Теплоэнергоснабжение крупных многофункциональных комплексов

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы, вице-президент НП «АВОК»

Конечно, и энергоснабжение многофункциональных комплексов должно также отвечать наивысшим требованиям – быть бесперебойным и в каждый момент времени высокого качества. Одним из направлений, реализующих эту задачу, является резервирование источника теплоснабжения комплекса.

Однако распространенное решение о сооружении питания от двух вводов, подключенных к разным магистралям тепловой сети в условиях отсутствия возможности работы нескольких источников тепла на единую сеть города, не приведет к положительному результату.

Необходимо наряду с питанием от системы централизованного теплоснабжения создавать дублирующий источник энергоснабжения, но чтобы средства на его создание не оказывались замороженными, как, например, оборудование противопожарной защиты. Желательно, чтобы этот источник тепла находился в активном резерве, т. е. был бы востребован в базовом режиме работы. Таким источником могут быть газопоршневые или газотурбинные установки.

Наиболее эффективная работа таких машин достигается при постоянном режиме производства энергии на максимальной нагрузке. При этом при сжигании единицы топлива вырабатывается около 40 % электрической энергии и 60 % тепловой. В то же время энергопотребление жилых зданий устроено таким образом, что в отопительный период тепловая нагрузка на отопление и горячее водоснабжение превышает электрическую нагрузку, а в летнее время, наоборот, электрическая нагрузка выше тепловой, и, кроме того, она переменна в течение суток. В этих условиях необходимо иметь возможность передачи излишков тепловой или электрической энергии в городскую сеть, а из городской сети получить часть энергии для покрытия пиковой нагрузки. Подключение тепловых сетей автономного источника к распределительным городским сетям позволяет это выполнить.

Рисунок 1. (подробнее) Схема подключения автономного источника тепловой и электрической энергии для возможности работы в системе централизованного теплоснабжения

Принципиальная схема такого присоединения показана на рис. 1. Забор воды для нагрева в газопоршневой установке производится из обратного трубопровода распределительных тепловых сетей, затем нагретый теплоноситель пропускается по обычной схеме через водонагреватели отопления и горячего водоснабжения потребителя, для которого предназначена эта установка, и возвращается частично на подмес в обратный трубопровод и подающий трубопровод теплосети. Для осуществления такой циркуляции на обратном трубопроводе перед поршневой машиной устанавливается циркуляционный насос с напором, равным перепаду давлений между подающим и обратным трубопроводами плюс потери давления в тракте и регулирующем клапане К-3.

Идеальный режим работы, когда теплопроизводительность машины соответствует потребности водонагревателей отопления и горячего водоснабжения. Тогда клапан К-3 закрыт, осуществляется замкнутая циркуляция, и сброс тепла в распределительную теплосеть отсутствует. В зимнее время производительности машины может быть недостаточно и необходимо часть тепла забирать из подающего трубопровода – для этого предусмотрена перемычка с клапаном К-4 под клапан К-2 по ходу воды, параллельно закрытому в этот период клапану К-3.

Предусматривается следующий алгоритм автоматизации схемы: когда клапан регулятора отопления полностью открыт, а температура, фиксируемая датчиком на подающем трубопроводе местной системы, недостаточна, по сигналу от конечного выключателя клапана К-2 начинает открываться клапан К-4, пропуская часть теплоносителя из подающего трубопровода теплосети и поддерживая ту же температуру по заданному графику. Как только клапан закроется, по сигналу от его конечного выключателя регулирование температуры в системе отопления переключается на клапан К-2. Прикрытие клапана К-2 означает переизбыток тепла, и одновременно с закрытием клапана К-2 открывается клапан К-3, и часть тепла сбрасывается в подающий трубопровод распределительных сетей. В летнее время клапан К-2 отопления полностью закрыт. Работает только горячее водоснабжение, но поскольку количество тепла, вырабатываемого машиной, избыточно, клапан К-3 продолжает быть открытым, а клапан К-1, работающий на большем перепаде давлений, так как теплоноситель сбрасывается в обратный трубопровод, а не в подающий, как происходит с клапаном К-3, продолжает обеспечивать заданную температуру в системе горячего водоснабжения.

Для обеспечения максимальной загрузки машин можно было бы излишнюю электрическую энергию направить на компенсацию недостающего тепла для нагрева воды в системе горячего водоснабжения, установив тены в баках-аккумуляторах. В этом случае автоматически сократилась бы подача тепла на нагрев горячей воды в той мере, в какой поступит электрическая энергия на эти же цели, вплоть до полного отключения тепла на нужды горячего водоснабжения. Подбор мощности устанавливаемых газопоршневых машин выполняется, исходя только из нагрузки на отопление, но не максимально часовой, а средней за двое самых холодных суток из обычно выбираемой расчетной пятидневки.

Рисунок 2. (подробнее) Схема подключения 100-этажного дома (4 зоны по 25 эт.) к централизованному теплоснабжению (автоматика и подпитка не показаны)

Как правило, крупные многофункциональные комплексы являются одновременно и высотными зданиями, а это предъявляет дополнительные требования. Во-первых, при теплоснабжении высотных зданий сложной проблемой является подача горячей воды в качестве энергоносителя для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения на высоту выше 100 м, так как в трубопроводах возникает давление более 10–12 атм., что потребует применения дорогих высокопрочных труб, притом крупного диаметра, чтобы обеспечить нагрузку большого количества этажей. Во-вторых, вертикальные коммуникации, включая и инженерные системы, в высотных зданиях занимают настолько большое место по сравнению с обычными зданиями, что при высоте более 250–300 м строительство их не оправдано и становится только вопросом престижа.

Для исключения высокого давления в местных системах отопления и горячего водоснабжения в высотных зданиях их зонируют по высоте в пределах 20–25 этажей, и тогда в них сохраняется давление менее 8–10 атм., но вопросы раздачи теплоносителя по зонам остаются.

В качестве энергоносителей, не создающих больших давлений на стенки трубопроводов, или каналов, по которым они перемещаются, могут рассматриваться горячий воздух, пар с зонированием слива конденсата в баки, сообщающиеся с атмосферой, газ и электроэнергия. В этом случае установки, приготавливающие перечисленные энергоносители, могут быть размещены на земле.

Исходя из требований минимизации площади, занимаемой каналами, горячий воздух как энергоноситель отпадает. Газ мог бы использоваться для приготовления горячей воды при сжигании его в котле, если бы высотное здание проектировалось с уступами (например, как самое высокое здание в Америке – Сиерс в Чикаго) через 25–30 этажей, на крыше которых располагались бы котельные, обслуживающие автономные для каждой зоны системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Использовать одну, установленную на крыше верхнего этажа, котельную можно только на те же 25–30 верхних этажей во избежание увеличения давления на трубопроводы систем нижних этажей.

При подключении высотного здания к централизованному теплоснабжению либо к автономным источникам, расположенным на земле и вырабатывающим энергоноситель в виде перегретой воды, во избежание повышенных давлений в трубопроводах следует применять каскадную схему подключения зональных теплообменников отопления и ГВС. Одна группа теплообменников будет обеспечивать системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения первой зоны, нагревая воду, циркулирующую в этих системах, до нужных параметров. А другая – нагревать воду, подаваемую в следующую по высоте зону с параметрами на 5–10 °C ниже, чем были в первом контуре циркуляции, и которая также будет распределяться на две группы теплообменников, если выше есть следующие зоны этажей (рис. 2). В этом случае давление в контурах циркуляции греющей воды будет определяться только высотой своей зоны. Подпитка, как обычно, производится из обратного трубопровода греющей воды насосом в обратный трубопровод нагреваемой. Обратный клапан предотвращает наращивание статического давления. Для полного разделения контуров циркуляции подпитка может осуществляться через бак, соединенный с атмосферой.

Появление двух дополнительных последовательно установленных теплообменников во 2-й и 3-й зонах, по сравнению со схемой с одним теплообменником или группой параллельно установленных на земле, от которых греющий теплоноситель распределяется на 2-ю, 3-ю и 4-ю зоны под давлением 30–35 атм., оправдывается применением обычных трубопроводов в предлагаемом решении и меньшей аварийной опасностью.