Отопительный сезон в России длится около семи месяцев. Для владельцев частных домов и тех, кто только собирается ими стать вопрос эффективного отопления помещения становится сложной задачей, которую не так-то просто решить. Попробуем разобраться, что собой представляют современные системы отопления частного дома.
Чаще всего для отопления используют воду или различные антифризные жидкости, которые циркулируют по трубам. Жидкость нагревается при помощи газовых котлов, которые могут работать на жидком, твердом и газовом топливе. В последнее время в качестве нагревающих элементов стали использовать электродные и индукционные котлы.
Водяное отопление популярно за счет доступности и эффективности теплоносителя у владельцев коттеджей и прочего загородного жилья. Водяную систему легко смонтировать самостоятельно. Положительным моментом является то, что объем воды в системе остается постоянным.
Недостатки водяного отопления в длительном времени прогревания помещения, возможных протечках и разрывах труб. Нельзя отключать водяную систему зимой, так как вода замерзнет и разорвет трубы.
Прогрессивные отопительные системы
Устройство современных систем отопления частных домов принципиально отличается от традиционных способов обогрева. Отопительная техника с каждым годом стремительно развивается. Оборудование усовершенствуется, становится эффективнее.
Возникают новые источники энергии, отвечающие требованиям защиты окружающей природной среды и общему комфорту эксплуатации оборудования.
Инновационная разработка российских ученых – система инфракрасного отопления ПЛЭН. Она состоит из тончайшей полимерной пленки и резистивно-нагревательного элемента из углеродных нитей.
ПЛЭН излучает тепловую составляющую солнечного света, которая поглощается полом, потолком, мебелью и создает комфортную температуру помещения.
Характеристики
Максимальная температура поверхности этой конструкции – 60°C, но для создания наиболее комфортных условий в доме достаточно 30° – 40°С.
ПЛЭН можно уложить по всей поверхности основания помещения, накрыв сверху ламинатом или любым другим видом покрытия. Если же смонтировать систему на потолке, то вы получите ощущение тепла и комфорта как от солнца. Крепить конструкцию к стенам тоже можно, но ее эффективность от этого пострадает.
Одним из достоинств пленочного нагревателя является отсутствие жидкого теплоносителя. Это избавляет от установки сложных систем, протечек, замерзания жидкости. Кроме того, пленочные отопительные системы, имеют еще ряд преимуществ:
- не сушат воздух;
- отсутствуют интенсивные тепловые потоки;
- не создают конвективные потоки;
- пожаробезопасны;
- просты в монтаже;
- полностью безопасны для человека и окружающей среды.
Еще одним доводом в пользу ПЛЭН для загородного дома являются многолетние исследования ученых. Они доказали, что длинноволновое инфракрасное излучение при умеренной мощности оказывает полезное воздействие на организм человека.
Главный недостаток системы инфракрасного отопления – его высокая стоимость. Для устройства отопительной системы всего дома придется сделать серьезные денежные вложения, которые окупятся довольно не скоро.
Геотермальные системы
Инновация в отоплении частного дома – забор тепла из грунта, который находится на придомовом участке. Для этого используют геотермальную установку. Ее конструкция состоит из теплового насоса, работающего по принципу холодильника, только на обогрев.
Возле дома создается шахта, где необходимо расположить теплообменник. По нему грунтовые воды будут поступать в теплонасос, отдавать тепло, которое будет использоваться для обогрева строения.
При отоплении загородного дома в качестве теплоносителя используют антифриз. Для этого в шахте устанавливается специальный резервуар.
Очень просто использовать тепловую энергию, источником которой является солнечный свет. Новейшие системы отопления загородного дома, работающие от солнечной энергии, представляют собой коллектор и резервуар.
Структура трубок, из которых состоит коллектор, сводит потери тепла к минимуму. Исходя из конструкционных особенностей, солнечные коллекторы бывают вакуумные, плоские и воздушные.
Размещать их необходимо как можно выше.
Нюансы
Этот вид отопления подойдет только для теплых регионов страны, где яркое солнце светит хотя бы 20-25 дней в году. В противном случае должны быть установлены дополнительные системы отопления. Еще одним недостатком солнечных батарей является высокая стоимость и небольшой срок службы аккумуляторов, необходимых для накопления электроэнергии.
Гидротермальные системы
Если ваш загородный дом расположен рядом с незамерзающим водоемом, то необходимую теплоэнергию можно получать из воды.
Для этого на дно водоема укладывается зонд-теплообменник, а в доме монтируется тепловой насос. Чем больше размер зонда, тем эффективнее гидротермальная установка.
Воздушные системы
В теплых климатических зонах можно использовать систему воздух – воздух. Простейшие виды подобных теплонасосов – инверторные кондиционеры. Монтируются они как обычные кондиционеры. Эффективность их работы снижается при минусовой температуре, а при -30°C и ниже сводится к нулю.
Энергия ветра давно используется для получения электричества. Но ее также можно применять для обогрева загородного жилья. Учеными создан безредукторный ветроэлектрогенератор, который монтируется на вертикальной оси вращения на крыше дома. Для снижения шума при работе конструкции ось должна быть оснащена виброизолятором. В подвале размещают электрический водонагреватель и тепловой аккумулятор.
Это устройство довольно сложно в изготовлении, имеет большой размер и вес. Его долго и непросто монтировать. Для получения максимальной энергии ветра необходимо возвести достаточно высокую башню.
Плюсы и минусы
Несомненным достоинством этого вида отопления является его экологичность. Извлечение энергии из ветра не наносит никакого урона окружающей среде. Кроме того, эта энергия абсолютно бесплатна, а расходы на изготовление и монтаж оборудования относительно невелики.
Несмотря на несомненные достоинства, этот способ отопления загородных домов не пользуется популярностью, что связано с непостоянством силы и скорости ветра.
Электрообогрев помещений относится скорее к традиционным методам отопления, которые были модернизированы в последние десятилетия. Электрические приборы просты в эксплуатации, удобны и надежны. Их давно используют для местного обогрева.
Чтобы равномерно прогреть всю площадь помещения при помощи электричества используют теплые полы. Эта система удобна для использования в загородном частном доме.
Система «теплый пол»
Технология напольного отопления – это удобная и экономичная система прогрева помещения. В современных установках используются прогрессивные материалы. Для изготовления трубопроводов применяются легкие и прочные полимерные материалы.
Основой теплого электрического пола служит греющий кабель. Главное в этом виде отопления – качество кабеля, от которого зависит эффективность работы системы и длительность ее службы.
Теплые полы, использующие воду, не выделяют вредных веществ, электромагнитных излучений. Вода – дешевый и теплоемкий теплоноситель. Монтируется сеть трубопровода, по которой течет жидкость, между основанием и покрытием пола. По сравнению с электрической системой «теплый пол», этот вид отопления значительно дешевле.
Политика энергоснабжения, проводимая в последние годы, предполагает переход на возобновляемые источники энергии. Все чаще для производства электричества используется не газ и уголь, а солнце, ветер, энергия воды. Это экологически чистые источники энергии, которые не загрязняют выбросами и сбросами окружающую природную среду.
Байбаков С. А., инженер ОАО «ВТИ»
1. Существующее положение и проблемы.
В связи с особенностями климатических условий бесперебойное обеспечение населения и промышленности тепловой энергией в России является актуальной социальной и экономической проблемой. По данным различных источников для целей теплоснабжения в 2000 г. было произведено примерно 2020 млн.Гкал. На это было затрачено свыше 45% от общего потребления всех видов топлива, что примерно в 2 раза больше, чем расход топлива на нужды электроэнергетики и соответствует топливоемкости всех остальных отраслей экономики.
В настоящее время отпуск тепла потребителям крупных населенных пунктов в основном производится и будет производится в дальнейшем от достаточно мощных систем централизованного теплоснабжения (СЦТ), имеющих в качестве источников тепла крупные ТЭЦ или районные котельные.
Значительная часть потребностей в тепловой энергии в нашей стране, и особенно в городах, имеющих высокую концентрацию тепловых нагрузок, традиционно обеспечивается за счет крупных СЦТ на основе паротурбинных ТЭЦ с теплофикационными турбинами различной мощности, т.е. имеет место широкое использование теплофикации, использование которой объективно позволяет получить существенную экономию органического топлива. Так комбинированная выработка тепловой и электрической энергии в России по различным источникам позволяет экономить от 20 до 30% топлива по сравнению с раздельной выработкой.
В современных условиях развитие теплофикации и систем теплоснабжения на ее основе стало испытывать конкуренцию со стороны децентрализованных схем и раздельной выработки тепловой и электрической энергии, обусловленную следующими обстоятельствами.
КПД электростанций с конденсационными турбинами значительно увеличился и достигает 40 - 43%. Вместе с тем удалось повысить КПД отопительных котельных, величина которого превышает КПД энергетических котлов ТЭЦ, а КПД использования топлива малых котельных практически может достигать 100%. Все это приводит к снижению относительной экономии топлива при теплофикации. Кроме того, развитие теплофикации требует значительных начальных затрат, а срок окупаемости при создании крупных ТЭЦ составляет около десяти лет. В современных экономических условиях это положение с учетом фактора мобильности объективно приводит к переходу на теплоснабжение от быстроокупаемых, автоматизированных и высокоэкономичных котельные различной мощности, включая крышные и домовые котельные установки заводской готовности, не смотря даже на то, что удельные капитальные затраты для таких котельных значительно выше аналогичного показателя для ТЭЦ.
Одной из основных проблем при традиционной схеме СЦТ является фактор надежности теплоснабжения. Как уже отмечалось, принятое расположение базовых и пиковых источников тепла, разработка режимов отпуска тепла и величины параметров сетевой воды определялись без учета этого фактора. В результате сложилась следующая ситуация.
Концентрация тепловой мощности и радиально-тупиковая структура тепловых сетей имеет весьма ограниченные возможности по резервированию тепловой мощности источников тепла. Аварийные переброски тепла могут производится в основном по концевым участкам тепловых сетей, имеющих малую пропускную способность. В соответствии с этим аварийные ситуации на источнике тепла или на головных участках магистралей тепловых сетей могут привести к значительному и длительному снижению подачи тепла потребителям.
Для повышения надежности теплоснабжения на источнике тепла предусматриваются возможность использования резервного теплогенерирующего оборудования (паровых теплообменников) с подачей пара из станционных паровых коллекторов или из отборов с более высокими параметрами пара и секционирование коллекторов теплофикационных установок ТЭЦ.
В тепловых сетях повышение надежности теплоснабжения обеспечивается различными способами резервирования и дублирования трубопроводов, что приводит к удорожанию тепловых сетей и усложнению их схем. При протяженных магистральных тепловых сетях повышение надежности обеспечивается секционированием магистральных трубопроводов, прокладкой нескольких ниток трубопроводов с меньшим диаметром и организацией перемычек между ними. Кроме того, предусматривается подключение потребителей к трубопроводам перемычек между соседними магистралями, обеспечивая тем самым возможность двусторонней подачи тепла.
Другим фактором, отрицательно сказывающимся на надежность тепловых сетей является использование достаточно высокого температурного графика 150/70 о С. При этом графике на 1 о С изменения температуры наружного воздуха приходится примерно 3.0 о С изменения температуры сетевой воды в подающей линии. Соответственно при возможных относительно быстрых внутрисуточных изменениях погодных условий, связанных с повышением или понижением температуры воздуха в отопительном периоде на 7-10 о С требуется изменение температуры в подающей линии на 21-30 о С. При этом изменения температуры воздуха и, соответственно, воды в трубопроводах как правило носят циклический характер.
В этих условиях опыт эксплуатации в качестве меры по повышению надежности предусматривает применение срезки температурного графика на максимальную температуру 120-130 о С, что приводит к недоотпуску тепла на отопление. При установке же на тепловых пунктах потребителей с независимой схемой присоединения отопления регуляторов нагрузки (температуры воды в контуре отопления) использование срезки температурного графика может привести к значительному увеличению расходов воды в тепловой сети и существенному изменению (усложнению) гидравлического режима тепловых сетей.
Снижение привлекательности получения тепла от систем теплоснабжения с использованием теплофикации приводит к отключению потребителей и их переходу на другие источники тепловой энергии. При этом объемы производства падают и тарифы на тепловую энергию для остальных потребителей возрастают.
В целях повышения привлекательности теплоснабжения на базе теплофикации необходимо предпринять организационные и технические меры по повышению надежности и экономичности производства и транспорта тепла, позволяющие продуманно и комплексно решать имеющиеся проблемы с учетом ожидаемого роста тепловых нагрузок существующих систем и изношенности основного оборудования, и в особенности установленных на ТЭЦ пиковых котлов.
Вместе с тем, как следует из опубликованных материалов по зарубежному опыту организации теплоснабжения, в настоящее время в Европейских странах (Дания, Германия) получило широкое распространение создание крупных систем централизованного теплоснабжения на базе параллельного подключения к общей тепловой сети нескольких источников различной мощности с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии (МиниТЭЦ, ПГУ ТЭЦ, ГТУ ТЭЦ).
Такой подход обусловлен значительной экономией топлива, получаемой при использовании теплофикации и возможностью наиболее эффективно решать экологические проблемы при сжигании органического топлива. При этом регулирование отпуска тепла в рассматриваемых системах производится в соответствии с графиком количественно-качественного регулирования при максимальной расчетной температуре в подающей линии на уровне 110 - 130 о С. Нормальная работа систем теплоснабжения в этих условиях возможна только при условии полной автоматизации потребителей тепловой энергии.
2. Анализ имеющихся предложений по структуре и схемам СЦТ.
Современные СЦТ представляют собой сложный инженерный комплекс из источников тепловой энергии (основных и пиковых) и потребителей тепла, связанных между собой тепловыми сетями различного назначения и балансовой принадлежности, имеющими характерные тепловые и гидравлические режимы с заданными параметрами теплоносителя. Величина параметров и характер их изменения определяются техническими возможностями основных структурных элементов систем теплоснабжения (источников, тепловых сетей и потребителей), экономической целесообразностью и, в немалой степени, наработанным опытом создания и эксплуатации таких систем.
В последнее время повышению эффективности комбинированной выработки тепловой энергии и систем теплоснабжения на ее основе уделяется пристальное внимание. Многими авторами и организациями разработаны различные предложения по возможным направлениям изменения структурных схем таких систем. При этом речь идет не о применении нового оборудования, каким является например использование для теплофикации парогазовых циклов, что само по себе позволяет повысить экономичность теплоснабжения, а именно о разработке нетрадиционных схем систем теплоснабжения в целом, в которых преимущества комбинированного производства тепловой энергии используются в наибольшей степени.
Одним из таких предложений является хорошо известное из технической литературы /1/ предложение д.т.н. Андрющенко А. И., суть которого заключается в переходе на централизованную подачу от ТЭЦ тепла только на горячее водоснабжение с его отпуском в районы теплопотребления по однотрубной схеме. При этом нагрузка отопления обеспечивается расположенными непосредственно в районах теплопотребления пиковыми источниками с различным составом теплогенерирующего оборудования и соответствующими тепловыми сетями. Подача воды и тепла от ТЭЦ в двухтрубные районные тепловые сети производится в виде их подпитки для компенсации непосредственного водоразбора на горячее водоснабжение в районных сетях, осуществляемого по открытой схеме.
Использование такой схемы СЦТ позволяет повысить эффективность комбинированной выработки за счет снижения температуры отвода тепла от теплофикационных отборов турбин при стабильной их годовой загрузке по отпуску тепла.
Однако системы теплоснабжения с подобной структурой очевидно могут применяться при полностью новом строительстве, а также при реорганизации схемы теплоснабжения предусматривающей использование или загородной КЭС или новой ТЭЦ с подачей тепла в существующие районные тепловые сети, у которых в качестве источников тепла используются городские квартальные котельные. Т.е. использование рассматриваемого предложения требует специальной организации системы, характеризующейся концентрацией значительной нагрузкой горячего водоснабжения и строительства тепловых сетей для ее передачи в районы теплопотребления.
Предлагаемая схема не может быть использована для сложившихся систем теплоснабжения городов на базе крупных ТЭЦ исходя из практической невозможности перноса нагрузки горячего водоснабжения на один из источников. Кроме того, при использовании открытых схем горячего водоснабжения следует учитывать необходимость создания соответствующей водоподготовки большой производительности и наличия исходной воды определенного качества.
Несколько вариантов изменения схем подключения пиковых источников в системах теплоснабжения и условиям работы тепловых сетей приведено авторами из Уляновского ГТУ в монографии /2/.
В основном можно рассматривать два предложения.
В первом из них предлагается подключать пиковые котельные на ТЭЦ параллельно сетевым подогревателям и перевести работу тепловых сетей на пониженный температурный график с использованием центрального количественного или качественно-количественного регулирования.
По этому поводу следует сказать, что при современных схемах автоматизации тепловых пунктов центральное изменение расхода воды на теплоисточнике невозможно, поскольку расход воды определяется регуляторами у потребителя тепла. Кроме того, вызывает сомнения возможность соблюдения ограничений по допустимым расходам воды через сетевые подогреватели турбин при значительных изменениях расходов в тепловых сетях, что может потребовать отключение турбин по отпуску тепла с их работой в чисто конденсационном режиме.
Кроме того, для существующих систем теплоснабжения непосредственный переход на пониженный температурный график также не возможен, поскольку при той же тепловой нагрузке значительно возросший расход сетевой воды не может быть пропущен по тепловым сетям с прежними диаметрами трубопроводов.
Во втором предложении рассматривается возможность перехода на полную децентрализацию установок пиковой мощности систем теплоснабжения с ее производством непосредственно у потребителей. Это предложение также вряд ли экономически обосновано по суммарным затратам в систему теплоснабжения, хотя и позволяет по словам авторов получить значительную экономию топлива.
Так в качестве пиковых источников предлагается использовать или электронагреватели или домовые газовые котельные. Все это вместе будет очевидно значительно дороже, чем реконструкция пиковой водогрейной котельной на ТЭЦ, поскольку потребует перекладки или электросетей или газопроводных труб. Кроме того, использование электроэнергии для целей отопления, как показывает предыдущий опыт, позволяет получить экономические преимущества лишь при наличии избытка дешевой электроэнергии, производимой например на ГЭС.
Режимы работы тепловых сетей при предлагаемых схемах авторами практически не рассматриваются.
Одним из последних по времени высказано предложение коллектива авторов из Белорусии (Шкода А. Н. и др.), заключающееся в переходе при теплоснабжении от ТЭЦ на трехтрубные схемы тепловых сетей с раздельной подачей тепла на отопление и горячее водоснабжение /3/. При этом на ТЭЦ нагрузка горячего водоснабжения обеспечивается в основном за счет использования теплофикационного пучка конденсатора и отбора нижней ступени, а подача тепла на отопление производится из верхних теплофикационных отборов.
Предложенный вариант схемы системы теплоснабжения имеет ряд преимуществ. Повышается КПД турбины за счет ликвидации чисто вентиляционного пропуска и выработка электроэнергии на тепловом потреблении при снижении параметров отвода тепла из цикла. При этом улучшаются режимы эксплуатации тепловых сетей отопления за счет стабилизации гидравлического режима и обеспечения возможности снижения температуры воды в подающей линии при положительных температурах воздуха в соответствии с отопительным графиком, связанной с отсутствием необходимости излома температурного графика. Использование аккумулирующих емкостей по горячему водоснабжению, устанавливаемых в районах теплопотребления, позволяет также иметь стабильный гидравлический и тепловой режим в трубопроводах системы горячего водоснабжения от ТЭЦ.
Для приведенной схемы СЦТ необходима установка на ТЭЦ оборудования по подготовке воды на горячее водоснабжение, и кроме того, применение такой схемы в действующих системах практически не возможно реализовать, поскольку почти для всех тепловых сетей от ТЭЦ требуется дополнительная прокладка трубопроводов сетей горячего водоснабжения. Предлагаемую схему можно рассматривать как вариант при создании новых централизованных систем теплоснабжения.
В приведенных работах подробно рассматривается в основном непосредственно источники тепла (теплофикационное оборудование турбин и пиковых котельных) и повышение экономичности при выработке тепла, но недостаточно внимания уделяется условиям и режимам работы присоединенных тепловых сетей и потребителей тепловой энергии, а также вопросам создания целостных систем на основе предлагаемых вариантов. В особенности это касается возможностей использования приведенных предложений для использования в уже сложившихся СЦТ с традиционной схемой.
Однако наличие указанных выше проблем при централизованном теплоснабжении и возможный рост тепловых нагрузок в городах потребует поставить вопрос о целесообразности их реконструкции и модернизации. При этом имеющиеся проблемы надо решать в комплексе, с учетом существующих условий и возможных режимов работы тепловых сетей и потребителей.
3. Предложения по изменению схем существующих СЦТ.
В качестве основных направлений для достижения поставленных выше целей следует в первую очередь рассматривать предложения позволяющие осуществить возможную децентрализацию источников тепла и снижение температурного графика тепловых сетей.
Для систем теплоснабжения с традиционной структурой снижение температурного графика тепловых сетей является дорогостоящей и трудновыполнимой задачей. Это определяется в основном возможностями регулирования подачи тепла на отопление в тепловых пунктах потребителей и принятыми при проектировании тепловых сетей диаметрами трубопроводов.
Ниже предлагается возможный вариант изменения структуры эксплуатирующихся в настоящее время СЦТ, осуществление которого позволит с наименьшими затратами обеспечить выполнение указанных условий.
Предлагается провести реконструкцию системы теплоснабжения, перенося пиковые источники тепла с ТЭЦ в районы теплопотребления. При этом требующие реконструкции пиковые котлы на ТЭЦ демонтируются, а новые пиковые источники тепла оборудуются на тепловых сетях всех крупных выводов ТЭЦ и подключаются к существующим магистралям в промежуточных точках. Принципиальная схема системы теплоснабжения при таком переносе пиковых источников приведена на рис. 1, на котором приведена также изначальная схема СЦТ (рис. 1 а) с традиционной структурой.
В качестве пиковых источников могут использоваться водогрейные котлы, а также различные другие типы теплогенерирующего оборудования, включая ПГУ или ГТУ ТЭЦ. Выбор типа пикового источника в общем случае определяется на основании результатов технико-экономических расчетов.
Перенос пиковых источников в районы теплопотребления разбивает тепловые сети с присоединенными потребителями на две зоны: зону между ТЭЦ и точкой подключения пикового источника (зона ТЭЦ); и зону после пикового источника (зону пиковой котельной). При этом в обеих зонах могут поддерживаться различные температурные (температурные графики) и соответствующие гидравлические режимы. Как это показано на рис.1, включение пиковых источников по сетевой воде может производится как последовательно с теплофикационным оборудованием ТЭЦ, так и параллельно оборудованию ТЭЦ. Каждая из схем подключения имеет свои преимущества или недостатки.
При последовательном подключении через пиковый источник будет проходить большой расход воды с относительно высокой температурой перед источником, что имеет значение при использовании водогрейных котлов. Такая схема предусматривает подачу тепла только в зону пикового источника при отсутствии возможности выдачи тепловой мощности в зону ТЭЦ.
При параллельном подключении через пиковый источник проходит сниженный расход с температурой обратной линии на входе, но при этом имеется возможность подачи воды и тепла в тепловые сети зоны ТЭЦ, обеспечивая тем самым возможность резервирования тепловой мощности ТЭЦ. На пиковом источнике при этом устанавливается насос смешения.
В реальных условиях может одновременно использоваться как параллельное, так и последовательное присоединение пиковых источников. Выбор конкретных схем определяется гидравлическими характеристиками существующих тепловых сетей и необходимыми условиями резервирования.
Предлагаемое изменение структуры системы теплоснабжения позволяет снизить тепловую мощность, отпускаемую непосредственно от ТЭЦ до уровня мощности теплофикационного оборудования турбин. При этом условии по существующим трубопроводам без изменения диаметра может быть пропущен прежний расход воды, что обуславливает возможность перехода в зоне ТЭЦ на пониженный температурный график.
Протяженность тепловых сетей после пикового источника сравнительно меньше общей протяженности сети изначальной системы, что позволяет допустить большие потери давления (напора) при условии обеспечения прежнего располагаемого напора у наиболее удаленных потребителей. В соответствии с этим в сетях после пикового источника также возможно перейти на пониженный график с увеличенными расходами сетевой воды.
Предлагаемая структурная схема СЦТ приводит к децентрализации источников тепла с возможностью их взаимного резервирования и одновременно позволяет перейти на пониженный температурный график в тепловых сетях, что должно обеспечить повышение надежности теплоснабжения. Переход на предлагаемую структурную схему СЦТ потребует только доведения до необходимого уровня автоматизацию тепловых пунктов потребителей.
Кроме указанных преимуществ, предлагаемая схема позволяет увеличивать присоединенную нагрузку и мощность системы теплоснабжения по отдельным направлениям тепловых сетей за счет наращивания мощности пиковых источников, не изменяя диаметры трубопроводов остальной сети и характеристики других источников тепла, входящих в СЦТ.
Следует отметить, что гидравлические и тепловые режимы тепловых сетей и источников тепла кроме прочих условий зависят также от места подключения пикового источника к тепловой сети, т.е. от удаления подключаемого пикового источника от ТЭЦ.
В качестве примера определения показателей режимов и оценки основных условий реконструкции СЦТ были рассмотрены требуемые параметры и режимы работы при изменении схемы системы централизованного теплоснабжения с условной расчетной тепловой нагрузкой потребителей 1 Гкал/ч.
К изначальной тепловой сети присоединены потребители только с нагрузкой отопления при расчетной температуре в помещениях +18 о С. При этих условиях и температурном графике традиционной схемы 150/70 о С расход воды в сети постоянен и равен 12.5 т/ч.
Принималось, что коэффициент теплофикации для изначальной традиционной схемы равен 0.5, т.е. из теплофикационных отборов турбин покрывается половина расчетной нагрузки системы. Другую половину обеспечивает пиковая котельная. График покрытия тепловой нагрузки системы теплоснабжения в зависимости от температуры наружного воздуха (относительной нагрузки отопления), принятый исходя из условия максимальной загрузки по теплу теплофикационных турбин ТЭЦ приведен на рис. 2
Рис. 2 График покрытия тепловой нагрузки системы теплоснабжения.
Для предварительного анализа будем считать, что присоединение тепловой нагрузки распределено равномерно по тепловой сети, которая представляет собой одну тупиковую магистраль переменного по длине сети диаметра. Общая относительная протяженность сети равна 1.
Схемы изначальной системы теплоснабжения и системы после переноса пикового источника (пиковой котельной) в район теплопотребления приведены на рис. 3. На этом же рис. приведены используемые в дальнейшем условные обозначения основных параметров режимов СЦТ.
а. Начальная (традиционная) схема СЦТ
б. Преобразованная схема СЦТ
Рис. 3 Схема преобразования СЦТ и условные обозначения.
Условные обозначения:
1 - Теплофикационное оборудование ТЭЦ
2 - Пиковый источник (пиковая котельная)
Для оценки изменения гидравлических режимов системы теплоснабжения было принято, что в тепловой сети при традиционной схеме имеет место линейное изменение напора по длине трубопроводов. При этом относительный располагаемый напор на ТЭЦ при традиционной схеме равен 1, а устойчивость сети (отношение располагаемого напора на абонентском вводе к располагаемому напору на ТЭЦ) составляет 0.2, т.е. располагаемый напор у последнего потребителя равен 20% от развиваемого напора на ТЭЦ.
По результатам проведенных расчетов будет в основном показана техническая возможность реализации переноса пикового источника в район теплопотребления и рекомендуемые при этом режимы работы системы теплоснабжения. Следует учитывать также, что выбор основных параметров и решений (соотношение мощностей, место расположения пикового источника, принимаемые температурные графики и т.д.) очевидно определяется не только чисто техническими, но и технико-экономическими условиями. В предлагаемом материале технико-экономические условия не рассматриваются.
Для новой системы теплоснабжения принят тот же график покрытия суммарной тепловой нагрузки системы, что и для изначальной сети, который приведен на рис. 2, т е. пиковый источник обеспечивает при расчетных условиях половину нагрузки и коэффициент теплофикации для СЦТ в целом остается равным 0.5.
Будем считать, что для потребителей, подключенных к сети после перенесенного пикового источника (зона ПК) принимается отопительный температурный график 130/70 о С. Для потребителей зоны ТЭЦ расчетный температурный график принят более низким исходя из возможности теплофикационных отборов турбин и равным 120/70 о С.
При условии автоматизации тепловых пунктов потребителей температура в обратной линии сети при реконструкции не изменится и останется равной этой температуре для исходной тепловой сети.
Возможная точка подключения пикового источника к тепловым сетям при принятых условиях определяется гидравлическим режимом исходной системы и условиями получаемых гидравлических режимов при переносе пикового источника, для которых должно быть выполнено требование обеспечения преждних располагаемых напоров на присоединенных потребителях.
Как показали проведенные расчеты теплогидравлических режимов преобразованной системы теплоснабжения наиболее близкая к ТЭЦ точка подключения пикового источника при условии обеспечения заданных располагаемых напоров у присоединенных потребителей составляет 60% от общей протяженности первоначальной тепловой сети, т.е удалена на 0.6 относительных единиц общей протяженности сети от ТЭЦ. При этом, расчетная тепловая нагрузка потребителей зоны ТЭЦ составит 0.6 Гкал/ч, а зоны пиковой котельной 0.4 Гкал/ч.
Для СЦТ после реконструкции сохраняется исходный график покрытия суммарных тепловых нагрузок системы. Однако графики покрытия нагрузок зон ТЭЦ и пиковой котельной для условий рис. 2 имеют более сложный характер.
График покрытия тепловых нагрузок потребителей зоны ТЭЦ в зависимости от относительной нагрузки отопления приведен на рис. 4, график покрытия тепловых нагрузок потребителей зоны пиковой котельной - на рис. 5
На рис. 4 показаны графики изменения нагрузки потребителей зоны ТЭЦ и отпуска тепла от ТЭЦ. Приведен также график подачи тепла от ТЭЦ в зону пикового источника (в зону ПК). Последний, при относительных нагрузках больших 0.83 (при низких температурах наружного воздуха) имеет отрицательные значения, что говорит о необходимости подачи тепла в зону ТЭЦ от пикового источника.
На рис 5 приведены графики нагрузки потребителей зоны ПК и отпуска тепла от пикового источника. На этом же рис. показан также график подачи тепла в зону ПК от ТЭЦ, который при относительных нагрузках больших 0.83 имеет отрицательные значения, свидетельствующие, как уже отмечалось, о подаче тепла от пикового источника в зону ТЭЦ.
Температурные графики СЦТ для зоны ТЭЦ и пиковой котельной приведены на рис. 6, на котором для сравнения показан также температурный график исходной СЦТ.
Как следует из рис. 6, температурный график от ТЭЦ преобразованной системы теплоснабжения имеет сложную зависимость от температуры наружного воздуха. Максимальная температура при расчетных условиях соответствует, как указывалось ранее 120 о С, а минимальная температура сетевой воды от ТЭЦ в точке начала (окончания) отопительного периода принята равной 70 о С. Рассматриваемый график имеет точку излома при относительной нагрузке равной 0.5, соответствующей точке включения пиковой котельной. Температура в этой точке определяет наибольший расход воды в трубопроводах зоны ТЭЦ, передаваемый в зону ПК, что обуславливает наиболее напряженный гидравлический режим зоны ТЭЦ и системы теплоснабжения в целом. Температура в точке излома определялась исходя из условий обеспечения необходимых гидравлических условий для присоединенных потребителей при принятой точке подключения переносимого пикового источника.
Следует отметить, что уровень температур в подающей линии от теплофикционной части ТЭЦ определяет эффективность комбинированной выработки тепловой и электрической энергии и чем он ниже, тем выше удельная комбинированная выработка.
Соответствующие приведенным выше данным по температурам в различных частях схемы СЦТ при принятой точке переноса пикового источника графики расходов воды в зависимости от относительной нагрузки отопления (температуры наружного воздуха) на различных участках схемы системы теплоснабжения приведены на рис.7. Для сравнения на рисунке приведен требуемый график расхода сетевой воды от ТЭЦ для исходной системы теплоснабжения при температурном графике 150/70 о С.
Как следует из рис. 7 расход воды от ТЭЦ в реконструируемой системе теплоснабжения существенно ниже изначального значения в 12.5 т/ч и возрастает при понижении температуры наружного воздуха от 6.5 до 10.0 т/ч. Расход воды через пиковый источник при понижении температуры воздуха сначала снижается от 4.1 до 3.6 т/ч и далее возрастает до максимального значения при расчетных условиях, равного 8.7 т/ч.
Так же как и при отпуске тепла, в реконструируемой СЦТ имеют место перетоки воды между зоной ТЭЦ и зоной ПК. Расходы воды по зонам приведены на рис. 8 и 9.
На рис.8 приведены график суммарного расхода воды для потребителей зоны ТЭЦ, график расхода воды от ТЭЦ и график подачи воды в зону ТЭЦ от пикового источника. Последний имеет отрицательные значения для относительных нагрузок менее 0.83 и показывает, что при этих относительных нагрузках имеет место подача воды из трубопроводов зоны ТЭЦ (от ТЭЦ) на пиковый источник.
На рис. 9 приведены графики расходов воды в зоне пикового источника, а также графики расходов воды для потребителей зоны ПК, расхода воды через пиковый источник и расходов воды от ТЭЦ в зону ПК. При этом максимальное значение расхода воды, подаваемого от ТЭЦ на пиковый источник отмечается при относительной нагрузке, равной 0.5 и соответствующей точке включения пиковой котельной. Величина этого расхода составляет 3.3 т/ч.
По приведенным выше данным о расчетном гидравлическом режиме исходной сети и условиях подключения тепловой нагрузки были проведены расчеты гидравлических режимов и построены пьезометрические графики реконструируемой сети для характерных относительных нагрузок (температур наружного воздуха), приведенные на рис. 10.
На рис. показаны пьезометрические графики при расчетной температуре наружного воздуха, при наиболее напряженном гидравлическом режиме, соответствующем относительной нагрузке в точке начала работы пикового источника и, для сравнения, пьезометрический график тепловой сети исходной системы теплоснабжения. Как следует из рис. 10 требования по гидравлическим режимам для преобразованной СЦТ (требования по располагаемым напорам присоединенных потребителей) выполняются при всех режимах.
Полученные результаты расчетов показывают возможность технической реализации предлагаемого изменения схемы СЦТ, при этом результаты приведены для одного из возможных вариантов. Для принятых условий изменения схемы возрастают затраты на перекачку теплоносителя и ухудшаются показатели удельной комбинированной выработки тепловой энергии, поскольку отпуск тепла от теплофикационного оборудования ТЭЦ производится при более высоких температурах в подающей линии тепловой сети зоны ТЭЦ, чем для исходной схемы СЦТ. Однако для измененной схемы системы теплоснабжения снижется уровень максимальных температур в подающей линии, что вместе с децентрализацией источников тепла позволит повысить надежность теплоснабжения при некотором снижении его экономичности.
Технико-экономические показатели рассмотренного выше варианта реконструкции СЦТ при заданных расчетных температурных графиках определяются принятой точкой присоединения к тепловой сети пикового источника тепла. Так удаление точки подключения пикового источника от ТЭЦ приводит улучшению показателей гидравлических режимов, а именно к увеличению располагаемых напоров в тепловой сети. Это обстоятельство позволяет или увеличить расход воды от ТЭЦ при снижении температуры в подающей линии зоны ТЭЦ и улучшить тем самым показатели комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, или снизить располагаемые напоры на ТЭЦ и пиковом источнике, снижая дополнительный расход электроэнергии на перекачку теплоносителя. При этом следует учитывать также изменение тепловых потерь в тепловых сетях, связанное с изменением температурного режима тепловых сетей
Выбор основных параметров изменяемой схемы СЦТ является результатом технико-экономических оптимизационных расчетов и в предлагаемом материале не рассматривается.
4. Выводы.
1. Существующие развитые системы централизованного теплоснабжения на базе крупных городских ТЭЦ с традиционной схемой компоновки требуют реконструкции, как по используемому оборудованию, так и по структурным схемам. Такая реконструкция должна приводить в первую очередь к повышению надежности теплоснабжения и обеспечению возможностей по увеличению присоединяемой нагрузки.
2. Приведенные в современной технической литературе предложения по изменению схем систем теплоснабжения вызывают ряд замечаний. Большая часть этих предложений позволяет повысить эффективность использования комбинированной выработки но практически малоприменимы для действующих СЦТ из-за значительных затрат на их реализацию, связанных в основном с тепловыми сетями. Другие предложения требуют комплексного анализа и проведения дополнительных расчетов по режимам отпуска тепла и параметрам теплоносителя в различных точках схем с определением общих затрат на создание и эксплуатацию таких систем.
3. Предлагаемая в статье схема реконструкции традиционных систем теплоснабжения, связанная с переносом пиковых источников в район теплопотребления и их подключением к существующим магистралям тепловых сетей технически реализуема и позволяет повысить надежность теплоснабжения за счет улучшения условий резервирования и перехода на пониженные температурные графики. При этом не требуется перекладка тепловых сетей, а необходимо лишь доведение автоматизации схем присоединения тепловой нагрузки потребителей до современного уровня.
Список литературы
1. Андрющенко А. И. Комбинированные системы теплоснабжения. // «Теплоэнергетика». 1997. №5. С. 2-6.
2. Шарапов В. И., Орлов М. Е. Технологии обеспечения пиковой нагрузки систем теплоснабжения.М.: Издательство «Новости теплоснабжения», 2006.-208с.; ил.
3. Шкода А. Н., Шкода В. Н., Кухарчик В. М. Совершенствование технологий комбинированного теплоснабжения. «Электрические станции». 2008. №10. С 16-17.
Как улучшить показатели отопительной системы и сделать ее обслуживание более комфортным для собственника частного дома. Для решения этой задачи необходимо знать новые тенденции и разработки в области теплоснабжения. Все современные системы отопления частного дома должны быть не только удобны, но и иметь оптимальные эксплуатационные характеристики.
Требования к современному отоплению дома
Назначение любого теплоснабжения – поддержание комфортного уровня температуры в помещении. Однако помимо этого современное отопление частного дома должно отвечать целому ряду дополнительных требований.
Прежде всего – это максимальная безопасность для проживающих в доме. Т.е. никакой элемент теплоснабжения или его работа не должны нанести вред человеку. В особенности это относится к относительно новым полимерным материалам изготовления. Также при выборе системы следует учитывать такие факторы:
- Экономическая целесообразность . Важно, чтобы количество получаемой тепловой энергии стремилось к аналогичному показателю потребляемой. Современное отопление частного дома должно иметь КПД, близкий к 100%;
- Минимальные ресурсы на обслуживание . У традиционных отопительных схем есть несколько существенных недостатков – большое количество сажи (твердотопливные котлы и печи), необходимость ежегодной очистки труб, постоянный контроль за объемом топлива и режимом работы. Современные виды отопления частного дома практически полностью исключают влияние этих факторов на работу;
- Максимальная автономность работы .
Что нужно предпринять, чтобы выполнить эти условия максимально? Для этого рекомендуется изучить предложения на рынке отопительных приборов и схем, выбрав оптимальную сборку для конкретного дома.
В большинстве случаев экономически целесообразнее провести модернизацию существующей системы, чем делать полностью новую.
Способы улучшения характеристик отопления
Далеко не всегда современные котлы отопления или трубы из новых материалов являются единственными факторами улучшения параметров системы. Сначала специалисты рекомендуют провести комплексный анализ внешних и внутренних факторов, влияющих на характеристики теплоснабжения.
Определяющим из них является уменьшение тепловых потерь здания. Именно они напрямую влияют на оптимальную мощность, которой должно обладать современное отопление без электричества или традиционного типа. Однако при этом следует учитывать нормы вентиляции – воздухообмен в каждой комнате должен соответствовать нормативам. Современные способы отопления частного дома не должны ухудшать комфорта проживания.
Способы оптимизации работы отопительной системы можно условно разделить на несколько видов – установка котлов с высоким показателем КПД, монтаж труб с пониженной теплоотдачей и применение батарей с хорошим коэффициентом теплопередачи.
Модернизация системы отопления
Для повышения текущих параметров системы можно поменять ряд ее компонентов. Подобное улучшение выполнятся только после расчета текущих характеристик и выявления «слабых» мест в отопительной схеме.
Самый простой способ – установить бак косвенного нагрева (теплоаккумулятор). Современное электроотопление в совокупности с многотарифным счетчиком дадут возможность снизить затраты на энергоноситель. Важно правильно рассчитать объем бака.
Также можно сделать более глобальные изменения в схеме:
- Монтаж коллекторной разводки трубопроводов . Актуален для домов с большой площадью;
- Замена стальных труб на полимерные меньшего диаметра . Это даст возможность уменьшить общий объем теплоносителя, что повлечет за собой экономию на его нагреве;
- Установка контролирующих устройств – программаторов, терморегуляторов и т.д. Эти современные приборы отопления предназначены для слежения за текущими параметрами системы и изменения режима ее работы в зависимости от настроек.
Также значительно улучшит характеристики установка нового котла отопления. Современные газовые модели потребляют на порядок меньше энергоносителя и имеют встроенные приборы контроля и группы безопасности. Нередко современные методы отопления загородного дома предусматривают монтаж пиролизных котлов долгого горения, работающих на топливных гранулах или брикетах.
Необходимо заранее проверить, смогут ли новые элементы отопления монтироваться со старыми. Например – в открытом отоплении установка полипропиленовых труб небольшого диаметра невозможна. Они не смогут обеспечить естественную циркуляцию без монтажа насоса.
Альтернативное теплоснабжение дома
В состав современного отопления частного дома должны входить новые методы получения тепловой энергии. В отличие от стандартных они имеют низкое энергопотребление, но при этом характеризуются небольшим количеством вырабатываемого тепла.
В качестве источника тепловой энергии можно использовать солнечное излучение или почвенный нагрев теплоносителя. Все зависит от климатических условий, площади участка и финансовых возможностей:
- . Работает по принципу разницы температур между различными слоями почвы. Для организации системы потребуются большие затраты и специальное оборудование – тепловой насос;
- Солнечный коллектор . Это один из видов современного отопления без электричества. Напрямую зависит от интенсивности солнечного излучено в конкретном регионе. В летний период может использоваться в качестве ГВС.
Зачастую эти системы устанавливаются в качестве вспомогательных для уменьшения затрат на отопление. Каждая из них требует детального просчета для выявления целесообразности приобретения и монтажа. Так, комплексная геотермальная установка для дома площадью 150 м² будет стоить около 700 тыс. рублей.
Котлы
Центральным узлом любой классической отопительной схемы является котел. От его функциональных возможностей во многом зависят параметры теплоснабжения. Так, современные электрокотлы для отопления дома могут занимать немного места и при этом вырабатывать оптимальное количество тепловой энергии.
К отопительному оборудованию этого вида предъявляются довольно жесткие требования. Оно должно быть максимально безопасно в эксплуатации, технические характеристики соответствовать существующим нормам, а управление иметь понятно-интуитивный интерфейс.
Электрические котлы отопления
Установка электрических нагревательных приборов актуальна в том случае, если площадь помещения относительно небольшая или нет подвода магистрального газа. На практике для организации современного электроотопления можно применять не только котлы классической конструкции с ТЭНом, но и новые модели, у которых другой принцип работы.
Принцип работы электродного котла заключается в создании движения электродов в паре катод-анод. Это приводит к нагреву воды и повышению давления. В результате возникает циркуляция теплоносителя. У современных котлов отопления электродного типа помимо зоны нагрева есть блоку управления, а также предусмотрена возможность подключения к программатору.
Для получения большего количества тепла можно установить индукционный котел. Он работает по принципу электромагнитной индукции, возникающей между сердечником и обмоткой. Для обеспечения безопасности катушка и сердечник полностью изолированы от контакта с водой.
Эти современные виды электрического отопления частного дома имеют несколько особенностей. Главным из них является низкая инерционность – нагрев воды происходит очень быстро. Однако помимо этого нужно учитывать следующие особенности эксплуатации:
- Текущие расходы на отопление. Нагрев теплоносителя с помощью электроприборов считается наиболее затратным;
- Приобретение и монтаж дополнительных элементов – расширительного бака, циркуляционного насоса, группы безопасности;
- У электродных котлов особые требования к теплоносителю. Он должен содержать относительно большое количество солей для поддержания реакции электролиза.
Но несмотря на эти факторы, электроотопление нашло широкое применение в зданиях с отсутствием газовых магистралей. Еще одним преимуществом является возможность организации отдельных контуров нагрева воздуха в каждом помещении.
Во время установки электрических котлов необходим монтаж УЗО. Также рекомендуется провести отдельную линию электропроводки.
Газовые конденсационные котлы отопления
Одним из современных способов отопления частного дома является установка газовых конденсационных котлов. Внешне они практически ничем не отличаются от традиционных. Разница состоит в дополнительном внутреннем теплообменнике.
Суть новаторского дополнения заключается в использовании тепловой энергии продуктов сгорания. Относительная сложная сеть внутреннего дымохода снижает температуру угарных газов до образования точки росы на дополнительном теплообменнике. Он соединен с обратной трубой отопления. В результате этого вода в нем нагревается из-за воздействия горячего конденсата.
По заверениям производителя у этого современного прибора отопления КПД может быть выше 100%. На практике он достигает 99%, что является рекордом для нагревательных котов. Но для правильного выбора определенной модели следует учитывать такие факторы:
- Полученный конденсат нельзя сливать в канализационную систему. Он должен храниться в герметичной емкости;
- Для каждой модели котла этого типа есть рекомендуемый температурный режим работы, при котором происходит формирование конденсата на поверхности вторичного теплообменника;
- Высокая стоимость оборудования.
Так как этот современный метод отопления частного дома предусматривает низкотемпературный режим работы – рекомендуется увеличить площади радиаторов и батарей. Это влечет дополнительные затраты на приобретение компонентов системы.
В низкотемпературных газовых котлах можно использовать пластиковые дымоходы, так как степень нагрева угарных газов будет невысокой – до +60°С.
Твердотопливные котлы длительного горения
Альтернативной современному печному отоплению частного дома являются котлы длительного горения. В отличие от традиционных моделей нагрев теплоносителя происходит не за счет сгорания топлива, а в результате воспламенения древесных или угольных газов.
Для этого ограничивают приток воздуха в камеру сгорания, что влечет за собой тление твердого топлива. Выделяемые газы по каналам поступают в зону дожига, где происходит нагнетание кислорода с помощью вентилятора или турбины. В результате газовая смесь воспламеняется, выделяя большое количество тепловой энергии.
Преимуществами этого современного способа обогрева частного дома являются:
- Экономичный расход топлива;
- Долгое время работы на одной загрузке дров или угля;
- Возможность регулировки степени нагрева теплоносителя с помощью интенсивности работы вентилятора.
Одним из недостатков этого современного отопления без электроэнергии является низкая температура угарных газов. Это приводит к образованию конденсата на дымоходной трубе. Поэтому все котлы длительного горения должны комплектоваться теплоизолированной дымоходной системой.
Стоимость всех вышерассмотренных котлов отопления отличается в зависимости от фирмы-производителя и удельной мощности.
Особенностью работы котлов длительного сгорания является большое количество сажи в камере сгорания и на теплообменнике. Поэтому их чистку нужно проводить чаще, чем у классических моделей.
Отопление дома без электричества
Но что делать, если установка современных электрокотлов для отопления дома нецелесообразна, а газовая магистраль в доме отсутствует? В качестве альтернативы можно улучшить систему печного или каминного отопления. Для этого необходимо установить систему воздушных каналов, соединенных с теплообменником печи.
Современное печное или каминное отопление частного дома с дополнительными воздушными каналами использует всю энергию от сгорания топлива. Для правильной организации необходимо продумать систему трубопроводов. Чаще всего они располагаются вверху, скрытые декоративным потолком. Для регулирования мощности притока горячего воздуха в каждом помещении должны быть установлены дефлекторы.
Кроме этого, следует знать особенности комплектации, свойственные только этому современному методу отопления загородного коттеджа:
- Для нормальной вентиляции следует установить канал забора воздуха с улицы. Во избежание попадания пыли в систему монтируют фильтры;
- Улучшить циркуляцию потоков можно с помощью вентиляторов или турбин. Они же являются частью современного электроотопления дома, если дополнительно установить электрические нагревательные элементы;
- Обязательная герметичность теплообменника. Ни в коем случае угарный газ не должен попасть в воздушные каналы.
Если же анализировать стоимость обустройства, то печное или каминное виды отопления частного дома будут на порядок дороже, чем традиционные способы нагрева воздуха. Однако самая простая схема может включать в себя только воздушные каналы без системы фильтрации и принудительной циркуляции горячих воздушных потоков.
Если в отопительной системе нет канала притока воздуха с улицы – следует обеспечить вентиляцию в доме. Она может быть принудительная или естественная.
Радиаторы и трубы отопления
Помимо современных отопительных котлов не менее важными компонентами являются трубы и радиаторы. Они необходимы для эффективной передачи тепловой энергии воздуху в помещении. Во время проектирования системы необходимо решить две задачи – уменьшить тепловые потери при транспортировке теплоносителя по трубам и улучшить теплоотдачу батарей.
Любые современные радиаторы отопления должны не только иметь хорошие показатели теплопередачи, но и удобную для ремонта и обслуживания конструкцию. Это же касается трубопроводов. Их монтаж не должен вызывать затруднений. В идеале установку может осуществить сам владелец дома без применения дорогого оборудования.
Современные радиаторы отопления
Для увеличения теплоотдачи в качестве основного материала изготовления батарей все чаще используют алюминий. Он имеет хорошие показатели теплопроводности, а для получения нужной формы можно применять технологию литья или сварки.
Но нужно учитывать, что алюминий очень чувствителен к воздействию воды. Современные чугунные радиаторы отопления лишены этого недостатка, хотя и обладают меньшей энергоемкостью. Для решения этой проблемы была разработана новая конструкция батарей, у которых водяные каналы изготавливаются из стальных или медных труб.
Эти современные трубы для отопления практически не подвергаются коррозии, имея минимальные размеры и толщину стенок. Последнее необходимо для эффективной тепловой передачи алюминию энергии от горячей воды. У современных радиаторов отопления есть несколько преимуществ, заключающихся в следующем:
- Долгий срок эксплуатации – до 40 лет. Однако он зависит от условий работы и своевременного выполнения прочистки системы;
- Возможность выбора способа подключения – верхнее, нижнее или боковое;
- В комплектацию может входить кран Маевского и терморегулятор.
В большинстве случаев модели современных чугунных радиаторов отопления делают дизайнерскими. Они имеют классические формы, некоторые из них изготавливаются в напольном варианте с элементами художественной ковки.
КПД радиатора отопления зависит от правильной установки и способа подключения. Это обязательно учитывается при монтаже системы.
Современные трубы отопления
Выбор современных труб отопления во многом зависит от материала их изготовления. В настоящее время чаще всего используют полимерные магистрали из полипропилена или сшитого полиэтилена. Они имеют дополнительный армирующий слой из алюминиевой фольги или стекловолокна.
Однако они имеют один существенный недостаток – относительно низкий порог температурного воздействия до +90°С. Это влечет большое температурное расширение и как следствие – повреждение трубопровода. Альтернативой полимерным трубам могут служить изделия из других материалов:
- Медные . С точки зрения функциональности медные трубопроводы соответствуют всем требованиям к отопительной системе. Они просты в монтаже, практически не изменяют форму даже при экстремально высоких температурах теплоносителя. Даже при замерзании воды стенки медных магистралей будут расширяться без повреждения. Недостаток – высокая стоимость;
- Нержавеющая сталь . Она не подвергается ржавлению, ее внутренняя поверхность имеет минимальный коэффициент шероховатости. К недостаткам можно отнести стоимость и трудоемкий монтаж.
Как правильно подобрать оптимальную комплектацию современного отопления? Для этого необходимо воспользоваться комплексным подходом – сделать правильный расчет системы и согласно полученным данным выбрать котел, трубы и радиаторы с соответствующими эксплуатационными характеристиками.
В видеоматериале показан пример современного отопления дома с помощью системы теплый пол:
Различают два вида теплоснабжения - централизованное и децентрализованное. При децентрализованном теплоснабжении источник и потребитель тепла находятся близко друг от друга. Тепловая сеть отсутствует. Децентрализованное теплоснабжение разделяют на местное (теплоснабжение от местной котельной) и индивидуальное (печное, теплоснабжение от котлов в квартирах).
В зависимости от степени централизации системы централизованного теплоснабжения (ЦТС) можно разделить на четыре группы:
1. групповое теплоснабжение (ТС) группы зданий;
2. районное - ТС городского района;
3. городское - ТС города;
4. межгородское - ТС нескольких городов.
Процесс ЦТС состоит из трех операций - подготовка теплоносителя (ТН), транспорт ТН и использование ТН.
Подготовка ТН осуществляется на теплоприготовительных установках ТЭЦ и котельных. Транспорт ТН осуществляется по тепловым сетям. Использование ТН осуществляется на теплоиспользующих установках потребителей.
Комплекс установок, предназначенных для подготовки, транспорта и использования теплоносителя называется системой централизованного теплоснабжения.
Различают две основные категории потребления тепла:
Для создания комфортных условий труда и быта (коммунально-бытовая нагрузка). Сюда относят потребление воды на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение (ГВС), кондиционирование;
Для выпуска продукции заданного качества (технологическая нагрузка).
По уровню температуры тепло подразделяется на :
Низкопотенциальное, с температурой до 150 0 С;
Среднепотенциальное, с температурой от 150 0 С до 400 0 С;
Высокопотенциальное, с температурой выше 400 0 С.
относится к низкопотенциальным процессам. Максимальная температура в тепловых сетях не превышает 150 0 С (в прямом трубопроводе), минимальная - 70 0 С (в обратном). Для покрытия технологической нагрузки как правило применяется водяной пар с давлением до 1,4 МПа.В качестве источников тепла применяются теплоподготовительные установки ТЭЦ и котельных. На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепла и электроэнергии на основе теплофикационного цикла. Раздельная выработка тепла и электроэнергии осуществляется в котельных и на конденсационных электростанциях. При комбинированной выработке суммарный расход топлива ниже, чем при раздельной.
Весь комплекс оборудования ис-точника теплоснабжения, тепловых сетей и абонентских установок на-зывается системой централи-зованного теплоснабже-ния.
Системы теплоснабжения клас-сифицируются по типу источника теплоты (или способу приготовле-ния теплоты), роду теплоносителя, способу подачи воды на горячее водоснабжение, числу трубопрово-дов тепловой сети, способу обеспе-чения потребителей, степени цент-рализации.
По типу источника теплоты раз-личают три вида теплоснабжения:
Централизованное теплоснабже-ние от ТЭЦ, называемое тепло-фикацией;
Централизованное теплоснабже-ние от районных или промышлен-ных котельных;
Децентрализованное теплоснаб-жение от местных котельных или индивидуальных отопительных аг-регатов.
По сравнению с централизован-ным теплоснабжением от котель-ных теплофикация имеет ряд пре-имуществ, которые выражаются в экономии топлива за счет комбини-рованной выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ; в возможности широкого использова-ния местного низкосортного топли-ва, сжигание которого в котельных затруднительно; в улучшении сани-тарных условий и чистоты воздуш-ного бассейна городов и промыш-ленных районов благодаря концент-рации сжигания топлива в неболь-шом количестве пунктов, размещен-ных, как правило, на значительном расстоянии от жилых кварталов, и более рациональному использова-нию современных методов очистки дымовых газов от вредных при-месей.
По роду теплоносителя системы теплоснабжения разделяются на водяные и паровые. Паровые системы распространены в основ-ном на промышленных предприя-тиях, а водяные системы применя-ются для теплоснабжения жилищ-но-коммунального хозяйства и не-которых производственных потреби-телей. Объясняется это рядом пре-имуществ воды как теплоносителя по сравнению с паром: возмож-ностью центрального качественного регулирования тепловой нагрузки, меньшими энергетическими потеря-ми при транспортировке и большей дальностью теплоснабжения, отсут-ствием потерь конденсата греюще-го пара, большей комбинированной выработкой энергии на ТЭЦ, повы-шенной аккумулирующей способ-ностью.
По способу подачи воды на го-рячее водоснабжение водяные си-стемы делятся на закрытые и открытые.
В закрытых системах се-тевая вода используется только как теплоноситель и из системы не отбирается. В местные установки горячего водоснабжения поступает вода из питьевого водопровода, на-гретая в специальных водоводяных подогревателях за счет теплоты се-тевой воды.
В открытых системах се-тевая вода непосредственно посту-пает в местные установки горя-чего водоснабжения. При этом не требуются дополнительные тепло-обменники, что значительно упро-щает и удешевляет устройство або-нентского ввода. Однако потери воды в открытой системе резко возрастают (от 0,5—1 % до 20— 40 % общего расхода воды в систе-ме) и состав воды, подаваемой по-требителям, ухудшается из-за при-сутствия в ней продуктов коррозии и отсутствия биологической обра-ботки.
Достоинства закрытых систем теплоснабжения заключаются в том, что их применение обеспечи-вает стабильное качество горячей воды, поступающей в установки го-рячего водоснабжения, одинаковое с качеством водопроводной воды; гидравлическую изолированность воды, поступающей в установки го-рячего водоснабжения, от воды, циркулирующей в тепловой сети; простоту контроля герметичности системы по величине подпитки.
Основными недостатками закры-тых систем являются усложнение и удорожание оборудования и экс-плуатации абонентских вводов из-за установки водо-водяных подо-гревателей и коррозии местных установок горячего водоснабжения вследствие использования недеаэрированной воды.
Основные достоинства открытых систем теплоснабжения заключают-ся в возможности максимального использования низкопотенциальных источников теплоты для подогрева большого количества подпиточной воды. Поскольку в закрытых систе-мах подпитка не превышает 1 % расхода сетевой воды, возможность утилизации теплоты сбросной и продувочной воды на ТЭЦ с закры-той системой значительно ниже, чем в открытых системах. Кроме того, в местные установки горячего водоснабжения в открытых систе-мах поступает деаэрированная во-да, поэтому они меньше подвер-жены коррозии и более долго-вечны.
Недостатками открытых систем являются : необходимость устройст-ва на ТЭЦ мощной водоподготовки для подпитки тепловой сети, что удорожает станционную водоподготовку, особенно при повышенной жесткости исходной сырой воды; усложнение и увеличение объема санитарного контроля за системой; усложнение контроля герметичности системы (поскольку величина под-питки не характеризует плотность системы); нестабильность гидравли-ческого режима сети.
По числу трубопроводов разли-чают одно-, двух- и многотрубные системы. Причем для открытой си-стемы минимальное число трубо-проводов — один, а для закры-той— два. Самой простой и перс-пективной для транспортировки теплоты на большие расстояния яв-ляется однотрубная открытая си-стема теплоснабжения. Однако об-ласть применения таких систем ог-раничена в связи с тем, что ее реа-лизация возможна лишь при усло-вии равенства расхода воды, необ-ходимого для удовлетворения отопительно-вентиляционной нагруз-ки, расходу веды для горячего водоснабжения потребителей дан-ного района. Для большинства районов нашей страны расход воды на горячее водоснабжение значи-тельно меньше (в 3—4 раза) рас-хода сетевой воды на отопление и вентиляцию, поэтому в теплоснаб-жении городов преимущественное распространение получили двух-трубные системы. В двухтрубной системе тепловая сеть состоит из двух линий: подающей и обратной.
По способу обеспечения
потре-бителей теплотой различают
одно-
ступенчатые и многоступенчатые системы теплоснабжения. В одно-
ступенчатых системах потребители теплоты присоединяются к тепловым сетям непосредственно. Узлы присоединения потребителей к сети
называются абонентскими вводами или местными теп-ловыми пунктами (МТП). На абонентском вводе каждого здания устанавливаются подогреватели горячего водоснабжения, элеваторы, насосы, контрольно-измерительные приборы и регулирующая армату-ра для изменения параметров теп-лоносителя в местных системах по-требителей.
В многоступенчатых системах между источником теплоты и по-требителями размещаются цент-ральные тепловые пункты или под-станции (ЦТП), в которых пара-метры теплоносителя изменяются в зависимости от расходования теп-лоты местными потребителями. На ЦТП размещаются центральная по-догревательная установка горячего водоснабжения, центральная смеси-тельная установка сетевой воды, подкачивающие насосы холодной водопроводной воды, авторегулирующие и контрольно-измеритель-ные приборы. Применение много-ступенчатых систем с ЦТП позво-ляет снизить начальные затраты на сооружение подогревательной ус-тановки горячего водоснабжения, насосных установок и авторегулирующйх устройств благодаря уве-личению их единичной мощности и сокращению числа элементов обо-рудования.
Оптимальная расчетная произ-водительность ЦТП зависит от планировки района, режима работы потребителей и определяется на ос-нове технико-экономических расче-тов.
По степени централизации теп-лоснабжение можно разделить на групповое — теплоснабжение группы зданий, районные - теплоснабжение нескольких групп зданий, городское - теплоснабжение нескольких районов, межгородское - теплоснабжение нескольких городов.
Устройство и конструкции тепловых сетей.
Основными элементами тепловых сетей являются трубопровод, состоящий из стальных труб, соединенных между собой с помощью сварки; изоляционная конструкция, воспринимающая вес трубопровода и усилия, возникающая при его эксплуатации.
Трубы являются ответственными элементами трубопроводов и должны отвечать следующим требованием:
Достаточная прочность и герметичность при максимальных значениях давления и температуры теплоносителя,
Низкий коэффициент температурных деформации,
Обеспечивающий небольшие термические напряжение при переменном тепловом режиме тепловой сети,
Малая шероховатость внутренней поверхности,
Антикорозинная стойкость,
Высокая термическая сопротивление стенок трубы,
Способствующее сохранению теплоты и температуры теплоносителя,
Неизменность свойств материала при длительном воздействий высоких температур и давлений, простота монтажа,
Надежность соединения труб и др.
Имеющейся стальные трубы не удовлетворяют в полной мере всем предъявлемым требованиям, однако их механические свойства, простота, надежность и герметичность соединений (сваркой) обеспечили им преимущественное применение в тепловых сетях.
Трубы для тепловых сетей изготавливаются в основном из сталей марок Ст2сп, Ст3сп, 10, 20, 10Г2С1, 15ГС, 16ГС.
В тепловых сетях применяются бесшовные горячекатаные и электросварные. Бесшовные горячекатаные трубы выпускаются с наружными диаметрами 32 - 426мм. Бесшовные горячекатаные электросварные трубы используется при всех способах прокладки сетей. Электросварные трубы используются при всех способах прокладки сетей. Электросварные со спиральным швом рекомендуются к использованию при канальных и надземных прокладках сетей.
Опоры . При сооружений тепловых сетей применяются опоры двух типов: свободные и неподвижные. Свободные опоры воспринимают вес теплопровода и обеспечивают его свободное перемещение при температурных деформациях. Неподвижные опоры предназначены для закрепления трубопровода в характерных точках сети и воспринимают усилия, возникающие в месте фиксации как в радиальном, так и в осевом направлениях под действием веса, температурных деформаций и внутреннего давления.
Компенсаторы . Компенсация температурных деформации в трубопроводах производится специальными устройствами, называемыми компенсаторами. По принципу действия они разделяются на две группы:
Компенсаторы радиальные или гибкие, воспринимающие удлинения теплопровода изгибом или кручением криволинейных участков труб или изгибом специальных эластичных вставок различной формы;
Компенсаторы осевые, в которых удлинение воспринимаются телескопическим перемещением труб или сжатием пружинных вставок.
Наиболее широкое применение в практике имеют гибкие компенсаторы различной конфигурации, выполненные из самого трубопровода (П - и -S-образные, лирообразные со складками и без них и т.д.). Простота устройства, надежность, отсутствия необходимости в обслуживании, разгруженность неподвижных опор - достоинство этих компенсаторов.
К недостаткам гибких компенсаторов относятся: повышенное гидравлическое сопротивление, увеличенный расход труб, поперечное перемещение деформируемых участках, требующее увеличение ширины непроходных каналов и затрудняющее применение засыпных изоляций, бесканальных трубопроводов, а так же большие габариты, затрудняющие их применение в городах при насыщенности трассы городскими подземными коммуникациями.
Осевые компенсаторы выполняются скользящего типа (сальниковые) и упругими (линзовые компенсаторы).
Сальниковый компенсатор изготавливается из стандартных труб и состоит из корпуса, стакана и уплотнение. При удлинений трубопровода стакан вдвигается в полость корпуса. Герметичность скользящего соединения корпуса и стакана создается сальниковой набивкой, которая выполняется из прографиченного асбестового шнура, пропитанного маслом. Со временем набивка истирается и теряет упругость, поэтому требуется периодическая подтяжка сальника и замена набивки. От этого недостатка свободны линзовые компенсаторы, изготавливаемые из листовой стали. Линзовые компенсаторы сварного типа находят основное применение на трубопроводах низкого давления (до 0,4-0,5 МПа).
Конструктивное выполнение элементов трубопровода зависит так же от способа его прокладки, который выбирается на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов.
СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
(, Хабаровский центр энергоресурсосбережения)
В Хабаровске и Хабаровском крае, как и во многих других регионах Росси, преимущественно используются «открытые» системы теплоснабжения .
Под «открытой» системой в термодинамике понимается система, обменивающаяся массой с окружающей средой, т. е. «неплотная» система.
В данной публикации под «открытой» системой понимается система теплоснабжения, в которой система горячего водоснабжения (ГВС) подключена по «открытой» системе, т. е. с непосредственным водоразбором из трубопроводов системы теплоснабжения, а система отопления и вентиляции подключены по зависимой схеме присоединения к тепловым сетям.
Открытые системы теплоснабжения имеют следующие недостатки:
1. Большие расходы подпиточной воды и, следовательно, большие затраты на водоподготовку. При данной схеме теплоноситель может использоваться как продуктивно (на нужды ГВС), так и непродуктивно: несанкционированные утечки.
К несанкционированным утечкам относятся:
Утечки через запорно-регулирующую арматуру;
Утечки при повреждении трубопроводов;
Утечки через стояки системы отопления (сбросы) при разрегулированных системах отопления и при недостаточных перепадах давления на элеваторных вводах;
Утечки (сбросы) при ремонтах системы отопления, когда приходится полностью сливать воду и затем снова наполнять систему, а если выходные задвижки «не держат», то приходится «обесточивать» целый квартал или врезку.
Пример – авария в ноябре 2001 г. в Хабаровске на микрорайоне Большая – Вяземская. Чтобы провести в одной из школ ремонт системы теплоснабжения, пришлось отключить целый квартал.
2. При открытой схеме ГВС потребитель получает воду непосредственно из тепловой сети. В этом случае горячая вода может иметь температуру 90оС и более и давление 6-8 кгс/см2, что приводит не только к перерасходу тепла, но и потенциально создает опасную ситуацию как для санитарного оборудования, так и для людей.
3. Неустойчивый гидравлический режим теплопотребления (один потребитель вместо другого).
4. Плохое качество теплоносителя, который содержит большое количество механических примесей, органических соединений и растворенных газов. Это приводит к уменьшению срока эксплуатации трубопроводов систем теплоснабжения из-за повышенной коррозии и к уменьшению их пропускной способности из-за «обрастания», что нарушает гидравлический режим.
5. Невозможность, в принципе, создания комфортных условий у потребителя при использовании элеваторных систем отопления.
Необходимо ответить, что практически все тепловые пункты абонентов г. Хабаровска оборудованы элеваторным тепловым вводом.
Главное достоинство элеватора – это то, что он не потребляет энергии на свой привод. Сложилось мнение, что элеватор имеет низкий КПД, и это было бы справедливо, если для его работы необходимо было бы расходовать энергию. На самом деле для работы смешения используется разность давлений в трубопроводах системы теплоснабжения. Если бы не элеватор, то пришлось бы дросселировать поток теплоносителя, а дросселирование – это потеря энергии. Поэтому применительно к тепловым вводам, элеватор – это не насос с низким КПД, а устройство для вторичного использования энергии, затраченной на привод циркуляционных насосов ТЭЦ. Также к достоинствам элеватора можно отнести то, что для его обслуживания не требуются высококвалифицированные специалисты, так как элеватор – это простое, надежное и непритязательное в эксплуатации устройство.
Основной недостаток элеватора – это невозможность пропорционального регулирования тепловой мощности, так как при не изменяющемся диаметре отверстия соплового аппарата он имеет постоянный коэффициент смешения, а процесс регулирования предполагает возможности изменения этой величины. По этой причине на Западе элеватор отвергнут как устройство для тепловых пунктов. Отметим, что данный недостаток можно ликвидировать, если использовать элеватор с регулируемым соплом.
Однако практика использования элеваторов с регулируемым соплом показала их низкую надежность при плохом качестве сетевой воды (наличие механических примесей). Кроме того, такие устройства имеют небольшой диапазон регулирования. Поэтому в г. Хабаровске эти устройства не нашли широкого применения.
Другой недостаток элеватора – это ненадежность его работы при малом располагаемом перепаде давления. Для устойчивой работы элеватора необходимо иметь перепад давления от 120 кПа и более. Однако до настоящего времени в г. Хабаровске проектируются элеваторные узлы при перепаде давления 30-50 кПа. При таком перепаде нормальная эксплуатация элеваторных узлов, в принципе, невозможна и поэтому очень часто потребители с такими узлами работают на «сброс», что приводит к сверхнормативным потерям сетевой воды.
Применение элеваторных узлов тормозит внедрение в системах теплоснабжения энергосберегающих мероприятий, таких как комплексное автоматическое регулирование параметров теплоносителя в здании и адекватную этим задачам конструкцию системы отопления, обеспечивающих точность и стабильность комфортных условий и экономичный расход тепла.
Комплексное автоматическое регулирование включает в себя следующие базовые принципы:
регулирование в индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) или автоматизированных узлах управления (АУУ), обеспечивающих в соответствии с отопительным графиком изменение температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления в зависимости от температуры наружного воздуха;
индивидуальное автоматическое регулирование на каждом отопительном приборе при помощи термостата, обеспечивающего поддержание заданной температуры в помещении.
Все вышеизложенное привело к тому, что, начиная с 2000 г., в г. Хабаровске начался масштабный переход от «открытых» зависимых систем теплоснабжения к «закрытым» независимым системам с автоматизированными тепловыми пунктами.
Реконструкция системы теплоснабжения с применением энергосберегающих мероприятий и переходом от «открытых» зависимых систем к «закрытым» независимым системам позволит:
Повысить комфортность и надежность обеспечения теплом за счет поддержания необходимой температуры в помещениях вне зависимости от погодных условий и параметров теплоносителя;
Повысит гидравлическую устойчивость системы теплоснабжения: гидравлический режим магистральных тепловых сетей нормализуется вследствие того, что автоматика не допускает сверхнормативного превышения потребления тепла;
Получить экономию тепла в размере 10-15% за счет регулирования температуры теплоносителя в соответствии с температурой наружного воздуха и ночного снижения температуры в отапливаемых зданиях до 30% в переходный период отопительного сезона;
Увеличить срок эксплуатации трубопроводов системы отопления здания в 4-5 раз, вследствие того, что при независимой схеме теплоснабжения во внутреннем контуре системы отопления циркулирует чистый теплоноситель, не содержащий растворенного кислорода и поэтому отопительные приборы и подводящие трубопроводы не забиваются грязью и продуктами коррозии;
Резко уменьшить подпитку тепловых сетей и, следовательно, затраты на водоподготовку, а также повысить качество горячей воды.
Применение независимых систем теплоснабжения открывает новые перспективы в развитии внутриквартальных сетей и внутренних систем отопления: использование гибких предизолированных пластиковых распределительных трубопроводов, имеющих срок службы около 50 лет, полипропиленовых труб для внутренних систем, штампованных панельных и алюминиевых радиаторов и т. п.
Однако переход в Хабаровске к современным системам теплоснабжения с автоматизированными тепловыми пунктами поставил перед проектными и монтажными организациями, энергоснабжающей организацией, потребителями тепла ряд проблем таких как:
Отсутствие круглогодичной циркуляции теплоносителя в магистральных тепловых сетях.
Устаревший подход к проектированию и монтажу внутренних систем теплоснабжения.
Необходимость в техническом обслуживании современных систем теплоснабжения.
Рассмотрим эти проблемы более подробно.
Проблема №1 Отсутствие круглогодичной циркуляции в магистральных трубопроводах тепловых сетей.
В Хабаровске магистральные трубопроводы системы теплоснабжения находятся под циркуляцией только в течение отопительного сезона: примерно с середины сентября до середины мая. В остальное время теплоноситель поступает по одному из трубопроводов: подающему или обратному, причем часть времени он подается по одному, а часть по другому трубопроводу.
Это приводит к большим неудобствам и дополнительным затратам при внедрении энергосберегающих технологий в системах теплоснабжения, в частности, в системах горячего водоснабжения (ГВС). Из-за отсутствия циркуляции в межотопительном сезоне приходится использовать смешанную «открыто-закрытую» систему ГВС: «закрытую» в отопительном сезоне и «открытую» в межотопительном сезоне, что увеличивает капитальные затраты на монтаж и оборудование теплового пункта на 0,5-3%.
Проблема №2. Устаревший подход к проектированию и монтажу внутренних систем теплоснабжения зданий.
В доперестроечный период развития нашего государства правительством была поставлена задача по экономии металла. В связи с этим началось массовое внедрение однотрубных нерегулируемых систем отопления, что было обусловлено более низкими (по сравнению с двухтрубными) металлозатратами, затратами на монтаж и более высокой теплогидравлической устойчивостью в многоэтажных зданиях.
В настоящее время при вводе новых объектов в городах России, таких как Москва и Санкт-Петербург, а также на Украине в целях энергосбережения обязательно применение терморегуляторов перед нагревательными приборами, что фактически, за незначительным исключением, предопределяет проектирование двухтрубных систем отопления.
Поэтому широкое распространение однотрубных систем при оснащении каждого отопительного прибора термостатом потеряло смысл. В регулируемых системах отопления при установке термостата перед нагревательным прибором двухтрубная система отопления оказывается высокоэффективной и обладающей повышенной гидравлической устойчивостью. При этом расхождения по металлозатратам по сравнению с однотрубными находятся в пределах ±10%.
Следует также отметить, что за рубежом однотрубные системы отопления практически не применяются
Схемы двухтрубных систем могут быть различными, однако наиболее целесообразно применять независимую схему, так как при применении терморегуляторов (термостатов) зависимая схема ненадежна в эксплуатации из-за низкого качества теплоносителя. При незначительных отверстиях в термостатах, измеряемых миллиметрами, они быстро выходят из строя.
В предлагается применять однотрубные системы отопления с терморегуляторами только для зданий не более 3-4 этажей. Там же отмечается нецелесообразность применения в системах отопления с терморегуляторами чугунных нагревательных приборов, так как в процессе эксплуатации из них вымываются формовочная земля, песок, окалина, которые забивают отверстия терморегуляторов.
Применение независимых схем теплоснабжения открывает новые перспективы: использование полимерных или металлополимерных трубопроводов для внутренних систем, современных нагревательных приборов (алюминиевые и стальные нагревательные приборы со встроенными терморегуляторами).
Следует отметить, что двухтрубная система отопления, в отличие от однотрубной, требует обязательной наладки с использованием специального оборудования и высококвалифицированных специалистов.
Необходимо отметить, что даже при проектировании и монтаже автоматизированных тепловых пунктов с погодным регулированием в г. Хабаровске до настоящего времени проектируются и внедряются только однотрубные системы отопления без терморегуляторов перед отопительными приборами. Причем эти системы гидравлически разбалансированы, а иногда настолько (например, детский дом по ул. Ленина), что для того, чтобы поддерживать нормальную температуру в здании, концевые стояки работают «на сброс» и это при независимой схеме отопления!
Хочется верить, что недооценка важности балансировки гидравлики систем отопления связана просто с отсутствием необходимых знаний и опыта.
Если Хабаровским проектировщикам и монтажным организациям задать вопрос: «Нужно ли проводить балансировку колес автомобиля?», то последует очевидный ответ: «Несомненно!» Но почему же тогда балансировка системы отопления, вентиляции и ГВС не считается необходимым делом. Ведь неправильные расходы теплоносителя приводят к неправильным температурам воздуха в помещении, плохой работе автоматики, шумам быстрому выходу из строя насосов, неэкономичной работе всей системы.
Проектировщики полагают, что достаточно провести гидравлический расчет с подбором труб и при необходимости шайб, и проблема будет решена. Но это не так. Во-первых, расчет имеет приближенный характер, а, во-вторых, при монтаже возникает масса дополнительных неконтролируемых факторов (чаще всего монтажники просто не устанавливают дроссельные шайбы).
Существует мнение , что гидравлику систем отопления можно увязать с помощью расчета настроек термостатических клапанов. Это тоже неверно. Например, если по каким-либо причинам через стояк не проходит достаточное количество теплоносителя, то термостатические клапаны будут просто открыты, а температура воздуха в помещении при этом будет низкой. С другой стороны, при перерасходе теплоносителя может возникнуть ситуация, когда открыты форточки и термостатические клапаны. Все вышесказанное абсолютно не умаляет необходимости и важности установки перед отопительными приборами термостатических клапанов, а лишь подчеркивает, что для их хорошей работы необходима балансировка системы.
Под балансировкой системы понимается наладка гидравлики, чтобы каждый элемент системы: радиатор, калорифер, ветвь, плечо, стояк, магистраль – имели проектные расходы. При этом определение и выставление настроек термостатических клапанов является частью процесса наладки.
Как было указано выше, в г. Хабаровске проектируются и монтируются только гидравлически разбалансированные однотрубные системы отопления без термостатов.
Покажем на примерах новых, вводимых в эксплуатацию объектах к чему это приводит.
Пример 1. Детский дом №1 по ул. Ленина.
Введен в эксплуатацию в конце 2001г. Система ГВС закрытая, а система отопления однотрубная, без термостатов, подключенная по независимой схеме. Проектировал – Хабаровскгражданпроект, монтаж системы отопления и ГВС – Хабаровское монтажное управление №1. Проектирование и монтаж теплового пункта – специалисты ХЦЭС. Тепловой пункт находится на техническом обслуживании в ХЦЭС.
После запуска системы теплоснабжения выявились следующие недостатки:
Система отопления не сбалансирована. В одних помещениях наблюдался перегрев: 25-27оС, а в других недогрев: 12-14оС. Это связано с несколькими причинами:
для балансировки системы отопления проектировщики предусмотрели шайбы, а монтажники их не врезали, мотивируя это тем, что «все равно они засорятся через 2-3 недели»;
отдельные отопительные приборы выполнены без замыкающих участков, их поверхность завышена, что приводит к перегреву отдельных помещений.
Кроме того, для того чтобы обеспечить циркуляцию и нормальную температуру, в недогретых помещениях, концевые стояки работали на «сброс», что приводило к утечкам воды 20-30 т в сутки и это при независимой схеме!!!
Система приточной вентиляции не работает, а это недопустимо, так как в здании установлены термостатические окна с низкой воздухопроницаемостью.
По просьбе Заказчика специалисты ХЦЭС установили на стояках балансировочную арматуру и провели балансировку системы отопления. В результате этого температура в помещениях выровнялась и составила 20-22оС, подпитка системы сократилась до нуля, а экономия тепловой энергии составила около 30%. Наладка системы вентиляции не проводилась.
Пример 2. Институт повышения квалификации врачей.
Введен в эксплуатацию в октябре 2002 . Система ГВС закрытая, система отопления однотрубная без термостатов подключена по независимой схеме.
После запуска системы отопления были выявлены следующие недостатки: система отопления не сбалансирована, арматура для регулировки системы отсутствует (проектом даже не предусмотрены дроссельные шайбы). Температура воздуха в помещениях изменяется от 18 до 25оС, причем для того, чтобы довести температуру в угловых помещениях до 18оС пришлось увеличить расход тепла в 3 раза по сравнению с требуемым. То есть если теплопотребление здания уменьшить в три раза, то в большинстве помещений будет температура 18-20оС, но при этом в угловых помещениях температура не превысит 12оС.
Эти примеры распространяются на все вновь введенные здания с независимыми схемами отопления в г. Хабаровске: цирк и гостиница цирка (в гостинице открыты форточки (перетоп), а в закулисной части холодно (недотоп), жилые дома по ул. Фабричной, ул. Дзержинского, терапевтический корпус Железнодорожной больницы и т. д.
С проблемой №2 тесно сплетается проблема №3.
Проблема №3. Необходимость в техническом обслуживании современных систем теплоснабжения.
Как показывает наш трехлетний опыт, современные системы теплоснабжения зданий, выполненные с использованием энергосберегающих технологий, в процессе эксплуатации нуждаются в постоянном уходе. Для этого необходимо привлекать высококвалифицированных, специально обученных специалистов, используя специальные технологии и инструменты.
Покажем это на примерах автоматизированных тепловых пунктов внедренных в г. Хабаровске.
Пример 1. Тепловые пункты, не обслуживаемые специализированными организациями.
В 1998 г. в г. Хабаровске было введено в эксплуатацию здание Хакобанка по улице Ленинградской г. Хабаровска. Система теплоснабжения здания была спроектирована и смонтирована специалистами из Финляндии. Оборудование использовано также финское. Система отопления выполнена по независимой двухтрубной схеме с термостатами, снабжена балансировочной арматурой. Система ГВС закрытая. Обслуживалась система специалистами банка. В первые три года эксплуатации во всех помещениях поддерживалась комфортная температура. Через 3 года пошли жалобы от жильцов отдельных квартир на то, что в квартире «холодно». Жильцы обратились в ХЦЭС с просьбой обследовать систему и помочь наладить «комфортный» режим.
Обследование ХЦЭС показало: система автоматического регулирования не работает (вышел из строя погодный регулятор ECL), теплообменные поверхности теплообменника системы отопления засорились, что привело к уменьшению его теплопроизводительности примерно на 30% и разбалансировке системы отопления.
Аналогичная картина наблюдалась на жилом доме по ул. Дзержинского 4, где современная система теплоснабжения обслуживалась силами жильцов.
Пример 2. Тепловые пункты, обслуживаемые специализированными организациями.
На сегодняшний день на обслуживании в Хабаровском центре энергоресурсосбережения находится около 60 автоматизированных тепловых пунктов. Как показал наш опыт эксплуатации, в процессе обслуживания таких узлов возникают следующие проблемы:
очистка фильтров, установленных перед теплообменниками ГВС и отопления и перед циркуляционными насосами;
контроль за работой насосов и теплообменного оборудования;
контроль за работой автоматики и регулирования.
Качество теплоносителя и, даже холодной воды, в г. Хабаровске очень низкое и поэтому постоянно возникает проблема очистки фильтров, которые установлены в первичном контуре теплообменников ГВС и отопления, перед циркуляционными насосами во вторичном контуре теплообменников. Например, при запуске в эксплуатацию в отопительном сезоне 2002/03г. блока жилых домов по переулку Фабричному, в каждом из которых был смонтирован ИТП, фильтр установленный в первичном контуре теплообменника отопления пришлось промывать 1-2 раза в день в течение первых 10-ти дней после запуска и затем, в последующие две недели, не менее одного раза в 2-3 дня. На здании цирка и гостиницы цирка в отопительном сезоне 2001/02г. пришлось промывать фильтр холодной воды 1-2 раза в неделю.
Казалось бы, что очистка фильтра, установленного в первичном контуре, это рутинная операция, которую может выполнить неквалифицированный специалист. Однако, для очистки (проливки) фильтра необходимо на какое-то время остановить всю систему теплоснабжения, отключить холодную воду, отключить циркуляционный насос в системе ГВС и затем все это снова запустить. Также при отключении системы теплоснабжения для очистки фильтров желательно отключить, а потом перезапустить систему автоматики, чтобы при запуске системы теплоснабжения не возникало гидроударов. При этом если при отключении первичного контура системы ГВС не отключить вторичный контур по холодной воде, то из-за температурных расширений в теплообменнике ГВС может появиться «течь».
Вторая проблема, которая возникает в процессе эксплуатации автоматизированных тепловых пунктов – это проблема контроля за работой оборудования: насосов, теплообменников, приборов учета и регулирования.
Например, часто перед запуском после межотопительного периода циркуляционные насосы находятся в «сухом» состоянии, т. е. не заполнены сетевой водой, и их сальниковые уплотнения засыхают, а иногда даже прикипают к валу насоса. Поэтому перед запуском, чтобы избежать протечек сетевой воды через сальниковые уплотнения, необходимо насос несколько раз плавно прокрутить вручную.
Также в процессе эксплуатации необходимо периодически следить за работой регулирующих клапанов, чтобы они не работали постоянно в режиме «закрыто» или «открыто», регуляторов давления, перепада давления и т. д., кроме того необходимо следить за изменением гидравлического сопротивления и теплопередающей поверхности теплообменников.
Контролировать изменения гидравлического сопротивления и площади теплопередающей поверхности теплообменников можно регистрируя или периодически измеряя температуру теплоносителя в первичном и во вторичном контуре теплообменника и перепад давлений и расход теплоносителя в этих контурах.
Например, в отопительном сезоне 2001/02г. в гостинице цирка через месяц после начала эксплуатации резко упала температура горячей воды. Исследования показали, что в начале эксплуатации расход теплоносителя в первичном контуре системы ГВС составлял составлял 2-3 т/час, а через месяц после начала эксплуатации он составлял не более 1 т/час. Это произошло из-за того что первичный контур теплообменника ГВС оказался забит продуктами сварки (окалиной), что привело к увеличению гидравлического сопротивления и уменьшению площади теплопередающей поверхности. После того, как теплообменник был разобран и промыт, температура горячей воды достигла нормы.
Как показал опыт обслуживания современных систем теплоснабжения с автоматизированными тепловыми пунктами, в процессе их эксплуатации необходимо осуществлять постоянный контроль и вносить коррективы в работу систем автоматики и регулирования. В Хабаровске в последние 3-5 лет температурный график 130/70 не соблюдается: даже при температуре ниже минус 30оС температура теплоносителя на входе у абонентов не превышает 105оС. Поэтому специалисты ХЦЭС, обслуживающие автоматизированные тепловые пункты, на основе статистических наблюдений за режимом теплопотребления объектов перед началом отопительного сезона для каждого объекта вносят в контроллер свой температурный график, который затем корректируют в течение отопительного сезона.
Проблема обслуживания автоматизированных тепловых пунктов тесно связана с отсутствием достаточного количества высококвалифицированных специалистов, которых целенаправленно не готовят в пределах Дальневосточного региона. В Хабаровском центре энергоресурсосбережения обслуживанием автоматизированных тепловых узлов занимаются специалисты – выпускники кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция» Хабаровского государственного технического университета, прошедшие обучение на фирмах-изготовителях оборудования (Данфос, Альфа-Лаваль и т. д.).
Отметим, что ХЦЭС является региональным сервисным центром фирм-поставщиков оборудования для автоматизированных тепловых пунктов, таких как: Данфос (Дания) – поставщик контроллеров, термодатчиков, регулирующих клапанов и т. д.; Вило (Германия) - поставщик циркуляционных насосов и насосовой автоматики; Альфа-Лаваль (Швеция-Россия) – поставщик теплообменного оборудования; ТБН «Энергосервис» (Москва) – поставщик теплосчетчиков и пр.
В соответствии с соглашением о сервисном партнерстве, заключенном между ХЦЭС и фирмой Альфа-Лаваль, ХЦЭС проводит работы по обслуживанию теплообменного оборудования фирмы Альфа-Лаваль, используя для этого персонал, прошедший обучение в сервисном центре Альфа-Лаваль, и используя для этих целей только разрешенные к эксплуатации Альфа-Лаваль оригинальные запасные части и материалы.
В свою очередь Альфа-Лаваль поставило ХЦЭС оборудование, инструмент, расходные материалы и запасные части, необходимые для обслуживания пластинчатых теплообменников компании Альфа-Лаваль, провело обучение специалистов ХЦЭС в своем сервисном центре.
Это позволяет ХЦЭС осуществлять разборную и безразборную промывку теплообменников непосредственно у потребителей в г. Хабаровске.
Поэтому все вопросы, связанные с эксплуатацией и ремонтом оборудования автоматизированных тепловых пунктов, решаются на месте - в г. Хабаровске.
Отметим также, что в отличие от других фирм, занимающихся внедрением автоматизированных тепловых пунктов, ХЦЭС устанавливает более дорогое, но более надежное и более качественное оборудование (например, разборные, а не паянные теплообменники, насосы с сухим, а не мокрым ротором). Это гарантирует надежную работу оборудования в течение 8-10 лет.
Использование же дешевого, но менее качественного оборудования не гарантирует бесперебойную работу автоматизированных тепловых пунктов. Как показывает наш опыт, а также опыт других фирм , это оборудование выходит из строя, как правило, через 2-3 года и потребитель начинает ощущать тепловой дискомфорт (см., например, пример 1 из проблемы № 3).
Тепловые испытания теплообменников, проведенные в г. Санкт-Петербурге , показали:
Снижение тепловой эффективности теплообменного аппарата составляет после первого года 5%, после второго – 15%, после третьего более 25 %, после четвертого – 35 %, а после пятого – 40-45%;
Снижение теплопроизводительности аппарата и коэффициента теплопередачи связано с загрязнением поверхности теплообмена как со стороны первичного контура, так и со стороны вторичного контура; эти загрязнения проявляются в виде отложений, причем со стороны первичного контура отложения имеют коричневый цвет, а со стороны вторичного – черный;
Коричневый цвет отложений определяется в основном окислами железа, которые образуются в сетевой воде из-за коррозии внутренней поверхности трубопроводов теплотрасс; данные загрязнения со стороны первичного контура легко удаляются с помощью мягкой тряпки под струей теплой воды;
Черный цвет отложений вторичного контура определяется, в основном, органическими соединениями, которые в большом количестве находятся в воде вторичного контура, которая циркулирует по замкнутому контуру системы отопления здания и не подвергается никакой очистке; удалить отложения со стороны вторичного контура тем же способом, что и с первичного не удается, так как они являются не рыхлыми, а плотными; для очистки теплообменных пластин со стороны вторичного контура приходилось пластины замачивать в керосине на 15-20 мин., а затем они протирались со значительными усилиями влажными тряпками, смоченными в керосине;
Вследствие того, что биологические отложения, образующиеся на пластинах со стороны вторичного контура, имеют очень сильное сцепление (адгезию) с поверхностью металла, безразборная химическая промывка вторичного контура не дает удовлетворительных результатов .
Дешевое оборудование, как правило, используют те внедренческие фирмы, которые не занимаются сервисным обслуживанием внедренного ими оборудования, так как для этого требуется иметь соответствующее оборудование и материалы, а также квалифицированный персонал, т. е. вкладывать значительные средства в развитие своей производственной базы.
Поэтому потребитель находится перед выбором:
Затратить минимум капвложений и внедрить дешевое оборудование (мокророторные насосы, паяные теплообменники и т. д.), которое через 2-3 года в значительной мере утратит свои свойства или придет в полную негодность; при этом эксплуатационные затраты на ремонт и поддержание оборудования после 2-3 лет резко возрастут и могут быть того же порядка, что и первоначальные вложения;
Затратить максимум капвложений, внедрить надежное дорогостоящее оборудование (разборные теплообменники проверенных фирм, например. Альфа-Лаваль, сухороторные насосы с частотным приводом, надежную автоматику и т. д.) и за счет этого значительно снизить свои эксплуатационные расходы.
Выбор остается за потребителем, но не надо забывать, что «скупой платит дважды».
Резюмируя вышеизложенное можно сделать следующие выводы:
1. В Хабаровске в последние 2-3 года начался процесс перехода с устаревших «открытых» систем к современным «закрытым» системам теплоснабжения с внедрением энергосберегающих технологий. Однако чтобы ускорить этот процесс и сделать его необратимым, необходимо:
1.1. Переломить психологию Заказчиков, проектировщиков, монтажников и эксплуатационников, которая заключается в следующем: проще и дешевле внедрять устаревшие традиционные схемы теплоснабжения с однотрубными системами отопления и элеваторными узлами, которые не нуждаются в обслуживании и регулировке, чем создавать себе дополнительную боль и финансовые затруднения, переходя к современным системам теплоснабжения с системами автоматики и регулирования. То есть построить объект с минимумом капитальных затрат, затем передать его, например, муниципалитету, который должен будет выискивать средства на эксплуатацию этого объекта. В результате крайним снова окажется потребитель (гражданин), который будет потреблять «ржавую» воду из системы теплоснабжения, мерзнуть зимой от недотопа и страдать от жары в переходный период (октябрь, апрель) при перетопе, осуществляя форточное регулирование, что приводит к простудным заболеваниям из-за сквозняков.
1.2. Создать специализированные организации, которые бы занимались всей цепочкой: от проектирования и монтажа до пусконаладки и обслуживания современных систем теплоснабжения. Для этой цели необходимо проводить целенаправленную работу по подготовке специалистов в области энергосбережения.
2. При проектировании этих систем необходимо тесно увязывать между собой все элементы систем теплоснабжения: отопление, вентиляцию и ГВС, учитывая не только требования СНиПов и СП, но и рассматривая их под углом с точки зрения эксплуатационников.
3. В отличие от устаревших, традиционных систем, современные системы нуждаются в обслуживании, которое могут осуществлять только специализированные организации, имеющие специальное оборудование и высококвалифицированных специалистов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. О практике применения двухтрубных систем отопления// Инженерные системы. АВОК. Северо-Запад, №3, 2002г.
2. Лебедев гидравлики систем ОВК// АВОК, №5, 2002г.
3. Иванов эксплуатации пластинчатых подогревателей в условиях г. Санкт-Петербурга// Новости теплоснабжения, №5, 2003г.
