Необходимость обогрева жилища и приготовление горячей воды для хозяйственно-бытовых нужд становятся особо важными в условиях сурового климата России, где почти на всей ее территории период с температурой наружного воздуха ниже 0 °C длится около полугода, а в некоторых районах (например, Диксон) доходит до 267 дней. Поэтому для целей теплоснабжения зданий (на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение) приходится сжигать более 30 % всего добываемого в стране топлива.
Наиболее рационально использовать топливо-энергетические ресурсы позволяют системы централизованного теплоснабжения, которыми охвачены города и другие крупные населенные пункты России. Централизованное теплоснабжение в России уже отметило 120-летний юбилей. В настоящее время по его масштабам страна занимает первое место в Европе и второе в мире (после США).
Система централизованного теплоснабжения состоит из источника тепловой энергии, трубопроводных тепловых сетей и пунктов трансформации тепловой энергии и ее распределения между потребителями. Источниками тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения являются теплоэлектростанции (ТЭЦ), районные тепловые станции (РТС) или квартальные — (КТС). Системы централизованного теплоснабжения, кроме разновидностей и особенностей источников тепловой энергии, различаются по виду теплоносителя, способу присоединения внутренних систем горячего водоснабжения (далее ГВС) и количеству труб для транспортировки теплоносителя.
Основным видом теплоносителя в системах централизованного теплоснабжения является горячая вода с температурой до 150 °C и давлением до 25 бар. Пар в качестве теплоносителя практически не используется. Он иногда применяется в системах теплоснабжения промышленных предприятий, где одновременно подается на технологические нужды.
В зависимости от способа присоединения к тепловым сетям систем ГВС централизованное теплоснабжение может быть реализовано по закрытой схеме (водопроводная вода нагревается в водо-водяных подогревателях теплоносителем системы теплоснабжения) или по открытой (вода для целей ГВС поступает непосредственно из тепловых сетей).
Несмотря на ряд существенных недостатков открытые системы теплоснабжения функционируют в ряде городов России. Вместе с тем, в настоящее время при новом строительстве систем теплоснабжения практикуется отказ от открытой схемы, а при реконструкции — планомерный переход к централизованному приготовлению горячей воды в подогревателях тепловых пунктов.
Из возможного многообразия водяных тепловых сетей (одно-, двух- и многотрубные) наибольшеераспространение получили двухтрубные сети. Многотрубные тепловые сети представляют собой совокупность двухтрубных сетей для каждого отдельного вида потребителей. Такие сети (как правило, четырехтрубные — для систем отопления и ГВС), применяются при внутриквартальном распределения теплоносителя и горячей воды от существующих в ряде городов центральных тепловых пунктов к отдельным зданиям.
Тепловые пункты являются конечным элементом системы централизованного теплоснабжения, где осуществляется связь между тепловыми сетями и потребителями тепловой энергии.
Они подразделяются на индивидуальные (далее ИТП) для одного здания и центральные (далее ЦТП), обслуживающие группу зданий или несколько отдельных зон одного многофункционального сооружения.
В сложившейся с середины прошлого века структуре системы централизованного теплоснабжения подача тепловой энергии для потребителей жилищно-коммунального сектора осуществляется, как правило, через отдельно стоящие квартальные центральные тепловые пункты с размещением в каждом отдельном здании ИТП. В последние годы в ИТП стал устанавливаться насосный узел смешения для автоматического управления системой отопления. При этом ИТП иногда называется АУУ (автоматизированный узел управления). Однако, все возрастающие требования к качеству теплоснабжения определили новую техническую политику, которая предусматривает отказ от ЦТП и переход к присоединению абонентов к тепловой сети посредством размещаемых непосредственно в зданиях индивидуальных тепловых пунктов, в том числе, с приготовлением в них горячей воды для систем ГВС по закрытой схеме.
Современный тепловой пункт — совокупность теплотехнического и насосного оборудования в сочетании с электрическими и гидравлическими средствами комплексной автоматизации, обеспечивающие поддержание комфортных параметров воздуха в отапливаемых помещениях зданий и температуры воды в системе ГВС, работу инженерных систем в безнадзорном и безаварийном режиме, учет теплопотребления, энергосбережение и, как следствие, охрану окружающей среды.
Тепловой пункт выполняет прием теплоносителя, его преобразование, распределение между потребителями, учет теплопотребления, автоматически обеспечивая при этом:
Все эти задачи могут быть реализованы в значительной степени за счет автоматизации теплового пункта. Результатом их выполнения будет не только обеспечение комфортных условий в помещениях и параметров горячей воды, но и реальнаяэкономия энергопотребления на уровне 30–35 % в годовом разрезе и 60–70 % в переходные периоды, когда температура наружного воздуха превышает 0 °C, а также сокращение выбросов в атмосферу продуктов сгорания сэкономленного топлива.
Технологические схемы тепловых пунктов различаются в зависимости:
В соответствии с требованиями нормативных документов главными функциями теплового пункта являются:
В этой связи тепловой пункт подразделяется на ряд функциональных узлов:
В зависимости от с принятой технологической схемой теплового пункта тип применяемых узлов, их количество и сочетание могут варьироваться в широких пределах. При этом узлы ввода тепловой сети, учета теплопотребления и согласования давлений являются обязательной принадлежностью любого теплового пункта.
Узел ввода (I). Условный проход узла ввода независимо от расхода теплоносителя должен быть не менее 32 мм.
Узел ввода оснащается:
Применение сетчатых фильтров не исключает установки до них (по ходу движения теплоносителя) абонентского грязевика для защиты сетки фильтра от повреждений крупными твердыми включениями в теплоносителе.
В целях очистки теплоносителя при заполнении систем отопления и вентиляции, а также при подаче воды в систему ГВС из обратного трубопровода теплосети открытой системе теплоснабжения, рекомендуется в узле ввода предусмотреть реверсивный байпас с дополнительным грязевиком и фильтром.
Узел учета теплопотребления (II). Узел учета теплопотребления (далее — «узел учета») входит в состав теплового пункта, но разрабатывается в отдельной части проекта. Проект узла учета должен выполняться в соответствии с требованиями «Правил коммерческого учета тепловой энергии и теплоносителя».
На основе показаний расходомеров и термопреобразователей тепловычислитель рассчитывает величину фактического теплопотребления. Импульсные сигналы расходомеров могут также использоваться для введения ограничения максимального расхода теплоносителя. При выборе расходомера необходимо, чтобы фактический расход теплоносителя не выходил за пределы его динамического диапазона. В процессе проектирования узла учета теплопотребления и теплового пункта в целом следует учитывать потери давления в расходомерах. Рядом с расходомерами (ближе 0.5 м) не должны располагаться электросиловые устройства мощностью более 250 Вт, которые могут явиться источником помех.
Узел согласования давлений (III). Узел согласования давлений предназначен для обеспечения работы всех элементов теплового пункта, систем теплопотребления, а также тепловых сетей в стабильном и безаварийном гидравлическом режиме.
Оборудование узла позволяет:
Часто при сложных пьезометрах тепловой сети, в случаях зависимого присоединения систем теплопотребления, приходится защищать их от опорожнения, вскипания теплоносителя, повышать располагаемые напоры тепловой сети для обеспечения циркуляции теплоносителя. Такие задачи технически разрешимы, однако требуют применения дополнительных устройств: подкачивающих насосов, регуляторов подпора, автоматических отсекающих клапанов и т. д.
Вместе с тем все известные методы защиты систем теплопотребления от неблагоприятных гидравлических режимов работы тепловых сетей и используемые приборы даже самых известных производителей не вполне надежны и не исключают их безаварийной работы.
Учитывая целесообразность применения наиболее простых устройств согласования давлений в системах теплоснабжения и теплопотребления, а также в целях повышения их надежности, безопасности и устойчивости, отопительно вентиляционные системы жилых и общественных зданий следует присоединять к тепловой сети, как правило, по независимой схеме, через теплообменники.
Зависимое присоединение систем к тепловой сети допускается применять:
Пример. Дано:
Требуется определить давление теплоносителя на выходе из теплового пункта, обеспечивающее его не вскипание в проложенном на чердаке подающем трубопроводе системы.
Решение: По формуле
$$Р_{01} ≥ 0.1·70+0.38+0.5 = 7.88 бар.$$Во вторичных контурах систем теплопотребления при их независимом присоединении к тепловой сети необходимо поддерживать статическое давление для обеспечения заполнения систем и не вскипания теплоносителя, что и для зависимо присоединенных систем. Статическое давление поддерживается с помощью системы подпитка. Условия присоединения систем отопления и вентиляции к тепловой сети проиллюстрированы на рисунке.
Поддержание постоянных перепадов давления на регулирующих клапанах систем теплопотребления в настоящее время является обязательным условием для стабилизации гидравлических режимов в наружных тепловых сетях и обеспечения оптимальной работы регулирующих устройств в системах теплопотребления зданий.
Гидравлические регуляторы перепада давлений рекомендуется предусматривать перед каждым регулирующим клапаном с электроприводом. В исключительных случаях регуляторы перепада давлений допускается устанавливать на группу теплоиспользующих систем в общем узле согласования давления. Обычно предусматривается единый регулятор перед системой отопления и ГВС.
Для группы вентиляционных установок при их зависимом присоединении к тепловой сети без изменения параметров теплоносителя рекомендуется предусматривать в узле согласования давлений самостоятельный регулятор перепада давлений. При этом присоединять систему теплоснабжения вентиляционных установок к трубопроводам теплового пункта следует до регулятора перепада давлений, предназначенного для других систем теплопотребления.
Это объясняется различием гидравлических режимов работы вентиляционных установок и систем отопления и ГВС.
Отдельный регулятор перепада давлений также рекомендуется устанавливать при открытой системе теплоснабжения перед регулятором температуры прямого действия в смесительном узле ГВС.
Регулятор перепада давлений, в зависимости от выполняемых функций, может размещаться на подающем или обратном трубопроводе системы теплоснабжения.
Предпочтительное место размещения регулятора перепада давлений — на подающем трубопроводе для защиты оборудования теплового пункта и систем теплопотребления от повышенного давления со стороны тепловой сети.
По требованию теплоснабжающей организации могут быть поставлены комбинированные регуляторы перепада давлений с автоматическим ограничением расхода теплоносителя.
Узел присоединения систем вентиляции (IV). Системы вентиляции присоединяются к трубопроводам теплового пункта как по зависимой, так и по независимой схеме (через водоподогреватель), как правило, до общего для остальных систем узла согласования давлений. Выбор способа присоединения зависит от целого ряда условий, которые определяют применяемое вентиляционное оборудование и место его размещения по высоте здания, параметры теплоносителя (температуру и давление), а также требования теплоснабжающих организаций и пожелания заказчика.
Зависимое присоединение систем вентиляции может быть выполнено без изменения параметров теплоносителя (его температуры) или с изменением.
В прежние годы в отечественные вентиляционные установки, размещаемые в нижней части здания, как правило, подавался перегретый теплоноситель, например, при температуре 150 °C без изменения его параметров. Снижение параметров предусматривалось только при соответствующих противопожарных или технологических требованиях, а также для воздухонагревателей второго подогрева центральных кондиционеров и кондиционеров-доводчиков.
Современное оборудование, а также практика высотного строительства часто диктуют необходимость преобразования температуры теплоносителя для вентиляционных установок. Для этого используется центральный насосный смесительный узел при зависимом присоединении вентиляционных систем к тепловой сети или узел независимого присоединения с водоподогревателем. Выбор параметров теплоносителя и способ присоединения узла его приготовления к тепловой сети определяются при проектировании системы вентиляции.
Автоматизация насосных смесительных узлов и водоподогревателей для вентиляционных установок аналогична автоматизации узлов присоединения систем отопления или ГВС с использованием электронных регуляторов температуры.
Узел присоединения системы ГВС (V). Вне зависимости от вида системы теплоснабжения (открытая или закрытая) приготовление горячей воды для хозяйственно-питьевых нужд рекомендуется осуществлять по закрытой схеме в пластинчатых водо-водяных подогревателях.
Смесительные узлы для приготовления горячей воды возможно сохранять только по обоснованному требованию теплоснабжающей организации при реконструкции существующих зданий в сложившейся открытой системе теплоснабжения.
При закрытой системе теплоснабжения нагрев водопроводной воды для ГВС производится, как правило, в скоростных водоподогревателях. В качестве водоподогревателей в современных системах ГВС рекомендуется использовать пластинчатые водоподогреватели. Для небольших зданий, а также в целях обеспечения гарантированного запаса горячей воды (по требованию заказчика) допускается применение емкостных водоподогревателей.
Скоростные водоподогреватели могут присоединяться к системе теплоснабжения по одноступенчатой параллельной или двухступенчатой смешанной схеме. При двухступенчатой схеме в холодный период года водопроводная вода сначала подогревается обратным теплоносителем после системы отопления в первой ступени, а затем доводится до требуемой температуры во второй ступени первичным теплоносителем из тепловой сети. В теплый период года водопроводная вода нагревается только за счет сетевого теплоносителя, который в это время проходит последовательно через обе ступени водоподогревателя.
Выбор одно- или двухступенчатой схемы производится в зависимости от соотношения максимальной тепловой нагрузки на систему ГВС к расчетной тепловой мощности системы отопления. Как требуют нормативные документы, при соотношении $Q_{ГВС} / Q_о$ в диапазоне свыше 0.2 или менее 1 водоподогреватели следует присоединять к тепловой сети по двухступенчатой схеме, а вне указанного диапазона — по одноступенчатой. Однако современные пластинчатые водоподогреватели, оборудованные надежной автоматикой, способны обеспечить эффективный нагрев воды без завышения температуры теплоносителя, возвращаемого в тепловую сеть, и при одноступенчатой схеме.
При открытой системе теплоснабжения производится подача воды в систему ГВС, в зависимости от требуемой ее температуры, в разной пропорции непосредственно из подающего и обратного трубопроводов тепловой сети.
В этом случае в качестве регулирующего устройства применяется проходной регулирующий клапан с различными электрическими приводами.
Для исключения несанкционированного перетекания теплоносителя из подающего трубопровода в обратный на последнем до точки смешения устанавливается обратный клапан.
В системах ГВС, как правило, предусматриваются циркуляция воды в трубопроводах и ее нагрев при отсутствии водопотребления с целью обеспечения требуемой температуры в любой момент времени у каждого водоразборного крана. В закрытой системе теплоснабжения циркуляция через трубопроводную систему ГВС и водоподогреватель производится с помощью насоса. При двухступенчатой схеме нагрева воды циркуляция осуществляется через вторую ступень водоподогревателя. Для циркуляции воды в контуре ГВС при открытой системе теплоснабжения также используется насос.
На циркуляционных стояках внутренней системы ГВС целесообразно устанавливать термостатические балансировочные клапаны типа МТСV (в пособии не представлены) или FJV, прекращающие циркуляцию в стояках при достаточной температуре в них горячей воды. При этом в целях экономии электроэнергии рекомендуется применять циркуляционный насос с регулируемым по напору приводом (частотным преобразователем).
Узел присоединения системы отопления (VI). В тепловом пункте здания присоединение системы водяного отопления к централизованным тепловым сетям может осуществляться по зависимой или независимой схемам. При зависимой схеме присоединения теплоноситель централизованных тепловых сетей используется непосредственно в системе отопления. При независимой схеме присоединения применяется теплообменник, разделяющий теплоносители системы отопления и тепловых сетей. Приоритетной является зависимая схема, как наиболее дешевая и простая в монтаже и эксплуатации. Независимая схема присоединения используется при недостаточном или высоком для эксплуатируемой системы отопления гидростатическом давлении на вводе тепловой сети в тепловой пункт здания.
Узел подпитки (VII). Замкнутые контуры независимо присоединенных к тепловой сети систем отопления и вентиляции необходимо оснащать узлом подпитки, устройства которого осуществляют гарантированное заполнение системы водой, поддержание давления, обеспечивающего не вскипание теплоносителя с температурой выше 100 °C, и компенсацию увеличения объема воды в результате ее нагрева.
Заполнение и подпитка систем теплопотребления должны осуществляется только подготовленным из обратного трубопровода тепловой сети. Подпитка водой из водопровода не допускается.
При давлении в обратном трубопроводе тепловой сети $P_2$, недостаточном для подпитки, в дополнении к электрическим устройствам требуется установка подпиточного насоса.
Предпочтение рекомендуется отдавать узлам подпитки с электрическими компонентами.
Управление электрическими устройствами узла подпитки следует предусматривать, как правило, от общего контроллера теплового пункта.
Гидравлические регуляторы могут применяться только в безнасосных узлах подпитки небольших тепловых пунктов индивидуальных жилых зданий или в крупных ЦТП с нагрузкой более 5 МВт.
Гидравлический регулятор, имея нормально открытый клапан, поддерживает требуемое давление в системе, закрывая подпитку при его повышении.
В целях компенсации теплового расширения воды в современных тепловых пунктах предусматривается установка, как правило, закрытых расширительных сосудов.
Их емкость подбирается в зависимости от расчетных параметров теплоносителя, объема и требуемого давления воды в системе теплопотребления по методикам заводовизготовителей сосудов.
Закрытые расширительные сосуды снижают риск аварийных протечек и потерь теплоносителя, исключают насыщение теплоносителя атмосферным кислородом.
В случаях, когда установка расширительных сосудов не представляется возможной (например, из-за их габаритов в системах большой мощности), но давление в обратном трубопроводе теплосети достаточно для осуществления подпитки без насосов, допускается применение узлов подпитки со сбросом теплоносителя из системы, при превышении его давления сверх заданного значения, назад в обратный трубопровод теплосети через нормально закрытый регулятор давления «до себя».
Данный способ защиты системы теплопотребления от недопустимых давлений может использоваться как при электрических подпиточных устройствах, так и при гидравлических регуляторах.
Исходными данными для выбора устройств узла подпитки являются:
