Приведенный ниже анализ произведен на базе результатов измерений потребляемой тепловой энергии и воды жилого дома по адресу: г. Москва, Нахимовский проспект, д.17, корп.2 в течение отопительного сезона 2004-2005 гг.

Коптев В.С., Сычев Г.И.

Анализ погрешностей определения потребляемой тепловой энергии в системе отопления, тепловой энергии и воды в системе ГВС

Приведенный ниже анализ произведен на базе результатов измерений потребляемой тепловой энергии и воды жилого дома по адресу: г. Москва, Нахимовский проспект, д.17, корп.2 в течение отопительного сезона 2004-2005 гг.

«Правилами учета тепловой энергии и теплоносителя» [1] установлены допустимые пределы относительной погрешности измерений потребленной тепловой энергии и теплоносителя:

1. теплоносителя ( в нашем случае – воды) ±2%,

2. тепловой энергии ±4%.

При использовании алгоритма определения потребляемых ресурсов разностным методом в общем случае погрешность искомой величины будет:

где  – истинное значение измеряемой величины на входе

 – истинное значение измеряемой величины на выходе

 – истинное значение потребляемого ресурса

 – реально полученные значения измеряемых величин

 – значения относительных погрешностей измеряемых величин. (Для нашего случая принимаем их равными

 – значение относительной погрешности потребляемого ресурса, которое мы хотим определить.

Преобразуя второе равенство получим:

 и пользуясь равенством I получим

 или .

Следует отметить, что это максимальная возможная величина относительной погрешности, но, учитывая независимость погрешности используемых измерительных средств и ее случайный характер, статистическая величина относительной погрешности определения потребляемой величины может быть определена как «мягкая оценка» [2]:

где:

 – пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений массы (объема) воды, прошедшей по подающему трубопроводу;

 – пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений массы (объема) воды, прошедшей по отводящему трубопроводу;

Для нашего случая, при одинаковых погрешностях измерения массы (объема) воды

При соблюдении требований нормативных документов [3, 4, 5, 6], регламентирующих вопросы проектирования и эксплуатации систем ГВС жилых зданий (от 30 до 1000 квартир), типовые значения числа  лежат в интервале (0,5-0,6), но даже для наиболее широкого интервала отношение «строгой» (1) и «мягкой» (2) оценок составит 0,72 и

Таким образом, в нашем случае относительная погрешность определения потребляемой в системе отопления тепловой энергии жилым домом (17 корп.2) будет

И учитывая, что для электромагнитных теплосчетчиков погрешность определения тепловой энергии при разности температур в диапазоне расходов не превышает ±2%,

Определим случаи, когда возможно использование разностного метода для определения потребляемой в системе отопления тепловой энергии домом с транзитным трубопроводами. Искомое соотношение нагрузок определим из неравенства:

или

Определим относительную погрешность измерения объема потребленной воды в системе ГВС жилого дома.

Сразу обратим внимание на то, что даже для «концевого» дома измерение потребляемой горячей воды может выполняться только в разностной схеме. Потребляемая домом горячая вода определяется как разность ее объемов зафиксированных в подающем и циркуляционном трубопроводах. Кроме этого следует учесть, что в отличие от отопления потребление горячей воды жилым домом носит циклический характер, как в течение дня, так и в течение недели, (см. цветную диаграмму). Дополнительно на это накладываются особенности настойки гидравлических режимов работы систем ГВС. В таблице приведены значения расходов и их соотношения в системах ГВС жилых домов (выборка из разных районов г. Москвы).

Воспользуемся также методикой оценки неопределенности измерений, предложенной Международной организация по стандартизации в [7]. На основе данных полученных с теплосчетчиков, установленных на жилых домах, с использованием тахометрических (механических) водосчетчиков и водосчетчиков электромагнитного типа рассчитаны неопределенности измерений воды, потребленной в системе ГВС.

Стандартная неопределенность измерения потребленной воды в ГВС с уровнем доверия 65% по этой методике составляет для тахометрических водосчетчиков и водосчетчиков электромагнитного типа 6% и 1,7%, соответственно, что в первом случае не соответствует, а во втором случае соответствует требованиям «Правил...» Расширенная неопределенность с уровнем доверия 95% не удовлетворяет требованиям «Правил…» ни для тахометрических (11,8%), ни для электромагнитных (3,4%) водосчетчиков.

Расчет относительной погрешности определения потребленной домом горячей воды проводим, базируясь на технических данных параметров современных тахометрических (турбинных и крыльчатых) и электромагнитных теплосчетчиков (см. таблицы и диаграммы)

ФАКТИЧЕСКИЕ СУТОЧНЫЕ РАСХОДЫ В ЖИЛЫХ ДОМАХ В СИСТЕМЕ ГВС

Технические характеристики тахометрических (турбинных и крыльчатых) водосчетчиков

Пределы допускаемой относительной погрешности водосчетчиков не должны превышать:

•  ± 5 % в диапазоне расходов питания от G_min до G_t ;
•  ± 2 % в диапазоне расходов от G_t до G_max

При выпуске тахометрических водосчетчиков производители руководствуются требованиями стандартов на тахометрические счетчики питьевой воды (ГОСТ Р 50193, изданный на основе международного стандарта ИСО 4064, ГОСТ Р 50601, а также ряд стандартов и методик проведения поверок и испытаний). Однако эти НТД не распространяются на тахометрические счетчики сетевой воды в водяных системах теплоснабжения и, кроме того, в настоящее время техническим комитетом проводится корректировка в связи с уточнением международного стандарта ИСО 4064. В этих стандартах с точки зрения метрологии определены следующие метрологические характеристики:

1) Порог чувствительности – значение расхода, при котором начинается вращение турбинки или крыльчатки водосчетчика;

2) Наименьший расход G_min (Q_min) - наименьший расход с нормированными пределами относительной погрешности измерения объема ±5%;

3) Переходный расход G_t (Q_t) - наименьший расход с нормированными пределами относительной погрешности измерения объема ±2%;

4) Эксплуатационный расход G_э=(0,6¸1).G_nom – максимальный расход, допустимый в течение неограниченного времени;

5) Номинальный расход G_nom - максимально допустимый расход в течение ограниченного времени;

6) Наибольший расход G_max=2^.G_nom – максимально допустимый расход в течение не более 1 ч в сутки.

Поскольку наибольший расход G_max имеет очень жесткие ограничения по времени и влияет как на метрологические характеристики, так и на срок службы, то, фактически, максимально допустимым расходом является G_nom или даже G_э. Минимально допустимым расходом в соответствие с требованиями «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя», П-683, является переходный расход G_t, при котором относительная погрешность измерения объема находится в пределах ±2%.

Но в этом случае динамический диапазон измерения расхода Gnom/Gt будет составлять 1:6, что также не соответствует

требованиям «Правил» (от 4 до 100%, т.е. 1:25).

РАСЧЕТ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА ВОДЫ В СИСТЕМЕ ГВС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТАХОМЕТРИЧЕСКИХ ВОДОСЧЕТЧИКОВ

 – масса в подающем трубопроводе ГВС

 – масса в циркуляционном трубопроводе ГВС

 – неопределенность измерения по типу В

– стандартная неопределенность при измерении потребленной воды в ГВС

– предельная погрешность измерения расхода тахометрическими водосчетчиками

– расширенная неопределенность измерения  – коэффициент охвата при уровне доверия Р%

 – наибольший (максимальный) расход

 – переходный расход, при котором происходит изменение пределов допустимой погрешности измерений

 – наименьший (минимальный) расход

 – текущий расход (расход такта измерения)

В качестве такта измерения рассматриваем 1 ч

РАСЧЕТ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА ВОДЫ В СИСТЕМЕ ГВС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОДОСЧЕТЧИКОВ

 – масса в подающем трубопроводе ГВС

 – масса в циркуляционном трубопроводе ГВС

 – неопределенность измерения по типу В

 – стандартная неопределенность при измерении потребленной воды в ГВС

 – предельная погрешность измерения расхода электромагнитными водосчетчиками

 – расширенная неопределенность измерения  – коэффициент охвата при уровне доверия Р%

 – наибольший (максимальный) расход

 – переходный расход, при котором происходит изменение пределов допустимой погрешности измерений

 – наименьший (минимальный) расход

 – текущий расход (расход такта измерения)

Пользуясь приведенными данными, а также тем, что водосчетчики на подающем и циркуляционном трубопроводах работают практически при постоянных расходах, т.е. при постоянном значении относительной погрешности измерения расхода, возможно определение погрешности разностного измерения исходя из начального и конечного значения накопленного объема. В случае применения турбинных водосчетчиков с относительной погрешностью относительная погрешность определения потребленной за сутки горячей воды всеми жилыми домами только исходя из проектных данных составит:

а) для неотопительного периода

                                                                                                 Не соответствуют требованиям «Правил учета…»

б) для отопительного периода

                                                                                                  Не соответствуют требованиям «Правил учета…»

Те же погрешности для определения объема выходящей из дома горячей воды составят:

а) для неотопительного периода

                                                                                               Не соответствуют требованиям «Правил учета…»

                                                                                                  Не соответствуют требованиям «Правил учета…»

В итоге относительная погрешность определения потребленной горячей воды домом 17/2 при использовании турбинных водосчетчиков в разностной схеме измерения составит:

а) для неотопительного периода

                                                                               Не соответствуют требованиям «Правил учета…»

б) для отопительного периода

                                                                            Не соответствуют требованиям «Правил учета…»

Те же погрешности при использовании электромагнитных теплосчетчиков с относительной погрешностью

а) для неотопительного периода

                                                                                                        Соответствуют требованиям «Правил учета…»

б) для отопительного периода

                                                                                                         Соответствуют требованиям «Правил учета…»

а) для неотопительного периода

                                                                                                     Соответствуют требованиям «Правил учета…»

б) для отопительного периода

                                                                                                       Соответствуют требованиям «Правил учета…»

Итоговая относительная погрешность определения потребленной горячей воды домом 17/2 при использовании электромагнитных теплосчетчиков в разностной схеме измерения составит:

а) для неотопительного периода

                                                                               Не соответствуют требованиям «Правил учета…»

б) для отопительного периода

                                                                               Не соответствуют требованиям «Правил учета…»

В настоящее время многие из ведущих производителей расходомерной техники поставляют на рынок расходомеры этого класса в диапазоне расходов 1:10, в том числе и с «короткими» первичными преобразователями расхода, т.е. у которых отношение строительной длины к диаметру условного прохода не превышает 2. ЗАО «НПО «Тепловизор» сертифицированы эталонные электромагнитные расходомеры класса 0,2 в этом же диапазоне расходов, при этом они изготавливаются с удлиненными первичными преобразователями расхода, т.е. вместе с прямыми участками, привязанными к этим преобразователям расхода, что обеспечивает высокую устойчивость метрологических характеристик расходомеров к воздействию установочных факторов. Стоимость теплосчетчиков с такими расходомерными каналами не превысит 30-50% от стоимости теплосчетчиков в обычном исполнении или около 30000 рублей на узел учета.

Кроме этого следует подчеркнуть, что если мы решим проблему парного подбора или привязки двух измерительных средств участвующих в разностных измерениях, т.е. обеспечим отличие их метрологических характеристик в пределах не более 0,25%, при неизменных общих требованиях, как это сейчас реализуется в подобранных парах термопреобразователей сопротивления, то мы обеспечим необходимую точность разностных измерений на ГВС транзитных домов, даже без перекладки транзитных трубопроводов. Для исключения влияния установочных факторов на привязку «ведомого» расходомерного канала к «ведущему» и контроль их отличий можно производить на узле в жилом доме модернизировав его установкой дополнительных четырех шаровых кранов (двух на прямом и циркуляционном трубопроводах и еще двух на байпасном трубопроводе), что позволяет обеспечить выставление гарантированно совпадающих расходов в контролируемых каналах. При этом следует отметить, что процедура позволит производить контроль за стабильностью метрологических характеристик теплосчетчиков (по крайней мере их расходомерных каналов) прямо на месте, не производя трудоемкого и дорогостоящего демонтажа и монтажа прибора на объекте.

Кардинальным решением этих задач, конечно, было бы создание в каждом доме ИТП, что одновременно решило бы две задачи:

- обеспечение метрологически корректного учета тепловой энергии и воды;

- осуществление индивидуальнойрегулировки потребляемых ресурсов с целью их экономии.

Однако в Москве уже установлены (или завершается их монтаж и сдача) узлы учета в последовательной схеме на проходных домах, вопросы создания ИТП в жилых домах только в стадии изучения и технико-экономического обоснования, поэтому решение вышеописанных задач не имеет альтернативы.

Итак, резюмируя:

1. Во всех жилых домах (за исключением тех, где узлы учета уже установлены в рамках постановления №77-ПП [8]) с транзитными трубопроводами при наличии технической возможности целесообразно осуществлять переврезку и монтаж дополнительных транзитных трубопроводов с целью обеспечения учета тепло- и водо- ресурсов только этого дома. При этом:

1.1 В проектах на узлы учета в этих домах осуществить обязательный расчет гидравлических режимов, задавая максимально допустимую потерю напора 0,5 ати (0,05 МПа). Желательно разработать типовой гидравлический расчет потерь напора.

1.2 Утвердить порядок приемки и передачи дополнительных транзитных трубопроводов на баланс энергоснабжающей организации.

1.3 Установить среднюю стоимость погонного метра этих трубопроводов (например, 2000 руб./м).

2. В жилых домах с транзитными трубопроводами, в которых по тем или иным причинам прокладка дополнительных транзитных трубопроводов невозможна, а также где ранее уже установлены теплосчетчики в рамках Постановления №77-ПП узлы учета допустить последовательный (разностный) алгоритм учета тепловой энергии в системах отопления и ГВС для «концевых домов» при соотношении нагрузок по отоплению транзитный дом к общему потреблению не менее 0,26, а по ГВС соотношение прямой к циркуляционному не менее 5:4 (1,25).

3. Для жилых домов с транзитными трубопроводами по п.2, в которых не выполняются условия по соотношению нагрузок целесообразно совместно с ФГУ «Ростест-Москва» или ВНИИМС рассмотреть вопрос либо об использовании эталонных приборов класса 0,2, либо о специальной аттестации узлов учета на этих домах с разработках специальных методик выполнения измерений и регламентов [9].

Литература:

1. П-683, «Правила учета тепловой энергиии теплоносителя», МЭИ, М., 1995.

2. МИ 2640-2001. «Массовое (объемное) количество потребленной воды в циркуляционных системах горячего водоснабжения жилых зданий. Методики выполнения измерений.»

3. СНиП 2.04.07-86*. "Тепловые сети". Москва, 1994.

4. СНиП 2.04.01-85. "Внутренний трубопровод и канализация зданий". Москва, 1986.

5. СП 41-101-95. "Проектирование тепловых пунктов". Москва, 1997.

6. "Методика определения максимальных и минимальных расходов теплоносителя и воды на тепловых пунктах при выборе тепло- и водосчетчиков". Москва, 1997.

7. «Руководство по выражению неопределенности измерения». Международная организация по стандартизации, 1993. Перевод и публикация ГП ВНИИМ им.Д.И. Менделеева, Санкт-Петербург, 1999.

8. Постановление Правительства Москвы от 10 февраля 2004 г. №77-ПП "О мерах по улучшению системы учета водопотребления и совершенствованию расчетов за холодную, горячую воду и тепловую энергию в жилых зданиях и объектах социальной сферы города Москвы".

9. ПР 50.2.006 "ГСИ. Порядок проведения поверки средств измерений".

Коптев Валерий Сергеевич

Директор по R&D

ЗАО «НПО «Тепловизор»

Сычев Геннадий Иванович

Директор по маркетингу, рекламе и PR

ЗАО «НПО «Тепловизор»

ЗАО «НПО «Тепловизор»

109428, Москва, Рязанский проспект, 8а, стр.9

тел./факс 730-47-44

e-mail: mail@teplovizor.ru

http://www.teplovizor.ru