Горячее водоснабжение. Расчет сетей

Riccardo Castiglioni

Проектирование сетей горячего водоснабжения часто выполняют эмпирически или очень приближенно. Между тем значимость сетей требует совершенно иного, более глубокого подхода, в котором нет места импровизации и случайностям.

Одна из проблем, требующих особого внимания при проектировании сети горячего водоснабжения, это дискомфорт пользователя, обусловленный определенным периодом ожидания с момента открытия водоразборного прибора (смесителя, крана) до момента, когда из него потечет действительно горячая вода. Подающая сеть горячей воды (рис. 1) в при отсутствии водоразбора заполнена холодной водой, а не горячей. При открытии водоразборного прибора из емкостного или проточного водонагревателя горячая вода начинает поступать в трубопровод, но горячая вода потечет из водоразборного прибора только через некоторое время, когда из подающего трубопровода выльется вся холодная вода. В такой сети продолжительный период времени между открытием водоразборного прибора и поступлением горячей воды вполне допустим для односемейных жилых домов и совершенно недопустим для крупных распределительных сетей, таких как гостиничные или иные общественные объекты.

Рисунок 1. Схема сети горячей воды традиционного типа

За и против циркуляционных сетей

Наиболее очевидное решение заключается в устройстве постоянной циркуляционной сети (рис. 2). Такая сеть обеспечивает практически мгновенную подачу горячей воды и, безусловно, является оптимальной, радикально решающей вышеуказанную проблему. Ее недостаток – высокая стоимость, в силу которой сеть оправдывает себя только при значительном числе пользователей. Кроме того, постоянная циркуляция горячей воды ведет к потерям тепла, а это немалые дополнения к общему счету за энергоносители. Поэтому на сетях средней протяженности целесообразно предварительно внимательно изучить принципиальную схему расположения водоразборных приборов для сокращения протяженности подающих трубопроводов и понять, целесообразно ли применение системы без циркуляции с допустимым периодом ожидания подачи горячей воды.

В Италии нет соответствующего регламента на период ожидания. Считается вполне приемлемым период до 60 секунд, но только в жилищном строительстве. Для остальных объектов более высокого статуса приемлемый период ожидания сокращен до 30 секунд.

Рисунок 2. Схема сети горячей воды с циркуляцией

Обоснование схемы горячего водоснабжения (расчет периода ожидания)

Для оптимизации периода ожидания вычисляется время, необходимое для поступления горячей

воды в наиболее удаленный от накопителя или теплогенератора водопроводный прибор. Если результат превышает общепринятые показатели, ставится задача модифицировать сеть таким образом, чтобы период ожидания укладывался в установленные пределы. В связи с этим следует учитывать, что период ожидания:

– тем короче, чем выше давление воды, приходящей в точку водоразбора;

– тем короче, чем больше пропускная способность водоразборного прибора;

– тем дольше, чем больше объемы участков, образующих наиболее удаленный контур, а также чем больше сечение трубопровода.

Расчет производится в следующем порядке:

1. Определяют пиковые (максимальные) расходы горячей воды на водоразбор (см. далее), затем длину, тип и диаметр каждого участка подающего трубопровода;

2. Умножают общую длину, м трубопровода каждого диаметра на удельный объем воды, л/м (табл. 1);

3. Определяют расчетный путь для наименее выгодно расположенного водоразборного прибора (наиболее удаленного от оборудования для нагрева воды) и суммируют объемы воды на участках трубопровода до водоразборного прибора.

4. Рассчитывают время фактического поступления горячей воды, для чего делят сумму объемов воды в трубопроводах по расчетному пути на секундный расход водоразборного прибора при расчетном давлении перед ним (секундный расход водоразборного прибора обычно указывается изготовителем).

Наиболее трудоемким при расчете является вычисление удельных объемов трубопроводов Cs. Для этого используется следующая формула:

Cs = 10 • (F/100)² • 3,14/4

где F – внутренний диаметр трубопровода (не внешний или номинальный), мм.

Для упрощения расчетов в табл. 1 приведены удельные объемы воды в стальном, CPVC, медном трубопроводах для наиболее распространенных диаметров труб, применяемых на сетях горячего водоснабжения.

Стоимость такой сети ниже, но на сетях большой протяженности время ожидания поступления горячей воды к удаленному водоразборному прибору слишком большое.

Данное решение практически во всех случаях обеспечивает быстрое поступление горячей воды из водоразборного прибора, но имеет более высокие стоимостные строительные (закупочные) и эксплуатационные показатели. Постоянная циркуляция горячей воды ведет к существенным потерям тепла и технически менее надежна из-за наличия насосного агрегата.

Пример расчета

В качестве примера рассмотрим сеть горячего водоснабжения, аналогичную изображенной на рис. 1. Наиболее удаленный водоразборный прибор имеет расчетный секундный расход (пропускную мощность) 0,15 л/с и подключен к первичному источнику горячей воды (оборудованию для нагрева воды) тремя участками: первый (А) – медный трубопровод диаметром 3/4” длиной 8 м, второй (Б) – медный 1/2” длиной 18 м и последний (В) – медный 3/8” длиной 1 м.

Расчет объемов воды в трубопроводах в соответствии с рекомендациями табл. 1:

А) объем воды на участке 3/4”: 8 м х 0,314 л/м = 2,512 л

Б) объем воды на участке 1/2”: 18 м х 0,122 л/м = 2,196 л

В) объем воды на участке 3/8”: 1 м х 0,086 л/м = 0,086 л

Общий объем воды в трубопроводах составит

(2,512 + 2,196 + 0,086) = 4,794 л.

Время поступления горячей воды на водоразборную точку: (4,794 л / 0,15 л/с) = примерно 32 с.

В водопроводной сети с коллекторной разводкой (рис. 3), к которой присоединены разводящие трубопроводы к водоразборным приборам, и подключенной непосредственно к оборудованию для нагрева и подачи горячей воды, наиболее удаленной из числа подключенных к коллектору является точка трубопровода на 3/8” длиной (8 + 18 + 1) = 27 м. Объем воды в контуре при этом сокращается до (27 х 0,086) = 2,332 л. Время ожидания поступления горячей воды на самый дальний водоразборный прибор сокращается до 2,332 / 0,15 = примерно 15,5 с, что можно считать безусловно приемлемым показателем.

Рисунок 3. Схема сети горячей воды с коллектором Такая сеть имеет среднюю стоимость и, если длина сети не слишком значительна, позволяет обеспечивать вполне приемлемое время ожидания горячей воды на наиболее удаленном водоразборном приборе

Рисунок 4. Диаграмма определения расчетного расхода участка трубопровода в зависимости от суммы элементов FU и типа здания (ASHRAE) А – рестораны; Б – больницы, хосписы, дома престарелых, пансионы и гостиницы; В – квартиры и коттеджи; Г – административные здания и школьные учреждения

Расчет суточного потребления горячей воды

Определение объемов потребления горячей воды и тепла, необходимых для инженерного расчета емкостных и скоростных водонагревателей, возможно только при наличии достоверных данных о социальном назначении объекта, в котором проектируется горячее водоснабжение. Другими словами, было бы неправильно брать за основу применительно к нашей стране параметры североевропейских государств или, хуже того, Америки, где образ жизни решительно отличается от нашего, вследствие чего расходы горячей воды имеют мало или не имеют ничего общего с итальянской моделью.

В качестве иллюстрации в табл. 2 приведены расходы горячей воды в жилом секторе, а также на предприятиях торговли и сферы услуг.

Расчет трубопроводов

Во-первых (и это главное), трубопровод горячего водоснабжения должен рассчитываться на пиковые (максимальные) периоды водоразбора на основе таблиц и диаграмм, используемых для расчета трубопроводов отопления. Применяемые материалы (в порядке роста популярности): оцинкованная сталь, медь и CPVC.

По методике расчета трубопровода из практического руководства ассоциации ASHRAE (ASHRAE Handbook 2003 Application) для каждого типа водоразборного прибора назначается условный элемент – эквивалентный прибор FU (Fixture Unit).

Расчет выполняют по следующей методике:

1. Определяется эквивалент FU на каждой точке водоразбора по табл. 3;

2. Подающая (распределительная) сеть делится на участки по тому же принципу, что и сети отопительных контуров;

3. Определяется сумма эквивалентных приборов FU, обслуживаемых каждым участком трубопровода;

4. Определяется расчетный расход на каждом участке в зависимости от суммарного показателя FU и типа здания по табл. 4;

5. Определяется диаметр каждого участка в зависимости от расчетного расхода (пропускного объема) и длины участка так, чтобы в целом по сети потери давления не выходили за приемлемые границы.

Диаметр циркуляционной сети (если таковую решено организовать) можно определить, если принять по каждому расчетному участку трубопровода пропускной объем 3 л/с на каждый условный элемент FU подающего линейного ответвления, от которого он отходит. Рециркуляционный насос должен рассчитываться на пропускную мощность, равную сумме элементов FU водоразборных точек всей подающей сети.

Для предотвращения непроизводительного расхода энергии, свойственного любой циркуляционной сети, рекомендуется оборудовать насос термостатом, который должен включать насос при снижении температуры циркуляционной (обратной) воды ниже определенного установленного уровня и выключать насос, когда температура обратной воды примерно на 5 °С ниже установленного значения горячей воды.

Водоразборные приборы являются смесительными устройствами (смешивают холодную и горячую воду для получения на изливе температуры, нужной потребителю) и не всегда такое устройство (смеситель) термостатического типа. Расчет необходимо выполнить для подающей (распределительной) сети и холодного, и горячего водоснабжения так, чтобы в каждой точке водоразбора (на подводках смесителей холодной и горячей воды) разница давления была минимальной, во-первых, и давление холодной и горячей воды были постоянными, во-вторых. Эти особенно важно при установке на конечных участках сети ванны или душевой кабины, в которых любой внезапный перепад давления в холодном или горячем водопроводе приводит к произвольному нерегулируемому снижению или росту температуры подаваемой воды.

Контроль содержания легионелл (Legionella Pneumophila)

Бактерия Legionella Pneumophila , о которой достаточно написано в специальной литературе, размножается на застойных участках сети распределения горячей воды. Но размножается она в воде, температура которой не превышает 46 °С. Логично предположить, что решить проблему можно, если нагревать и подавать в сеть горячую воду с температурой выше 60 °С. В Италии, однако, законодательно запрещена температура воды более 46 °С. Поэтому для профилактики возникновения очагов легионелл в сети водоснабжения необходима периодическая дезинфекции трубопровода. Для дезинфекции через трубопроводы прокачивают в течение нескольких часов очень горячую воду или воду с антибактериальными добавками.

Перепечатано с сокращениями из журнала  Impianti № 27/2005

Перевод с итальянского С. Н. Булекова

Техническое редактирование В. Н. Исаева