Источники теплоты автономных систем теплоснабжения

0
131

На сегодняшний день 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. Значительному расширению сферы
применения децентрализованного теплоснабжения также содействует рост
количества нетиповых объектов, возводимых как в коттеджной, так и в
городской застройке, где довольно часто возникают проблемы получения
лимитов на отпуск тепловой энергии, возникающие благодаря нехватке
имеющихся мощностей централизованных источников и тепловых сетей.

Данная устойчивая тенденция резкого увеличения числа
крышных, встроенных, пристраиваемых и отдельно стоящих автономных
котельных, которые обеспечивают 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 весьма сложный комплекс функционально взаимосвязанного
оборудования, включающего автономную теплогенерирующую установку и
инженерные системы здания (горячее водоснабжение, системы отопления
различного назначения и вентиляции). Существует ряд требования,
предъявляемый 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 несколько особенностей первоначальных 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. Вышеописанные технические
решения проблем 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 наиболее 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 данного свода правил 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 секторе
жилищно-коммунального хозяйства имеют долгую историю развития как в
малоэтажной застройке, так и в многоэтажных зданиях. Первыми
теплогенераторами были водогрейные колонки. Но уже вначале их
использования они имели различную конструкцию в зависимости от вида
используемого топлива (дровяные и газовые). В настоящее время широко
используются в газифицированных районах городской застройки газовые
водогрейные колонки — термоблоки — как элемент единой системы
теплоснабжения (при централизованном отоплении). 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 в том случае, если
будете использовать 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
достаточно дорогостоящим и проблематичным в комплексе технически
наиболее сложных и трудоемких процессов топливоподачи и золоудаления с
учетом необходимости обслуживания нескольких очагов горения.

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

I.1. Проточные теплогенераторы


Одной из важнейших особенностей проточных автономных
теплогенераторов является форсированный гидравлический режим водяного
контура с движением теплоносителя со скоростью более 1,5 м/с. Данные
гидравлические режимы работы теплогенератора реализуются благодаря
существенному уменьшению (по сравнению с емкостными теплогенераторами)
объему теплоносителя в нем до 0,025-0,035 дм3 на 1 кВт
теплопроизводительности. Небольшие объемы теплоносителя значительно
улучшают динамические характеристики теплогенератора, обеспечивая при
этом 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. Большинство
конструкций проточных теплогенераторов для теплообменников используют
медь или нержавеющую сталь.

Проточные теплогенераторы имеют, по сравнению с остальными,
высокое гидравлическое сопротивление, но 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).

Если рассматривать технические решения схемы гидравлической
обвязки проточного теплогенератора, то важно обеспечить защиту
теплообменника от низких температур теплоносителя на входе и, как
следствие, возникновение внутренних механических напряжений в элементах
конструкции теплообменника, а также, по возможности, 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 того,
чтобы исключить такие режимы работы необходимо обеспечить температуру
поступающей в теплогенератор воды не ниже 40°C за счет рециркуляции
горячей воды, соответствующей обвязки трубопроводами баков-накопителей
или подбора поверхности теплообменников. Рассматриваемая нами
простейшая схема горячего водоснабжения от проточного водонагревателя,
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.

Были случаи, когда решающим фактором при выборе схемы
горячего водоснабжения является возможность регулирования мощности
горелочного устройства и, соответственно, теплогенератора. При
использовании позиционного регулирования мощности проточного
теплогенератора (Q/Qн=0-1 или Q/Qн=0-0,5-1) использование схемы
горячего водоснабжения без накопительной емкости требует установки
специального оборудования, подбираемого по максимальному «пиковому»
теплопотреблению в системе, что в совокупности приводит к существенным
колебаниям температуры подаваемой воды. Именно поэтому во время
использования теплогенераторов с позиционным регулированием мощности
следует отдавать предпочтение схемам аккумуляцией горячей воды, для
которых номинальная мощность теплогенератора подбирается с учетом
емкости бака-накопителя (емкостного водонагревателя) по величине
среднечасовой за сутки нагрузки горячего водоснабжения.

При использовании проточных теплогенераторов, оснащенных
модулируемыми горелочными устройствами с хорошей глубиной регулирования
(Q/Qн=0,2-1,0), обеспечивает стабильные технические и эксплуатационные
показатели работы системы горячего водоснабжения без применения
накопительных емкостей.

Также нужно заметить, что совершенно недопустимо применение
в системе горячего водоснабжения оцинкованных стальных труб с
теплогенераторами, оснащенными медными теплообменниками.

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


I.2. Емкостные теплогенераторы


При использовании емкостных теплогенераторов выевляются
особенности работы проточных теплогенераторов в тех случаях, когда
объем воды в емкостном теплогенераторе менее 5 дм3 на 1 кВт мощности.

Для емкостных теплогенераторов систем горячего водоснабжения
и для вторичных контуров схем с независимым подключением проточных
теплогенераторов необходимо учитывать несколько значительных деталей:

  • 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 помнить, что схемы с емкостными
теплогенераторми обладают значительной тепловой инерцией в периоды
запуска и больших водоразборов и могут приводить к существенным
колебаниям температуры воды у потребителя.

Во время обоснования 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). Во время применения схем без
баков — аккумуляторов горячей воды суммарная мощность устанавливаемых
теплогенераторов подбирается по наибольшему «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 Gi — расход горячей воды за i-й час.

Во
всех рассмотренных нами случаях использования двух и более котельных
агрегатов для работы в системе горячего водоснабжения рекомендуется
производить обвязку теплогенераторов по приведенным схемам с
индивидуальными для каждого теплогенератора питательными насосами и
запорно-регулирующей арматурой.

Если же Вы используете каскадное регулирование мощности
параллельно включенных теплогенераторов для исключения перетока
холодной воды в режимах работы одного теплогенератора, рекомендуется
устанавливать клапан «отсечки» потока.


1.3. Пример расчета


Для наглядного примера
приведены результаты расчета схемы горячего водоснабжения с
непосредственным водоразбором от проточного теплогенератора.

Тепловая мощность установки рассчитывалась по наибольшему
«пиковому» расходу теплоты на горячее водоснабжение /СП 41-104-2000 п.
3.13 г./. К установке принят проточный водогрейный котел с модулируемой
горелкой, номинальной теплопроизводительностью =558 кВт. Расход
теплоносителя через котел согласно паспортным данным Gк=47 м3/ч=13,06
кг/с, гидравлическое сопротивление котла DPк=46 кПа.

Тепловая схема рассчитывалась следующим образом для четырех характерных режимов:

  • зимний с максимальной нагрузкой Qmaxгв =540 кВт;
  • зимний со среднечасовой нагрузкой горячего водоснабжения Qгвср=225 кВт;
  • зимняя с частичной нагрузкой Qгв=0,5 Qгвср=112,5 кВт;
  • летняя с максимальной нагрузкой Qmaxгв =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
Qmaxгв =2,4 Qгвср кВт.

Расход воды в циркуляционном трубопроводе принимали Gц=0,1 Gгвср.

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

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.