Одной из основных проблем энергосбережения России является использования некачественных теплоизоляционных материалов при строительстве тепловых трасс. Такой вывод был сделан исходя из анализа реализации действующей энергетической стратегии России до 2020 года [1]. Значительная доля финансирования государства в сферу централизованного теплоснабжения так же не привела к улучшению ситуации, о чем свидетельствует следующая принятая стратегия развития энергетического комплекса России до 2030 года [2]. Результаты внедрения решений энергетической стратегии на период до 2020 года были признаны «неудовлетворительными» [2]: уменьшение потерь тепла на 60 % системой централизованного теплоснабжения (ЦТС) и увеличение производства тепловой энергии на 34 % [1] так и не произошло. Данный факт подтверждает существующая статистика: износ основных фондов ЦТС увеличился до 70% по сравнению с 65 % на период до 2010 года; 82 % тепловых сетей требуют срочного капитального ремонта или полной замены, а количество потерь тепла такими сетями составляет 30%; более 70 повреждений приходится на 100 км теплопровода ЦТС [1, 2]. Таким образом, основным направлением экономической и энергетической политики страны является улучшение сферы теплоснабжения. На тепловые сети приходится большая доля износа и в последствие финансовых затрат. Сокращение потерь теплоносителя и его энергетического потенциала, увеличение срока эксплуатации систем ЦТС за счет применения современных предварительно изолированных труб и ежегодный контроль над их состоянием  позволят рационально использовать энергетический потенциал страны, уменьшить тарифы на тепловую энергию и добиться поставленных целей на 2030 год в этой отрасли. Поэтому основной задачей является анализ теплоизоляционных материалов способствующих эффективной и долговременной работе тепловых сетей.

Профессор Шойхет Б.М. [3], принявший в 2003 году участие в разработке СНиПа 41-02-2003 «Тепловые сети», составил рекомендации по проектированию тепловой изоляции для трубопроводов отопления. Так в качестве теплоизоляционного материала при подземной прокладке теплопроводов бесканальным способом необходимо использовать предварительно изолированные трубы, такие как: трубопроводы в пенополиуретанновой (ППУ), пенополиминеральной (ППМ) и армопенобетонной (АПБ) изоляции.

Производство труб с предварительным нанесением тепловой изоляции ППУ в заводских условиях впервые было налажено в Германии, родине жесткого полиуретанового пенопласта, в 1976 году [4]. Благодаря большому опыту эксплуатации таких трубопроводов в Дании 95% от общей протяженности тепловых сетей составляет прокладка труб в ППУ изоляции, а в Германии – 75% [4]. Срок службы теплопроводов и количество потерь теплоты в 2-3 раза меньше, чем в России на данный момент, где преимущественно преобладает прокладка тепловых сетей в каналах, а в качестве теплоизоляционного слоя служит минеральная вата, обладающая достаточно низкими теплоизоляционными характеристиками и сроком службы менее 10 лет [5, 6].

В Советском Союзе с начала 70-х годов в результате роста системы теплоснабжения и соответствующего увеличения числа потребителей произошло заимствование европейских стандартов и технологий изготовления пенополиуретана. На основе разработанных в Европе полимеров были открыты первые производственные базы по нанесению ППУ на стальные трубы, оснащенные необходимым оборудованием.

В 70-х годах центральной лабораторией «ВНИПИэнергопрома» впервые был создан и запатентован абсолютно новый теплоизоляционный материал – пенополимербетон (ППБ), ставший конкурентом АПБ на тот момент. Преимущества данного материала заключались в высокой степени адгезии к поверхности труб, благодаря которой практически исключались коррозийные процессы, увеличилась прочность, а коэффициент теплопроводности защитного слоя стал в разы меньше, чем АПБ [7]. При изготовлении такого материала использовались отходы химического производства (песка, золы), что существенно удешевляло стоимость материала. Стремление усовершенствовать конструкцию теплоизоляционного слоя ППБ для прокладки наиболее экономически выгодным способом – бесканальным, привело к созданию в 1995 году ученым Умеркиным Г.Х. теплоизоляционного материала – пенополимерминерала (ППМ) [7]. Теплоизоляционные свойства по сравнению с ППБ изменились: снизилось водопоглощение по объему материала до 0,5-2% благодаря увеличенному количеству закрытых пор при процессе изготовления конструкции, уменьшился коэффициент теплопроводности до 0,045 Вт/м*⁰С среднего слоя, появилось уникальное свойство – паропроницаемость, т.е. возможность постепенного удаления влаги при увлажнении тепловой изоляции грунтовыми или сточными водами при бесканальной прокладки тепловой сети [8, 9], уменьшилась плотность (с 400 для ППБ до 250 кг/м³).

За почти 25 лет использования усовершенствованных предварительно изолированных труб в качестве важнейшего звена системы ЦТС было накоплено достаточно большое количество научных работ. Они посвящены практическим и теоретическим исследованиям теплоизоляционных характеристик материалов, усовершенствованы расчеты по определению потерь теплоты в зависимости от климатических условий  района строительства, способа прокладки труб и выбора типа тепловой изоляции.

Авторами, являющимися сторонниками изоляции труб в ППУ, Слепченоком В.С., Петраковым Г.П. и Половниковым В.Ю., было выпущено большое количество исследовательских работ, посвященных повышению энергоэффективности теплоснабжения. В своей статье [10] Слепченок В.С. и Петраков Г.П. произвели оценку работы тепловых сетей в России с точки зрения их энергетической эффективности. Минеральная вата, являющаяся самым распространенным теплоизоляционным материалом, используемым на протяжении более 50 лет, в настоящее время не соответствует техническим требованиям к качеству теплоизоляционного материала, так как тепловые потери через слой такой изоляции в 4 раза больше, чем потери конструкции в ППУ [11]. Была предложена новая технология защиты от потерь тепловой энергии – утолщение стандартизированного слоя ППУ при строительстве в северных регионах страны с периодом отопления более 6000 часов в год. Нагрузка в таких районах на тепловые сети и разница между температурой окружающей среды и средней температурой теплоносителя достаточно велика по сравнению с центральным регионом страны, для которого производителями труб в ППУ были предложены стандартные значения толщины слоя изоляции в зависимости от диаметра трубопровода [12]. В результате утолщения слоя изоляции трубы диаметром 630 мм по [12] с 85 до 135 мм произойдет уменьшение потерь теплоты через данный слой на 33%, что ежегодно составляет в единицах энергии 7,3 тыс. Гкал и 7,8 млн. руб. экономии. При расчетах была использована методика МДК 4-05.2004 [13].

В своей следующей работе [14] авторы Слепченок В.С. и Петраков Г.П. на примере Санкт-Петербурга, где четверть трубопроводов отопления эксплуатируется не менее 25 лет, произвели сравнение расчетных удельных и годовых значений потерь теплоты трубопроводами  АПБ и ППУ в соответствии с СП 41-103-2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов». Экономия за год составила 100 Гкал/км для распределительных тепловых сетей с диаметрами от 20-400 мм, а для магистральных (с диаметрами 400-1400 мм) – в 4-12 раз больше по сравнению с прокладкой в АПБ в каналах (от 1400-8000 Гкал/км в зависимости от диаметра труб). В Санкт-Петербурге каждый год необходимо производить замену 400 км тепловых сетей. Теплоснабжающими организациями, такими как ГУП «ТЭК СПб» и ОАО «ТКГ-1», производится замена 250 км труб ежегодно, что не покрывает убыток тепловой энергии ветхими теплопроводами. Поэтому решение о замене старых труб в АПБ канальной прокладки новыми предварительно изолированными в ППУ является энергоэффективным и повышает надежность системы ЦТС.

Для регулирования качества выпускаемых труб и тепловой изоляции ППУ был выпущен РМД 41-11-2012 [15] для Санкт-Петербурга авторами Ватиным Н.И., Дубовым В.В. и Петраковым Г.П.. В этом документе присутствуют рекомендации для надежной и бесперебойной работы тепловых сетей [4, 16, 17].

Для определения прочностных характеристик трубопроводов в ППУ изоляции необходимо создавать независимые стационарные испытательные центры и мобильные лаборатории для проверки качества выполненных монтажных работ прямо на месте укладки труб. Королев И.А. и Петраков Г.П. в статье [4] предложили свою модель данного испытательного центра и варианты методов проведения испытаний над образцами, а так же создали установку для испытаний труб в ППУ на тангенциальный сдвиг. Недостатком существующих методов испытаний [12], используемых аккредитованными лабораториями, как указывают авторы статьи, является отсутствие испытаний на показатели прочности после изготовления каждой партии продукции наравне с определением теплоизоляционных характеристик образцов. Еще одним недостатком существующих методов испытаний является распространение результатов испытаний образцов, взятых с одной конструкции, на всю производимую партию. Создание таких центров, как указывают авторы, помогут добиться положенного срока службы в 30 лет по ГОСТ [12] и повышения общей надежности тепловых сетей.

Сторонниками ППУ изоляции труб Половниковым В.Ю. и Глазыриным Е.С. были проведены исследования по определению разницы между нормативными значениями потерь тепловой энергии через теплоизоляционный слой и расчетными [18]. Авторы подтверждают завышенные нормативные значения потерь тепловой энергии бесканальной тепловой трассы в ППУ. В качестве основы для дальнейшей разработки энергосберегающих теплопроводов был предложен научный подход с использованием математической модели тепловых режимов с учетом влияния инженерных сооружений на бесканальные теплотрассы. Авторами было отмечено снижение значений тепловых потерь через теплоизоляционный слой с 1,53 до 10,79 % в ходе математического моделирования процессов теплопереноса и влияния расположения отапливаемого помещения на теплосети.

В своих научных статьях автор Ковалевский В.Б. так же исследовал расхождение нормативных и расчетных значений потерь тепловой энергии различными типами изоляций [19-21].

Производители конструкций в изоляции ППУ отмечают в качестве ее преимущества систему дистанционного контроля (ОДК) над увлажнением тепловой изоляцией.

В статье [22] Голубков С.К. перечислил недостатки системы ОДК такие, как неточное определение места разгерметизации покровного слоя ППУ и области распределения данного процесса. Основными причинами стали: влияние увлажненного центратора для полиэтиленовой оболочки проводящего ток, несовершенство прибора рефлектомера, при использовании которого возникает трудность снятия показаний медными проводниками при разном температурно-влажностном режиме работы тепловой сети на различных участках. Автором предложена усовершенствованная модель системы ОДК, позволяющая с помощью температурных датчиков-полупроводников фиксировать точное местоположение утечки теплоносителя и область его распространения.

В работе [23] Александровым А.А. так же была исследована система ОДК. Автор отметил, что данная система является преимуществом ППУ изоляции, которое возможно реализовать только с помощью правильного монтажа труб с привлечением грамотных специалистов. Иначе изначальное преимущество может стать бесполезной тратой денежных средств.

Автором Поляковым В.А. в работе [24] была отмечена экономичность строительства трубопроводов в ППУ изоляции, так как сроки строительства сокращаются в 3-4 раза, затраты на эксплуатационные издержки и текущий ремонт меньше, чем при канальной прокладке трубопроводов с использованием минеральной ваты (МВ). Одной из причин такого расхождения является уменьшение потерь теплоты с использованием ППУ в 1,8-2,3 раза по сравнению с МВ, а оценка удельной повреждаемости трубопроводов, произведенная на основании данных ОАО «МТК», показала, что повреждаемость на 1 п.м. МВ в 20 раз больше, чем в ППУ.

Сторонниками предварительно изолированных трубопроводов заводского изготовления в ППМ изоляции стали Умеркин Г.Х., Мишин М.Е., Мишина А.М., Силаев Д.А. и Димидов Г.Ш.

В статье [25] создатель материала ППМ Умеркин Г.Х. описал его технические характеристики и «философию паропроницаемости», заложенную в основу данной конструкции. Результаты вскрытия трубопроводов, проведенных в Санкт-Петербурге в 80-х годах, показали отсутствие коррозийных процессов на поверхности труб, был произведен анализ влажностного состояния образцов, взятых с обследуемого участка. Данные осмотра подтвердили возможность материала отдавать влагу грунту при увлажнении, т.е. возможность работы тепловой сети в режиме паропроницаемой конструкции. В условиях влажного грунта была доказана возможность применения этого теплоизоляционного материала.

В работе [7] Мишиным М.Е. были приведены результаты обследования участка теплосети в г. Рязань. Было отмечено отсутствие критической влажности по массе образца, взятого из теплоизоляционного слоя теплотрассы, повреждений, трещин, деформаций, что свидетельствует о высокой механической прочности, заявленной в ТУ производителя [9], а так же высокой степени адгезии материала к стальной трубе. Конструкция так же выдерживает все «издевательства» во время монтажа, затопление, обжиг.

Автором Силаевым Д.А. в статье [8] был произведен анализ характеристик материалов ППУ и ППМ, таких как теплопроводность, водопоглощение, адгезия к стальной трубе и экономическое сравнение условной тепловой трассы. Температура поверхности тепловой изоляции ППМ меньше, чем ППУ при коэффициентах теплопроводности 0,047 и 0,033 Вт/(м*К) соответственно. ППМ характеризует так же и низкое водопоглощение – в 20 раз меньше, чем ППУ  из-за достаточно большого количества закрытых пор. Результаты экономического сравнения так же не в пользу ППУ изоляции.

В статье [26] Димидовым Г.Ш. была произведена проверка теплоизоляционных свойств ППУ и ППМ изоляции путем проведения испытаний с закольцеванием исследуемых участков трассы по методике РД 34.09.255-97 [27], проложенных бесканальным и надземным способом. Была доказана возможность применения труб в ППМ изоляции. Фактические значения потоков теплоты через слой ППМ составили 24,45 Вт/м и 20,14 Вт/м для подающего и обратного трубопроводов соответственно, что намного меньше нормативных показателей при бесканальной прокладке трассы.

Умеркиным Г.Х. в статье [28] было исследовано свойство паропроницаемости ППМ изоляции с помощью неизотермической колонки при воссоздании влажностного состояния образцов трубы с изоляцией из ППМ при канальной прокладке. Был исследован процесс испарения влаги предварительно увлажненным слоем изоляции, его скорость и распределение по всей протяженности образцов. Образцы предварительно увлажнялись с 12% влагосодержанием по массе. Полное высыхание ППМ происходило за 9 суток. Через 6 суток наблюдалось минимальное содержание влаги в наиболее близко расположенной к поверхности трубы части образца. В условиях затапливаемого канала, воссозданных с помощью данной установки, происходило быстрое высыхание изоляции. Дополнительные вскрытия трубопроводов с различным сроком службы и расположенные в различных регионах не показали ни одного случая коррозии на поверхности трубы в ППМ изоляции. Влажность по массе для образцов из теплосети Санкт-Петербурга составила 1,5% у трубы, 4%- в среднем слое изоляции, тогда как влажность грунта составляла на момент вскрытия 31%.

Мишиной А.М. в работе [29] была изучена зависимость между значением плотности образцов ППМ изоляции и его теплопроводностью. С ростом плотности образца происходит уменьшение пористости и соответственно увеличение теплопроводности материала. Был выявлен основной диапазон значений оптимальной плотности: 270-320 кг/м³, который обеспечивал образец необходимыми теплоизоляционными характеристиками и наделял конструкцию достаточной прочностью.

В настоящее время ведутся серьезные споры о предпочтительности использования ППМ изоляции труб взамен практически не меняющейся технологии изоляции труб с помощью ППУ, оборудование для производства и материалы которой преимущественно импортные. Но практически все исследования теплоизоляционных характеристик ППМ проведены ведущими специалистами компаний, производящими данную продукцию. Как следствие существует вероятность исключения отрицательных показателей при обследовании участков тепловых сетей с теплоизоляционным слоем ППМ в различных регионах страны. Но, несмотря на это, исследования по изучению свойств ППМ и результаты множественных вскрытий участков теплосети указывают на возможность применения данного материала в качестве тепловой изоляции труб, возможность добиться экономической эффективности от его использования и самое главное – осуществить государственную стратегию развития энергетического комплекса России до 2030 года. Необходимо лишь накопление опыта эксплуатации трубопроводов в ППМ, который с каждым годом подтверждал или опровергал заявленные теплоизоляционные характеристики данного материала, проведение регулярных испытаний образцов, взятых из действующих тепловых сетей, накопление отзывов теплоснабжающих организаций, а так же создание архивов актов осмотра участков. Исследования, посвященные изучению ППУ в качестве тепловой изоляции, обширны и разнообразны. Свойства ППУ материала достаточно хорошо изучены. С учетом знания его характеристик необходимо обратить внимание и на опыт эксплуатации таких теплопроводов, т.е. на фактические потери тепловой энергии через слой изоляции действующих сетей с различным сроком службы, статистику повреждаемости в зависимости от климатических условий и геометрии трубы и возможность модернизации уже существующей конструкции. Подготовка общей статистики эффективности использования того или иного типа изоляции, создание общей базы данных по проведенным обследованиям и результатам испытаний в будущем поможет реализовать стратегию по увеличению энергоэффективности и надежности тепловых сетей централизованного теплоснабжения России.

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: утверждена распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 года №1715-р // Собрание законодательства РФ. 2009. № 48. Ст.5836.
2. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года: утверждена распоряжением Правительства РФ от 28 августа 2003 года №1234-р // Собрание законодательства РФ. 2003.
3. Шойхет Б.М. Проектирование тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей. Энергосбережение. № 1. 2015. с.50-55.
4. Королев И. А., Петраков Г. П. Создание испытательного центра для проверки качества пенополиуретановой изоляции предизолированных трубопроводов, применяемых в системах теплоснабжения. Инженерно-строительный журнал. 2011. № 1. С. 23-25.
5. Байбаков С.А., Тимошкин А.С. Основные направления повышения эффективности тепловых сетей. Электрические станции.2004.№7.С.19-25.
6. Щербак А.С. Исследование свойств современных теплоизоляционных материалов. Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта.2013.№2 (44).С. 136-143.
7. Мишин М.Е. Трубы в ППМ изоляции – современный способ  строительства  тепловых  сетей.  //  Новости  теплоснабжения № 3 (март) 2010 г., с. 34-37.
8. Силаев Д.А. ППУ и ППМ изоляции. Взгляд с другой стороны.// Новости теплоснабжения № 7 (июль) 2009 г., с. 32-36.
9. ТУ 5768-006-13300749-2009. Трубы и фасонные изделия стальные в пенополимерминеральной изоляции.
10. Слепченок В.С., Петраков Г.П. Повышение энергоэффективности теплоизоляции трубопроводов тепловых сетей северных и северо-восточных регионов России // Инженерно-строительный журнал. 2011. №4(22). С. 26–32.
11. Налобин Н.В. Оптимизация толщины пенополиуретановой изоляции теплопроводов в системах теплоснабжения объектов на севере Западной Сибири: автореферат. Дисс. Канд.техн.наук. Нижний Новгород, 2007. 18 с.
12. ГОСТ 30732-2006. Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой. Технические условия.
13. МДК 4-05.2004. Методика определения потребности в топливе, электрической энергии и воде при производстве и передаче тепловой энергии и теплоносителей в системах коммунального теплоснабжения. Утв. Госстроем России 12.08.2003.
14. Слепченок В.С., Петраков Г.П. Система теплоснабжения Санкт-Петербурга на современном этапе и возможности ее модернизации // Инженерно-строительный журнал. 2009. №7. С. 26–29.
15. Ватин Н.И., Дубов В.В., Петраков Г.П. Внедрение РМД 41-11-2012 Санкт-Петербург «Устройство тепловых сетей в Санкт-Петербурге» // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. №1(6). C. 48–54.
16. Майзель И. Л. Пути повышения надежности и долговечности тепловых сетей // Энергетика Татарстана. 2007. № 3. С. 10-15.
17. Петраков Г. П. Срок службы пластиковых труб в пенополиуретановой изоляции, применяемых для систем теплоснабжения // Инженерно-строительный журнал. 2012. Т. 29. № 3. С. 54-62.
18. Половников В.Ю., Глазырин Е.С. Численный анализ влияния инженерных сооружений на тепловые потери бесканальных теплопроводов// Инженерно-строительный журнал. 2014. № 2. С. 5-13.
19. Ковалевский В.Б. Энергоэффективность тепловых сетей бесканальной прокладки. – Новости теплоснабжения. 2010. №1. с.40-43.
20. Ковалевский В.Б. О нормативных тепловых потерях при бесканальной прокладке теплопроводов // Новости теплоснабжения. 2001. №4. С.24-27.
21. Ковалевский В.Б., Петухов B.C. Технико-экономические показатели теплоизолированных труб для тепловых сетей бесканальной прокладки // Новости теплоснабжения 2003. № 6 (34). С. 18 – 26.
22. Голубков С.К. Опыт эксплуатации труб в ППУ-изоляции с системой оперативного дистанционного контроля (ОДК). Материалы Конференции “Тепловые сети. Современные решения”.17 по 19 мая 2005 г. НП “Российское теплоснабжение”.
23. Александров А.А., Переверзев В.Л. Оперативный дистанционный контроль трубопроводов ППУ – эффективное средство контроля или бесполезное приложение?// Новости теплоснабжения. 2007. № 2. С. 36-41.
24. Поляков В.А. Применение предизолированных трубопроводов в ППУ изоляции – основной путь создания энергоэффективных и надежных тепловых сетей. URL: http://www.pputruba.ru/stata_polyakov.pdf (дата обращения 30.03.2016).
25. Умеркин  Г.Х.  Конструкция  теплопроводов  в  пенополимерминеральной изоляции. // Новости теплоснабжения.№ 4 (апрель) 2001 г., с.18-19.
26. Димидов Г.Ш. Об испытаниях теплопроводов в ППМ-изоляции // Новости теплоснабжения. 2006. № 4. С. 37-40.
27. Методические указания по определению тепловых потерь в водяных тепловых сетях: РД 34.09.255-97. М.:СПО ОРГРЭС, 1988.-18с.
28. Умеркин Г.Х. Исследование процессов высыхания пенополимерминеральной  теплогидроизоляции.  //  Новости теплоснабжения № 11 (ноябрь) 2005 г., с. 45-46.
29. Мишина А.М., Кулешов А.С., Силаев Д.А. Теплоизоляционные свойства пенополимерминеральной изоляции. // Новости теплоснабжения № 6 (июнь) 2008 г., с. 45.

Все статьи автора «Павлова Дарья Валерьевна»