Комментарий к статье И.Ф. Ливчака и С.Ф. Копьева

«Пути дальнейшего совершенствования техники отопления и теплоснабжения»

Предлагаемая статья^* – выступление двух корифеев, ведущих в то время специалистов в области отопления и вентиляции – доктора техн. наук Ливчака Иосифа Федоровича, и в области централизованного теплоснабжения – доктора техн. наук Копьева Сергея Федотовича.

Будучи поставленными в условия советской нерыночной экономии, когда в стране господствовал вал производства, не отличающегося высоким качеством, стоимость энергии была крайне низкой, экономически необоснованной, отсутствовало высокоэффективное оборудование для управления потреблением тепловой энергией зданиями – приборы автоматического регулирования подачи и учета тепловой энергии, малошумные циркуляционные насосы и регулирующие клапаны, компактные пластинчатые теплообменники, широко применяемые в то время в Западной Европе и мире, они пытались своими предложениями способствовать совершенствованию отечественной техники отопления и теплоснабжения. Часть из этих предложений с позиций сегодняшнего дня представляется наивной – ручные индивидуальные краны с постоянным магнитом перед отопительными приборами, и всесторонне необоснованной – повышение расчетных параметров теплоносителя, вызванное желанием сократить расход воды, а соответственно и расход электроэнергии на ее перекачку, но снижающее долговечность трубопроводов.

Предложения по повышению регулирующей способности систем отопления за счет совершенствования схем их присоединения к сетям централизованного теплоснабжения и оборудования автоматическими устройствами и ряд других предложений актуальны и в наше время.

^* Ливчак, И. Ф. Пути дальнейшего совершенствования техники отопления и теплоснабжения [Текст] / И. Ф. Ливчак, С. Ф. Копьев // Водоснабжение и санитарная техника. – 1969. – № 9. – С. 21–25.

Пути дальнейшего совершенствования техники отопления и теплоснабжения

И. Ф. Ливчак, докт. техн. наук,

С. Ф. Копьев, докт. техн. Наук

За последние 15–20 лет в развитии техники отопления в СССР достигнут существенный прогресс. Он состоит в массовом развитии централизованного теплоснабжения; дальнейшем вытеснении пара как теплоносителя в системах отопления; внедрении систем панельного отопления с заделкой трубчатых нагревательных элементов в наружные стены; систем отопления с плинтусными стальными и чугунными конвекторами без кожуха и в кожухе с регулировочными клапанами «по воздуху»; различных рациональных схем разводки теплоносителя (однотрубной с нижней разводкой, посекционной и др.), а также в больших достижениях в производстве чугунных радиаторов.

Существенным достижением явилось широкое экспериментальное применение в многоэтажных жилых и общественных зданиях систем воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией. Вместе с тем выявилось отсутствие простых в эксплуатации и надежных в работе фильтров для тонкой очистки воздуха от пыли для этих систем. Нет сомнения, что такие фильтры будут созданы, и система воздушного отопления, совмещенная с вентиляцией, после некоторых конструктивных доработок найдет широкое применение в гражданском и жилищном строительстве. Эта система с некоторым дооборудованием может быть использована и для летнего охлаждения воздуха.

Однако все применяемые в массовом строительстве системы отопления имеют неудовлетворительные регулировочные качества, причем недостаток этот особенно сильно проявляется при присоединении систем к централизованному теплоснабжению.

Для поддержания в помещении комфортной температуры, которая для разных людей может быть весьма различной (от 16 до 23 °С), теплоотдача отопительных приборов, равная разности между меняющимися теплопотерями и теплопоступлениями, должна меняться.

Теплопотери ограждающими конструкциями и с инфильтрацией холодного воздуха в помещение меняются с изменением наружной температуры и ветра. Теплопоступления, создаваемые солнечной радиацией, электроосвещением, людьми и технологическим процессом, меняются в зависимости от времени года, дня, облачности и режима эксплуатации помещения.

Качественное регулирование водяных систем теплоснабжения с ограниченным радиусом действия учитывает действие только наружной температуры и то не полностью, т. к. охлаждения, вносимые инфильтрующимся холодным воздухом, из-за разности внутренней и наружной температуры не прямо пропорциональны этой разности.

Для поддержания комфортных тепловых условий необходимо индивидуальное (покомнатное) регулирование теплоотдачи отопительных приборов, лучше всего автоматическое. У нас было предпринято много попыток разработки и внедрения различных автоматических регуляторов, основанных на манометрическом, биметаллическом и электрическом принципе действия. Однако они пока не увенчались успехом. Поэтому для обеспечения автоматическими регуляторами приборов отопления, например, в гостинице «Россия» их пришлось закупать в Дании у фирмы «Данфос», которая производит сейчас автоматы-регуляторы как для двухтрубных, так и для однотрубных систем.

Эти манометрические регуляторы непосредственного действия могут работать без приставки автоматического действия, как обычные ручные регулировочные краны; в них возможна смена сальникового уплотнителя без спуска воды из системы отопления. Проверка регуляторов в условиях эксплуатации показала их высокую чувствительность, характеризующуюся срабатыванием запорного клапана при изменении температуры воздуха у термобаллона на ±0,2–0,3 °С. Вместе с тем эти регуляторы, хотя и выключали полностью отопительные приборы, но при наружных температурах, близких к 0 °С, и наличии солнечной радиации не давали существенного эффекта, поскольку теплоотдача отопительного прибора при этих условиях значительно меньше нерегулируемых теплопоступлений. Так, теплопотери типовой жилой комнаты через одну наружную стену с окном при 0 °С, возмещаемые отопительным прибором, составляют 110 ккал/ч, а теплопоступления от солнечной радиации через окно площадью 2 м² и от присутствующих в комнате двух человек ~ 500 ккал/ч.

Такое же положение наблюдается в вечернее время: тепловыделения от находящихся в комнате четырех человек и электроосвещения мощностью 100 Вт составляют ~ 400 ккал/ч; если в этой комнате работает телевизор, то тепловыделения составят ~ 500 ккал/ч.

Иначе говоря, весьма современные автоматические индивидуальные регуляторы на протяжении значительной части отопительного периода могут оказаться неэффективными для поддержания комфортной температуры в отапливаемых помещениях. Это подтверждено, в частности, экспериментальными исследованиями, проведенными в 1968 году инженером Л. М. Багдавадзе (АКХ им. К. Д. Памфилова) в реальных эксплуатационных условиях (гостиница «Россия»).

Учитывая изложенные соображения и высокую стоимость автоматических регуляторов, можно утверждать, что для разрешения вопроса индивидуального регулирования теплоотдачи отопительных приборов применительно к массовому строительству наши усилия должны быть сосредоточены на разрешении более простой задачи –  разработке и внедрении простых и надежно действующих ручных индивидуальных регуляторов, которых у нас нет.

Практически внутреннюю температуру помещений сейчас регулируют проветриванием их через форточки, что приводит не только к недопустимому перерасходу тепла, но и к ухудшению микроклимата в отапливаемых помещениях в связи с чрезмерной сухостью воздуха в них.

Сейчас задача создания простой надежной конструкции крана для отопительных приборов близка к своему разрешению на базе принципиально новой схемы бессальникового крана с постоянным магнитом.

Перегрев зданий значительно усиливается при присоединении к централизованному теплоснабжению, увеличение радиуса действия которого существенно усугубляет этот недостаток.

При сравнительно высоких наружных температурах перегрев зданий, присоединенных к централизованному теплоснабжению с теплоносителем – горячей водой, вызывается тем, что для обеспечения горячего водоснабжения в теплосети приходится поддерживать более высокую температуру горячей воды, чем это требуется для отопления.

В Москве этот перегрев происходит в течение 65 дней, т. е. почти одной трети всего отопительного периода, что дает ежегодный перерасход тепла на сумму в 2 млн руб.

В остальной отопительный период температура воды в теплосети меняется с изменением температуры наружного воздуха. Однако в современных мощных системах централизованного теплоснабжения с большим радиусом действия это изменение не может быть удовлетворительным для всех присоединенных к нему объектов, поскольку они имеют:

• различную тепловую инерцию и соотношение быстрых и медленных теплопотерь (например, с избыточным и нормальным остеклением);
• различную этажность и расположение относительно обдувания ветром;
• различные системы отопления и разных типов отопительные приборы;
• различное расположение относительно источника тепла (до ближних объектов горячая вода проходит за несколько минут, а до дальних – за несколько часов; в разветвленных участках сети с небольшим расходом воды имеет место заметное в этих условиях остывание ее в трубопроводах).

В связи с изложенным режим работы систем централизованного теплоснабжения приходится ориентировать на наиболее неблагоприятное здание, заведомо зная, что это дает перетоп остальных.

Качественное регулирование водяных систем отопления из одного центра при большой централизации современных систем теплоснабжения не дает должного эффекта. Присоединенные к современным системам централизованного теплоснабжения системы водяного отопления должны быть оборудованы устройствами, обеспечивающими местное (в тепловом вводе) регулирование их теплоотдачи.

Осуществление такого регулирования при непосредственной подаче воды из теплосети в систему отопления встречает большие затруднения, которые не позволили до сих пор решить эту задачу.

Вместе с тем «независимое» соединение систем отопления и теплоснабжения (через бойлер) дает простое решение данного вопроса и одновременно существенно повышает надежность работы централизованного теплоснабжения. При этом центральное регулирование изменения параметров теплоносителя в системе централизованного теплоснабжения может оказаться необязательным.

Регулирование отпуска тепла отопительными приборами может дать определенный экономический эффект, несмотря на увеличение стоимости устройства отопления. Расчеты показывают, что для Москвы, например, при получении 10 % экономии тепла может оказаться рентабельным увеличение стоимости устройства отопления на 30 %. В местностях с более холодным климатом и при более высокой стоимости топлива предел экономической рентабельности увеличения стоимости устройства отопления может быть еще более высоким.

Не менее важную роль должно сыграть местное автоматическое регулирование отопления отдельных зданий в деле повышения маневренности и эксплуатационной гибкости теплоснабжающих систем. Возможность работы с переменными температурами и расходами воды в тепловых сетях позволяет осуществлять при необходимости переброску тепла из района одного источника теплоснабжения в другой район, работу с минимальным ущербом при авариях и неполадках в системе теплоснабжения, а также проведение в широких размерах совместной параллельной работы всех источников теплоснабжения города на единую тепловую сеть. Последнее обстоятельство особенно важно в больших городах с большим числом различных источников теплоснабжения и мощных тепловых магистралей. Совместная работа всех источников теплоснабжения при высокой маневренности теплоснабжающих систем не только резко повысит надежность теплоснабжения, но и существенно снизит имеющиеся в настоящее время затраты на «временные» источники теплоснабжения, нередко дублирующие неиспользуемые тепловые мощности других, изолированно работающих источников.

В чем же должно состоять совершенствование отопительных систем и теплоснабжения, имея в виду необходимость повышения надежности его работы и снижения стоимости наружных сетей, которая сейчас начинает приближаться к стоимости внутренних устройств отопления и горячего водоснабжения?

Учитывая возможность отказа от качественного регулирования параметров теплоносителя в системе централизованного теплоснабжения, а также то, что сейчас при мощности этих систем до 300 Гкал/ч намечается широкое развитие их на базе центральных котельных (без комбинированной выработки тепла и электроэнергии), представляет большой интерес применение однотрубного парового теплоснабжения с сохранением в зданиях водяного отопления с качественным регулированием теплоносителя по температуре воздуха в одном из характерных помещений здания или по наружным климатическим условиям.

При этом в присоединенных к теплоснабжению зданиях устанавливаются для отопления пароводоподогреватели (рис. 1), температура воды в которых регулируется автоматическим путем частичного затопления конденсатом вертикально расположенных спиралеобразных змеевиков.

Рисунок 1. Схема теплового оборудования здания при однотрубном паровом теплоснабжении 1 – пароводоподогреватель отопления; 2 – пароводоподогреватель горячего водоснабжения; 3 – бак-аккумулятор горячей воды; 4 – горячая линия к системе водяного отопления; 5 – обратная линия из системы водяного отопления; 6 – водопровод; 7 – горячая линия в бак-аккумулятор горячей воды; 8 – линия разбора горячей воды; 9 – циркуляционная от водоподогревателя к баку-аккумулятору; 10 – циркуляционная от бака-аккумулятора к водоподогревателю; 11 – циркуляционная от системы горячего водоснабжения; 12 – паровая линия от системы теплоснабжения; 13 – конденсационная от отопительного водоподогревателя в бак-аккумулятор; 14 – конденсационная от водоподогревателя горячего водоснабжения в бак-аккумулятор; 15 – регулятор подогрева воды в отопительном водоподогревателе; 16 – перфорированные трубки; 17 – поплавковый клапан подачи горячей воды; 18 – конденсационный горшок

Горячая вода на бытовые нужды приготовляется в другом пароводоподогревателе, причем конденсат от обоих пароводоподогревателей поступает в сообщаемый с атмосферой бак-аккумулятор горячей воды, располагаемый выше всех точек водоразбора.

Емкость бака-аккумулятора горячей воды должна обеспечивать возможность сбора конденсата, получаемого от водоподогревателя отопления при расчетной отопительной температуре за период отсутствия водоразбора. Она, например, при восьмичасовом отсутствии водоразбора для здания кубатурой 10 000 м³, расположенного в Москве, должна быть не менее 2 м³.

За обоими пароводоподогревателями на конденсационных линиях установлены шайбы или конденсационные горшки.

Температура конденсата за ними для возможности подачи его в открытый бак и для исключения ожогов чрезмерно горячей водой должна быть не более 85 °С, что обеспечивается расчетом поверхности змеевика.

Циркуляция в системе водяного отопления может быть естественной или с насосным побуждением. В последнем случае необходимы бесфундаментные и бесшумно работающие центробежные, осевые или диагональные насосы, которые производятся во многих странах, но у нас пока, к сожалению, не выпускаются. Для более широкого использования естественной циркуляции воды в многоэтажных зданиях возможно применение посекционных систем отопления и горячего водоснабжения.

При теплоснабжении от паровых котельных с давлением пара 12–15 атм системы однотрубного парового теплоснабжения по капитальным и эксплуатационным затратам экономичнее всех других систем централизованного теплоснабжения. Удельный диаметр однотрубной паровой сети при падении давления в ней 8–10 атм и дальности передачи 4–6 км всего лишь 81 мм на 1 Гкал/ч расчетной производительности, в то время как для обычной двухтрубной закрытой сети он достигает 195 мм, для закрытой четырехтрубной сети с расчетной температурой 150 °С – 250 мм, а для четырехтрубной сети с расчетной температурой 95 °С (на базе чугунных котлов) удельный диаметр теплосети (сумма диаметров труб) доходит до 335 мм.

Учитывая, что стоимость подземных теплопроводов находится примерно в линейной зависимости от суммы диаметров труб, можно утверждать, что однотрубная паровая сеть примерно в 2 раза дешевле двухтрубной высокотемпературной водяной сети и в 4 раза дешевле четырехтрубной низкотемпературной водяной сети. Во столько же раз ниже металловложения в однотрубную паровую сеть?

Абонентские вводы однотрубной паровой сети, несмотря на наличие водоподогревателя для отопления, также оказываются дешевле вводов двухтрубных водяных сетей высоких параметров (150 °С), т. к. в пароводяных водоподогревателях теплосъем при скорости воды 1 м/с составляет 100 тыс. ккал/ч•м², в то время как в водоводяных подогревателях горячего водоснабжения он, как известно, не превосходит 15 тыс. ккал/ч•м², т. е. примерно в 6 раз меньше (вследствие в три раза меньшего температурного перепада и в два раза меньшего коэффициента теплопередачи). Удельная стоимость вводов однотрубных паровых систем составляет примерно 6–8 тыс. руб. на 1 Гкал/ч (3–4 ввода), в то время как индивидуальные вводы двухтрубных закрытых систем обходятся в 15–20 тыс. руб. на 1 Гкал/ч.

Несколько дороже при однотрубной системе теплоснабжения стоимость водоподготовки, однако это удорожание составляет всего 1–2 тыс. руб. на 1 Гкал/ч производительности котельной и с большим избытком перекрывается экономией капитальных затрат на сетях и вводах (20–25 тыс. руб. на 1 Гкал/ч).

Есть все основания полагать, что стоимость однотрубных наружных подземных сетей на единицу материальной характеристики будет существенно дешевле, чем при прокладке двух- и многотрубных сетей. Здесь удобно осуществляется бесканальная прокладка в асфальтоизоле или битумоперлите с помощью роторного экскаватора, легко отрывающего узкую траншею для укладки изолированных труб или труб с последующей засыпкой их изоляцией. По данным ВТИ и треста Киевподземстрой, стоимость строительной части теплопроводов сокращается при бесканальной прокладке примерно в 3 раза (земляные работы, каналы, камеры, тепловая изоляция). При однотрубных прокладках это снижение еще больше вследствие устранения трудоемкого «междутрубного» участка теплопровода.

В связи с необходимостью повышения благоустройства сельских населенных мест многие из них, в частности при отсутствии высокосортного топлива, должны будут оборудоваться централизованным теплоснабжением. В этом случае в связи с малой плотностью застройки и большой стоимостью наружных тепловых сетей применение однотрубного парового теплоснабжения будет особенно целесообразным. В сельских одноэтажных зданиях с целью удешевления внутренних устройств бак-аккумулятор горячего водоснабжения может быть совмещен с пароводоподогревателем горячего водоснабжения и расширительным сосудом отопления, как это показано на рис. 2. Размещать этот агрегат можно на кухне, причем тепловыделения от него будут возмещать теплопотери кухни.

Рисунок 2. Схема теплового оборудования квартиры при однотрубном паровом теплоснабжении 1 – пароводоподогреватель отопления; 2 – пароводоподогреватель и бак-аккумулятор горячего водоснабжения; 3 – расширительный сосуд квартирного водяного отопления; 4 – фундамент; 5 –поплавковый клапан; 6 – бачок для залива воды вручную (при отсутствии водопровода); 7 – водопровод; 8 – паровая линия от системы теплоснабжения; 9 – горячая разводящая линия на отопление; 10 – линия, подаюшая горячую воду к санитарным приборам; 11 – обратная линия от системы отопления; 12 – водомерные стекла; 13 – атмосферная расширительного сосуда; 14 – атмосферная пароводоподогревателя и бака-аккумулятора горячего водоснабжения; 15 – конденсационный горшок, отрегулированный на 85 °С; 16 – регулятор подогрева воды в отопительном водоподогревателе

Однотрубная паровая сеть в сельских поселках получается на 30–50 % дешевле, чем в городах, вследствие возможности работать с более высокими скоростями пара (в 3–4 раза меньше дальность передачи пара), а также снижения стоимости земляных и дорожно-мостовых работ. Паровая система в сельских поселках хорошо сочетается с сельскими производственными потребностями в тепле.

При централизованном теплоснабжении от центральных котельных с теплоносителем – водой также целесообразно иметь ее температуру постоянной и максимальной, например, 180 °С. В зданиях при этом устанавливаются водоводяные теплообменники для отопления и горячего водоснабжения.

В этом случае с успехом можно применять и открытое горячее водоснабжение, используя обратную воду из водоподогревателей отопления. Качество воды здесь будет выше, чем в открытых современных системах, поскольку при независимом присоединении отопления потребляемая для горячего водоснабжения вода не циркулирует через системы отопления – главные очаги загрязнения сетевой воды. В случае открытой независимой системы температура сетевой воды не должна оставаться постоянной, она должна снижаться к концу отопительного сезона до 90–120 °С для того, чтобы температура воды для горячего водоснабжения была 75–80 °С.

Расчетная температура обратной сетевой воды за водоподогревателями должна отвечать оптимальному значению, устанавливаемому экономическими расчетами. С целью уменьшения поверхности нагрева змеевиков в водонагревателе она может быть выше обычно принимаемой сейчас 70 °С.

Применение воды высоких параметров целесообразно в тепловых сетях не только при котельных, но и при теплоснабжении от ТЭЦ. Проведенные технико-экономические исследования показали, что в современных крупных городах даже при цене топлива до 40 руб./т. у. т. рентабельно повышать расчетную температуру воды до 220–250 °С. Здесь повышение затрат на топливо и отопительные водоподогреватели с избытком окупается снижением затрат на перекачку теплоносителя, на реновацию, ремонт и нормативные отчисления по сетям и водоподогревателям горячего водоснабжения (последние затраты уменьшаются при закрытой системе вследствие роста температурного перепада и коэффициента теплопередачи).

В случае теплофикации невыгодно, чтобы график температур как при открытой, так и при закрытой системах был расположен горизонтально (Т = const), его следует максимально возможно снижать по наиболее пологому уклону графика обслуживаемых систем отопления (примерная температура в конце отопительного сезона 90–100 °С).

Переход на независимое присоединение систем отопления целесообразен даже при расчетной температуре 150 °С, это экономично и диктуется соображениями надежности и маневренности систем теплоснабжения крупных городов с многообразными типами зданий и систем отопления. В этих случаях и вообще при переходе на независимое присоединение отопления возможно в начальный период перехода сосуществование непосредственно присоединенных систем через элеваторы и смесительные насосы с независимыми присоединениями через водоподогреватели. Желателен, однако, постепенный перевод непосредственных присоединений на смесительные бесшумные фланцевые насосы.

Выводы

1. Главная задача дальнейшего совершенствования техники отопления состоит в повышении регулирующей способности систем отопления, особенно тех, которые присоединяются к централизованному теплоснабжению. Для достижения этих целей по соображениям рентабельности можно допустить существенное повышение стоимости устройства отопления.

2. Назревшую необходимость покомнатного регулирования теплоотдачи отопления для зданий массового строительства следует разрешить путем создания ручных регуляторов на базе бессальниковых простых и надежных кранов.

3. В современных крупных системах централизованного теплоснабжения единое для всех зданий изменение температуры воды по наружной температуре не создает нужного изменения теплоотдачи систем отопления. Поэтому последние должны оборудоваться автоматическими устройствами, обеспечивающими отдельно для каждого здания изменение теплоотдачи отопления в зависимости от требуемого уровня внутренних температур.

4. Необязательность изменения параметров теплоносителя в системах централизованного теплоснабжения в зависимости от наружной температуры делает целесообразным применение однотрубного парового теплоснабжения (от центральных котельных) с пароводоподогревателями в зданиях для их отопления и горячего водоснабжения и использованием конденсата на горячее водоснабжение (над разработкой этой системы сейчас работает ЦНИИЭП инженерного оборудования Госгражданстроя СССР).

4. При централизованном теплоснабжении с теплоносителем – водой от центральных котельных также целесообразно поддержание постоянной температуры горячей воды в сетях, а при ТЭЦ – несколько большей, чем это требуется для каждого здания в зависимости от наружной температуры. Системы отопления зданий при этом и невозможности количественного регулирования их теплоотдачи целесообразно присоединять по независимой схеме через теплообменники.

6. Эти системы водяного отопления так же, как и при паровом однотрубном теплоснабжении, могут иметь естественную и насосную циркуляцию, причем для более широкого использования естественной циркуляции воды в системах отопления и горячего водоснабжения возможно применение посекционных систем.

Изложенные в статье соображения о дальнейшем совершенствовании техники отопления и теплоснабжения требуют весьма углубленной и всесторонней проработки, в частности, применительно к конкретным условиям теплоснабжения различного комплекса потребителей.