofeev P.S. Universal heating apparatus of upper and lower combustion. Patent RF, no. 2018127787, 2018
25. Gerasimova N.P. Ash wear of heating surfaces of boilers [Zolovoj iznos poverhnostej nagreva kotloagreatov]. Bulletin of the Irkutsk State Technical University, 2020. No. 3 (152). Pp. 596-605. (rus)
26. El'shin A.M., Izhorin M.N., ZHoludov V.S., Ovcharenko E.G. Smoke pipes. [Dymovye truby]. M.: Stroyizdat, 2001. 296 p. (rus)
27. SHishkov I.A., Lebedev V.G., Belyaev D.S. Chimneys of power plants. [Dymovye truby energeticheskih ustanovok]. M.: Energy, 1976. 176 p. (rus)
28. Belousov V.N., Smorodin S.N., Smirnova O.S. Fuel and combustion theory. Part I Fuel: study guide. [Toplivo i teoriya goreniya. CH.I. Toplivo: ucheb. posobie]. St. Petersburg: SPbGTURP, 2011. 84 p. (rus)
