Источники теплоты автономных систем теплоснабжения

П. А. Хаванов, доктор техн. наук, профессор кафедры теплотехники и котельных установок Московского государственного строительного университета (МГСУ), ведущий специалист компании «СЕЛЕКТ-Е»

 

Активное развитие систем децентрализованного теплоснабжения является следствием значительных объемов нового коттеджного строительства в пригородных и сельских зонах застройки, а также реализации масштабных объемов жилищного строительства и реконструкции старой застройки городов. Расширению сферы применения децентрализованного теплоснабжения содействует рост количества нетиповых объектов, возводимых как в коттеджной, так и в городской застройке, где часто встают проблемы получения лимитов на отпуск тепловой энергии, возникающие из-за нехватки имеющихся мощностей централизованных источников и тепловых сетей.

Устойчивая тенденция роста числа крышных, встроенных, пристраиваемых и отдельно стоящих автономных котельных, обеспечивающих теплоснабжение отдельных зданий (реже группы зданий), тепловой мощностью от 30 кВт до 3,5 МВт, подтверждается на протяжении двух последних лет и может оцениваться для различных регионов значением 20–80% от тепловых мощностей, вводимых в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Современная система децентрализованного теплоснабжения представляет сложный комплекс функционально взаимосвязанного оборудования, включающего автономную теплогенерирующую установку и инженерные системы здания (горячее водоснабжение, системы отопления различного назначения и вентиляции). Требования, предъявляемые потребителями теплоты современного здания к параметрам и характеристикам теплоносителя, условиям контроля и управления режимами отпуска теплоты, продолжительности функционирования, ставят целый комплекс теплотехнических задач перед теплогенерирующей установкой, существенно усложняя ее структуру.

Технические решения тепловых схем автономных источников должны учитывать особенности исходных условий: по виду используемого топлива; типу теплогенератора; качеству исходной воды; условиям потребления горячей воды; по конструктивному исполнению систем отопления (центральные, напольные, включая подогрев воды в бассейнах); по режимам работы систем вентиляции и др. Эти технические решения требуют тщательного обоснования выбора теплогидравлической схемы, анализа условий работы, обеспечения надежности функционирования и защиты оборудования от нерасчетных режимов эксплуатации.

Выпущенный Госстроем России Свод правил по проектированию СП 41-104-2000 «Проектирование автономных источников теплоснабжения» в силу объективных факторов охватывает только основные требования к конструктивным решениям и не может содержать исчерпывающего объема рекомендаций для проектирования (в частности, р. 5 «Котлы и вспомогательное оборудование котельных», р. 6 «Водоподготовка и водно-химический режим»).

Целью публикации является дополнение рекомендаций нормативных документов [1–5] детальным рассмотрением перечисленных выше факторов в конкретных технических решениях принципиальных тепловых схем автономных источников теплоснабжения с использованием примеров расчета и комментариев, предоставляющих разработчикам схем теплоснабжения (или их узлов) информацию для обоснования проектных решений.

I. Системы горячего водоснабжения от автономных теплогенераторов

Автономные системы горячего водоснабжения в жилищно-коммунальном секторе имеют длительную историю развития как в малоэтажной застройке, так и в многоэтажных зданиях. Первыми теплогенераторами были водогрейные колонки. Однако уже в самом начале их использования они имели различную конструкцию в зависимости от вида используемого топлива (дровяные и газовые). Газовые водогрейные колонки – термоблоки – как элемент единой системы теплоснабжения (при централизованном отоплении) в настоящее время широко используются в газифицированных районах городской застройки. Развитие социальной сферы расширяет область применения и увеличивает мощность автономных источников в системах горячего водоснабжения объектов питания, гостиниц, спортивных сооружений, предприятий автосервиса и др.

Разделение автономной системы теплоснабжения на две функциональные структуры – систему горячего водоснабжения и систему отопления зданий – может быть рациональным только при использовании в качестве энергоносителя газообразного (природный и сжиженный газ) или жидкого топлива (в данном обзоре не рассматривается электроэнергия), которые позволяют полностью автоматизировать работу теплогенераторов, что при использовании твердого топлива в автономных теплогенераторах представляется весьма дорогостоящим и проблематичным в комплексе технически наиболее сложных и трудоемких процессов топливоподачи и золоудаления с учетом необходимости обслуживания нескольких очагов горения.

Существенное влияние на технические решения и режимы работы автономной системы горячего водоснабжения оказывает тип теплогенераторов, которые можно классифицировать как проточные и емкостные.

I.1. Проточные теплогенераторы

Основной особенностью проточных автономных теплогенераторов является форсированный гидравлический режим водяного контура с движением теплоносителя со скоростью более 1,5 м/с. Такие гидравлические режимы работы теплогенератора реализуются за счет существенного уменьшения (по сравнению с емкостными теплогенераторами) объема теплоносителя в нем до 0,025–0,035 дм³ на 1 кВт теплопроизводительности. Малые объемы теплоносителя улучшают динамические характеристики теплогенератора, обеспечивая период релаксации по тепловому возмущению 0,5–2 с/°C, и позволяют создать компактные высокоэффективные теплообменники теплогенераторов при использовании со стороны продуктов сгорания развитых поверхностей нагрева с высоким ребром и большой степенью оребрения. В большинстве конструкций проточных теплогенераторов для теплообменников используется медь или нержавеющая сталь.

Проточные теплогенераторы имеют сравнительно высокое гидравлическое сопротивление, однако, их важным эксплуатационным качеством является устойчивость к отложению накипи в поверхностях нагрева, что объясняется явлением «смывания» отложений солей жесткости при значительной скорости потока (для меди – уже при скорости потока от 1 м/с, а при скорости 5 м/с – полное исключение отложений).

В технических решениях схемы гидравлической обвязки проточного теплогенератора важно обеспечить защиту теплообменника от низких температур теплоносителя на входе и, как следствие, возникновение внутренних механических напряжений в элементах конструкции теплообменника, а также защитить горелочное устройство от попадания в него образующегося в этом случае конденсата, что наиболее характерно для систем горячего водоснабжения при подаче в холодный период года воды с температурой 5°C. Для исключения таких режимов работы необходимо обеспечить температуру поступающей в теплогенератор воды не ниже 40°C за счет рециркуляции горячей воды (схемы I.1.1б; I.1.4), соответствующей обвязки трубопроводами баков-накопителей (схемы I.1.2; I.1.3) или подбора поверхности теплообменников (схемы I.1.4; I.1.5; I.1.6).

Простейшая схема горячего водоснабжения от проточного водонагревателя (схема I.1.1а), тупиковая без циркуляционной линии, используется в малопротяженных квартирных системах, оснащенных теплогенераторами мощностью до 30 кВт, в которых для предварительного подогрева воды перед основным оребренным теплообменником и для защиты атмосферной горелки от конденсата достаточно часто используется экранирование топочной камеры листовой медью с внешним змеевиком большого шага из медной трубы.

В ряде случаев решающим фактором при выборе схемы горячего водоснабжения является возможность регулирования мощности горелочного устройства, а следовательно, и теплогенератора. При позиционном регулировании мощности проточного теплогенератора (Q/Q_н=0–1 или Q/Q_н=0–0,5–1) использование схемы горячего водоснабжения без накопительной емкости (схемы I.1.1; I.1.4) требует установки оборудования, подбираемого по максимальному «пиковому» теплопотреблению в системе, что в совокупности приводит к существенным колебаниям температуры подаваемой воды. Поэтому при использовании теплогенераторов с позиционным регулированием мощности следует отдавать предпочтение схемам I.1.2; I.1.3; I.1.5; I.1.6 с аккумуляцией горячей воды, для которых номинальная мощность теплогенератора подбирается с учетом емкости бака-накопителя (емкостного водонагревателя) по величине среднечасовой за сутки нагрузки горячего водоснабжения.

Использование проточных теплогенераторов, оснащенных модулируемыми горелочными устройствами с хорошей глубиной регулирования (Q/Q_н=0,2–1,0) в схемах I.1.1 и I.1.4, обеспечивает стабильные технические и эксплуатационные показатели работы системы горячего водоснабжения без применения накопительных емкостей.

Необходимо отметить, что недопустимо применение в системе горячего водоснабжения оцинкованных стальных труб с теплогенераторами, оснащенными медными теплообменниками.

Качество и долговечность работы проточных теплогенераторов в системе горячего водоснабжения во многом определяются техническим обоснованием решения по надежному обеспечению гидравлического режима и защите теплогенератора.

I.2. Емкостные теплогенераторы

Особенности работы проточных теплогенераторов должны учитываться и при использовании емкостных теплогенераторов (схемы I.2.1; I.2.2) в тех случаях, когда объем воды в емкостном теплогенераторе менее 5 дм³ на 1 кВт мощности.

Для емкостных теплогенераторов систем горячего водоснабжения (схемы I.2.1; I.2.2) и для вторичных контуров схем с независимым подключением проточных теплогенераторов (схемы I.1.4; I.1.5; I.1.6) необходимо учитывать ряд важных моментов:

- предусматривать защиту оборудования от отложений накипи умягчением воды в установках ее химической обработки (наиболее остро необходимость обработки воды становится при ее общей жесткости 4,5 мг-экв/л и более);

- обеспечить защиту емкостей-аккумуляторов от внутренней коррозии (в большинстве случаев путем антикоррозионной обработки поверхностей емкости и электрохимической защитой, преимущественно с магниевым анодом);

- системой управления работой емкостных водонагревателей, баков-аккумуляторов обеспечивать периодический (один раз в 5–8 дней) нагрев воды в емкости до 90°C с целью уничтожения бактерий легионелл.

Необходимо также учитывать, что схемы I.2.1, I.2.2 с емкостными теплогенераторми обладают значительной тепловой инерцией в периоды запуска и больших водоразборов и могут приводить к существенным колебаниям температуры воды у потребителя.

При обосновании числа установленных теплогенераторов и их единичной мощности необходимо руководствоваться суточным графиком потребления горячей воды, значениями часовой неравномерности потребления, максимальным и среднечасовым расходами в системе, наличием баков-аккумуляторов, типом теплогенераторов (емкостные или проточные) и их параметрическим рядом (по мощности). При применении схем без баков – аккумуляторов горячей воды суммарная мощность устанавливаемых теплогенераторов подбирается по максимальному «пиковому» потреблению горячей воды, при использовании баков-аккумуляторов (емкостных нагревателей) все оборудование первичного контура схемы горячего водоснабжения (включая теплогенераторы) подбирается по среднечасовой нагрузке горячего водоснабжения:

где G_i – расход горячей воды за i-й час.

Во всех случаях использования двух и более котельных агрегатов для работы в системе горячего водоснабжения (схемы I.1.1–I.1.6) рекомендуется производить обвязку теплогенераторов по приведенным схемам с индивидуальными для каждого теплогенератора питательными насосами и запорно-регулирующей арматурой.

При каскадном регулировании мощности параллельно включенных теплогенераторов для исключения перетока холодной воды в режимах работы одного теплогенератора рекомендуется устанавливать клапан «отсечки» потока (схема I.1 – А)

1.3. Пример расчета

В качестве примера приведены результаты расчета схемы горячего водоснабжения (схема I.1.1б) с непосредственным водоразбором от проточного теплогенератора.

Тепловая мощность установки рассчитывалась по максимальному «пиковому» расходу теплоты на горячее водоснабжение /СП 41-104-2000 п. 3.13 г./, в примере Q^max_гв =540 кВт. К установке принят проточный водогрейный котел R18-154 фирмы Wolf-Rendomax с модулируемой горелкой, номинальной теплопроизводительностью Q^ном_к =558 кВт. Расход теплоносителя через котел согласно паспортным данным G_к=47 м³/ч=13,06 кг/с, гидравлическое сопротивление котла DP_к=46 кПа.

Тепловая схема рассчитывалась для четырех характерных режимов:

- зимний с максимальной нагрузкой Q^max_гв =540 кВт;

- зимний со среднечасовой нагрузкой горячего водоснабжения Q_гв^ср=225 кВт;

- зимняя с частичной нагрузкой Q_гв=0,5 Q_гв^ср=112,5 кВт;

- летняя с максимальной нагрузкой Q^max_гв =354 кВт /СП 41-104-2000/.

Среднечасовая нагрузка Qгвср рассчитывалась по рекомендациям /СП 41-104-2000, п. 3.13. г./ исходя из величины максимальной нагрузки Q^max_гв =2,4 Q_гв^ср кВт.

Расход воды в циркуляционном трубопроводе принимали G_ц=0,1 G_гв^ср .

Таблица Результаты расчета

Режим Параметр Q1гв, кВт t’’хв, °C tк=tгв, °C Gк, кг/с Gгв, кг/с Gц, кг/с Gс, кг/с Gр, кг/с t’к, °C Максимальный зимний 540 5 60 13,06 2,34 0,1 2,44 10,62 50,0 Среднечасовой зимний 225 5 60 13,06 0,98 0,1 1,08 11,98 55,6 Частичный зимний 112,5 5 60 13,06 0,49 0,1 0,59 12,47 57,7 Максимальный летний 354 15 60 13,06 1,88 0,1 1,98 11,18 53,8

I.1. Схемы и комментарии: горячее водоснабжение (ГВС) для проточных теплогенераторов (ПТГ)

Схема I.1	Схема I.1.1а	Схема I.1.1б
Схема I.1.2	Схема I.1.3	Схема I.1.4
		Кликните на картинку для просмотра в отдельном экране
Схема I.1.5	Схема I.1.6

1.2. Схемы и комментарии: горячее водоснабжение (ГВС)
для емкостных теплогенераторов (ЕТГ)

Схема 1.2.1	Схема I.2.2
Кликните на картинку для просмотра в отдельном экране

Обозначения:

Q_тг; Q_то – тепловая мощность теплогенератора, теплообменника;

G_тг – расход через теплогенератор;

G_нп; G_хв – подача питательного насоса; холодного водосн.;

P_нп; P_нхв – напор питательного насоса; холодного водосн.;

P_гс – гидростатический напор в системе ГВС;

DP_тг – гидравлическое сопротивление теплогенератора;

DP_Iк – гидравлическое сопротивление первичного контура;

DP_IIк – гидравлическое сопротивление вторичного контура;

DP_пк – гидравлическое сопротивление промежуточного контура;

DP_то – гидравлическое сопротивление теплообменника;

ТГ – теплогенератор;

ЕН – емкостной нагреватель;

ТО – теплообменник;

РС – расширительный сосуд;

БН – бак-аккумулятор;

ГВ – горячая вода;

ХВ – холодная вода;

НП – насос питательный;

НЦ – насос циркуляционный ГВ;

НПК – насос промежуточного контура;

НХВ – насос холодной воды.

Литература

1. СП 41-104-2000. Проектирование автономных источников теплоснабжения.

2. СНиП II-35-76*. Котельные установки.

3. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

4. СНиП II-34-76*. Горячее водоснабжение.

5. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см²), водогрейных котлов и водонагревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115°C).

 

Тел. (095) 120-9007