Особенности центрального отопления

Опыт итальянских специалистов

M. Gozzi

Системы центрального отопления в Италии характеризуются сегодня достаточно высоким качеством, как монтажа, так и во время эксплуатации – имеется в виду сохранение рабочих характеристик в течение продолжительного времени. В последнее время системы центрального отопления используются более интенсивно, что, хотя и косвенно, но подтверждает высокий уровень предлагаемых ноу-хау, имеющихся навыков и опыта проектирования и расчета, а также технико-экономического анализа. Объемы подключенных в Италии пользователей городских отопительных сетей в абсолютном исчислении в 2003 году (последние данные, имеющиеся у Итальянской Ассоциации Городского Отопления – AIRU) по сравнению с предыдущим годом увеличились. К теплопользованию подключилось 7,8 млн. м³ жилого фонда, при этом рост составил 5,9 %. Рост отапливаемых объемов отдельных эксплуатирующихся сетей подтверждает тенденцию, наметившуюся еще в 2001 году, более или менее равномерного роста на значительной территории.

Хотя прокладка централизованных сетей иногда в определенной степени нарушает сложившуюся городскую среду, тем не менее, такое решение вполне можно считать оптимальным, как для отдельных пользователей, так и для общества в целом. Ведь их использование сопровождается выделением небольшого количества вредных веществ, характеризуется экономным расходом топлива и т. д. Централизованное или удаленное отопление, по сути, представляет собой доставку тепла, в том числе на большие расстояния, с наибольшей энергетической эффективностью и оптимальной инженерной экономичностью. Технология использования для теплопровода труб с готовой заводской теплоизоляцией давно и успешно развивается в направлении оптимизации проектирования и сокращения затрат на прокладку сетей. Правда, прокладка трубопроводов центрального отопления требует проведения земляных и других сопутствующих работ, зачастую весьма значительных объемов (рис.1).

Рисунок 1. Фрагмент прокладки трубопроводов центрального отопления в грунте

При этом грамотная организация работы строительной площадки может существенно снизить дискомфорт для жителей микрорайона.

Основным по значимости для разработчиков остается выбор трубопровода и комплектующих, поскольку чаще всего они и определяют общую стоимость проекта. Сети распределения тепла применяются для доставки горячей или перегретой воды в замкнутом контуре между теплостанцией, производящей тепло, и пользовательскими подстанциями. Трубы теплопровода укладываются в траншеи, специально вскрываемые на территории, нуждающейся в отоплении, или реже в существующие галереи вместе с другими городскими коммуникациями общего пользования (газ, телефон и др.).

Сейчас для теплопроводов в массовом порядке применяются трубы с готовой заводской теплоизоляцией, что позволяет построить практически «готовую к употреблению» теплосеть и сэкономить немалые средства на проведении теплоизоляции в монтажных условиях, т. е. непосредственно в ходе укладки теплопровода.

Параметры и качество теплопровода должны соответствовать как итальянским стандартам качества, так и предусмотренным в международных регламентах. Для устройства систем центрального отопления городского типа используются электросварные и редко цельнотянутые стальные трубы длиной 6–12 м.

Трубы (трубопровод в целом) теплоизолируется с использованием жесткой полиуретановой пены, образующейся в результате химической реакции между изоцианатом и полиолом с определенными добавками (в разное время использовались различные вспучиватели, сейчас, по итогам новейших исследований, на первый план вышел пентан). Адгезия изоляционного материала к стальному трубопроводу должна быть больше или равной значению сопротивления разрыву полиуретана. Теплоизоляция покрывается сверху защитной оболочкой из полиэтилена высокой плотности, который обеспечивает непроницаемость для внутреннего газа полиуретана, чтобы значения теплопроводности со временем не ухудшались. Полиэтилен, как правило, обладает хорошей стойкостью к химическому воздействию кислот, основ и растворителей, т. к. содержит антиоксиданты, стабилизаторы ультрафиолетовых лучей и пигменты в строго необходимых количествах.

Места врезки отводов и особые участки трубопровода, такие как отрезки с уменьшением сечения или ответвления, должны быть рассчитаны на нагрузки, соответствующие экстремальным условиям. Отрезки труб, требующиеся для прокладки особых участков, выполняемые как из цельнотянутых труб, так и из труб с продольным сварным швом должны рассчитываться на те же параметры, что и основной трубопровод. Чаще всего отводы поставляются с готовой теплоизоляцией. В отдельных случаях для особых участков сетей заказываются отводы без теплоизоляции с комплектом материалов для выполнения теплоизоляции и внешней защиты непосредственно на месте укладки, при этом такая теплоизоляция должна иметь характеристики, аналогичные заводской.

Кроме того, при необходимости на укладке может использоваться отрезной ствол трубопровода или т. н. «клапанный приемник» со специальной опорной рамой, привариваемый к основной рабочей трубе и позволяющий организовать магистральные ответвления. В комплект поставки входят, как правило, диэлектрические муфты в сборе монолитного типа, необходимые для обеспечения электроизоляции трубопровода и защиты его от коррозии блуждающими токами.

Рисунок 2. Прокладка трубопроводов центрального отопления совместно с другими коммуникациями

Заглубляемые диэлектрические муфты теплоизолируются непосредственно в процессе прокладки трубопровода материалами, аналогичными описанным выше и применяемым для самого трубопровода. В зависимости от конкретных условий и требований проект может предусматривать применение компенсационных соединений одноразового использования. Такие соединения рассчитываются на то, чтобы компенсировать удлинение, которое дает первый нагрев конкретного участка трубопровода, после чего оно блокируется сваркой по всей окружности внешнего телескопического покрытия. В результате такой операции при последующем охлаждении на трубе создается напряжение. Механические параметры материалов компенсационного соединения в окончательном виде после сварки не должны быть хуже, чем аналогичные параметры трубы, на которой оно установлено. Теплоизоляция компенсационного соединения выполняется после сварки внешнего телескопического покрытия. Данный вид компенсационного соединения – один из возможных. Существуют и другие. В любом случае, по возможности, рекомендуется применять метод так называемой естественной компенсации, т. е. использовать для температурной компенсации естественные различно ориентированные участки сети. В точках изменения направления и ответвлений основной сети, а также там, где вероятно самопроизвольное смещение трубы вследствие температурного расширения, рядом с теплоизолированной трубой укладываются специальные защитные матрасы из эластичного материала, демпфирующие давление труб и предотвращающие разрушение теплоизоляции. Матрасы для компенсации тепловых деформаций изготавливаются из пены каких-либо полимеров с низкой плотностью.

В местах сквозного прохождения стеновых или железобетонных перегородок по всей окружности защитной оболочки трубы устанавливается герметизирующая прокладка, назначение которой – предотвратить попадание внутрь влаги, песка и земли. Стеновые уплотнители, которые можно замуровывать (цементировать), должны обеспечивать одновременно абсолютную водонепроницаемость, как в направлении стены, так и в направлении теплоизоляционной защиты трубы, а также возможность ее осевого перемещения. Для герметизации концевых участков теплоизоляции устанавливаются водонепроницаемые («water-stop») чехлы, которые предотвращают попадание влаги в полиуретановую пену. Такие чехлы обязательно применяются там, где из-за естественного разрыва в защитной полиэтиленовой оболочке открывается полиуретановая теплоизоляция (подводка магистральной трубы к подстанции, туннелям и галереям, отвод из теплостанции и пр.).

Существуют системы обнаружения и локализации повреждений, задача которых – определить наличие влаги в теплоизоляции стального трубопровода. В основе системы лежит принцип полного сопротивления или электрического активного сопротивления, для чего по всей длине магистрали распределяются контрольные станции, секционные клеммные и уличные коробки. Система слежения обеспечивает непрерывный контроль распределительной сети и немедленно генерирует акустический и визуальный аварийный сигнал в случае, если обнаружит, что в теплоизоляцию трубопровода проникла влага – либо по причине протечки самого трубопровода, либо из-за нарушения герметичности внешней влагозащитной оболочки. Кроме того, система подает аварийный сигнал при случайном разрыве кабеля или при нарушениях в работе электрического контура (например, прекращении электропитания системы).

Рисунок 3. Фрагмент трубы с заводской теплоизоляцией

Для сетей с максимальной рабочей температурой 90 °С могут применяться готовые теплоизолированные трубы из PEX (армированный полиэтилен). Трубы поставляются намотанными на катушки, имеют большую длину и являются достаточно гибкими. За счет их самокомпенсирующей способности удается даже при прокладке на большие расстояния не использовать специальные компенсаторы, а на отдельных трассах обходиться без готовых теплоизолированных отводов. При использовании таких полиэтиленовых труб не требуется проведение сварочных работ. К тому же они могут поставляться как в однотрубном, так и в двухтрубном исполнении – одна или две трубы в одной защитной оболочке. Теплораспределительная сеть подразделяется на первичную (обеспечивает доставку и распределение жидкости теплоносителя от теплостанции к пользовательским участкам) и вторичную (охватывает участки теплопровода от первичной сети до входа в здания подстанций). Критерии, определяющие конфигурацию сети централизованного отопления, обусловлены целым рядом различных обстоятельств, как в области сбытовой политики компании – производителя тепла, так и чисто техническими соображениями. В коммерческом плане все оценки зиждутся на показателях доходности инвестиций, иначе говоря, оптимизации соотношения между стоимостью распределительной сети и объемами тепла, продающегося конечным пользователям. К техническим соображениям, в первую очередь, следует отнести тщательный анализ имеющихся свободных мощностей на теплой станции (комбинированное производство электроэнергии и тепла – т. н. «теплофикация»), а также предварительный расчет критических участков проектируемой сети. Результатом предварительного расчета должен являться ориентировочный план прокладки теплосети, включая магистральную часть, ответвления на подстанции и концевые подводящие участки. Заказчик должен представить подрядчику предварительный проект сети, в котором должна быть показана общая трасса прокладки, после чего проект необходимо согласовать и утвердить в местных органах надзора за подземными коммуникациями. Затем проект подлежит детальной проработке в границах подключения к питающим мощностям на участке, где предусмотрена прокладка сети (т. н. «пользовательском бассейне»). Для уточнения расположения подземных сооружений и коммуникаций проводится выезд на местность с осмотром и проверкой водосточных колодцев и забором проб (выемка грунта и колонковое бурение).

Детальный рабочий проект сети предусматривает подготовку определенной проектной документации:

– исполнительный производственный план-график с поэтапной разбивкой работ;

– расчет напряжений («stress-analysis») и компенсационных усилий теплопровода и его компонентов на всем протяжении с использованием специальных программ.

Результаты расчетов передаются на утверждение заказчику (сами программы также должны утверждаться заказчиком). После согласования расчета напряжений теплопровода авторы проекта составляют производственный план с чертежами деталировкитемпературных компенсаций всех видов (L, Z, W, а также одноразового использования).

Решение вопроса механических характеристик теплопровода и его компонентов в значительной степени определяет общую стоимость проекта. Выше были указаны общие критерии расчета параметров трубопровода, его магистральной части и возможных ответвлений. Теперь рассмотрим критерии расчета механических параметров теплораспределительной сети. Расчетное нагружение соответствует фактической нагрузке на сеть в условиях наибольшего номинального давления (как правило, 16 МПа) при самой низкой или самой высокой температуре. Можно также использовать метод контроля нагрузки с первоначально не нагруженным теплопроводом, когда для ограничения нагрузки на горячей магистрали выполняется предварительное напряжение сети путем монтажа упоминавшихся выше одноразовых расширительных соединений. Расчет производится в условиях наибольшего нагружения горячего теплопровода при температуре 130 °С (вариант доставки перегретой воды) с учетом всех нагрузок: наибольшего номинального давления 16 МПа, силы и момента от внешних нагрузок и тепловых деформаций при наличии трения о грунт и напряжения в соединительных узлах. Для труб большого диаметра рекомендуется использовать материалы улучшенного качества, это дает проектировщику большую свободу и гибкость в реализации его замысла. Аналогичным образом в целях обеспечения качества надзорные органы требуют иногда, чтобы на специальных участках, таких, как подводящие отрезки (ТЕЕ), использовались цельнотянутые трубы, поскольку это позволяет обойтись без сварки под излишним напряжением. Кроме того, толщина трубы в этом случае больше. На теплопроводах небольшого диаметра допускается использование электросварных труб при условии предварительной проверки прочности конкретного отрезка. Блок с задвижками должен быть рассчитан на наибольшее допустимое для теплопровода воздействие, чтобы задвижки можно было монтировать, в том числе на наиболее нагруженных участках трубопровода. Небольшие изменения направления трубопровода могут выполняться простым смещением направления каждого очередного отрезка при условии, что углы между осями будут не более 2 °. Угол смещения может быть и больше, если на трубопроводе отсутствует нагружение, но целесообразность такого решения определяется в каждом отдельном случае.

Рисунок 4. Прокладка трубопровода центрального отопления в горных условиях

Для предотвращения разрушения теплопровода вследствие воздействия со стороны дорожного полотна установлено его минимальное заглубление – 70 см от верха трубы. Если глубина заложения меньше, трубопровод надлежит защитить железобетонным покрытием с электросварной арматурой или защитной оболочкой. Каждый участок сети должен иметь обратный уклон не менее 1 в точках, где нет дрен и воздухоотводчиков. Последние должны предусматриваться соответственно в самых низких и самых высоких точках сети с учетом необходимости удаления значительного объема воздуха при заполнении теплопровода.

По окончании строительных работ исполнитель передает всю рабочую строительную документацию вместе с картами и чертежами отопительной сети в виде «как проложена» («as built»):

– рекогносцировочная карта теплопровода с соответствующей привязкой на местности;

– точное местоположение специального сетевого оборудования (вентили, ТЕЕ, отводы, соединения и пр.) и имеющиеся железобетонные сооружения (задвижки, коверы, колодцы удаленного управления и пр.).

Трубы с готовой заводской теплоизоляцией выпускаются специально для того, чтобы их можно было сразу укладывать непосредственно в траншею.

Конфигурация траншеи и порядок укладки описаны в соответствующих строительных регламентах. Непосредственно перед укладкой в траншею трубу следует тщательно осмотреть, особенно концевые части и теплоизоляцию, чтобы удостовериться в отсутствии разрушений или повреждений, которые могут быть результатом неправильной транспортировки, погрузки и выгрузки. Рекомендуется также, чтобы оба контура отопительной сети (подающая магистраль и обратная магистраль) укладывались на одной глубине, это значительно облегчит монтаж подключающих блоков. Категорически запрещается укладывать теплопровод в траншею на камень или другой материал, который может разрушить наружную оболочку тру бы. Дно траншеи разравнивается и нивелируется, трубы укладываются на песчаную подушку. В целях предотвращения разрушения трубопровода в результате других работ, которые могут выполняться вблизи тепловой сети, регламентом предусмотрена укладка поверх засыпаемого в траншею песка двух контрольных пластмассовых полос и защитной пластмассовой сетки. Нередко бывает, что сбоку от траншеи места хватает только на пару поперечин, и в этом случае трубы кладутся на подходящую опору вне траншеи, свариваются, на соединение наносится теплоизоляция, после чего участок со всеми мерами предосторожности укладывается в траншею. Траншея должна быть просторной, чтобы у рабочих было достаточно места для перемещения и выполнения работ. Отрезки, подготовленные для сварки, обычно укладывают на джутовые мешки с песком.

Траншеи засыпаются отрытым грунтом либо смесью щебня и песка в зависимости от особенностей местности. В случае, если засыпка производится отрытым грунтом, для участков непосредственно вокруг теплопровода, кабеля либо сетевого оборудования на толщину не менее 20 см грунт проходит специальный отбор на предмет отсеивания камней и обломков породы с острыми краями. Не рекомендуется на асфальтированных участках применять для засыпки глинистые грунты, органику, а также любые другие грунты, которые по мере поглощения влаги размягчаются или вспучиваются, что может привести к осадке либо выталкиванию конструкций. Засыпка грунта должна производиться правильными горизонтальными слоями по 30–50 см, каждый слой утрамбовывается, в том числе с применением вибротрамбовочных плит, обеспечивающих необходимое уплотнение.

Применение воды для смачивания и увлажнения материала оставляется целиком на усмотрение исполнителя работ. Основное требование – не повредить при этом имеющиеся в траншее другие коммуникации, а также не допустить просачивания влаги в конструкции близстоящих сооружений. В ходе засыпки выбранного грунта вблизи сооружений и коммуникаций следует принять все меры, чтобы не нанести вред окружающим объектам. Засыпка грунта в непосредственной близи от зданий производится только тогда, когда раствор или бетонная смесь достаточно отвердеют. Во всех случаях, когда невозможна укладка теплопровода в траншеи открытым способом, работы проводятся с использованием прокола. Если для укладки применяется специальный труботолкатель, допустимый внешний диаметр оболочки теплопровода составляет 100–2000 мм (регламент UNI ISO 4200). Основные требования при этом:

– глубина заложения, измеренная от внешней образующей свода трубы до дорожного полотна, не должна быть меньше 2 м;

– для монтажа установки для проталкивания требуется выработка размерами не менее 5 х 8 м.

При использовании прессового бура допустимый внешний диаметр оболочки теплопровода составляет 300–1200 мм (регламент UNI ISO 4200). Основные требования при этом:

– глубина заложения, измеренная от внешней образующей свода трубы до дорожного полотна, не должна быть меньше 2,6 м;

– для монтажа прессобуровой установки требуется выработка, имеющая размеры не менее 6,5–6,7 м в глубину и 3,0–3,5 м в ширину;

– поверхностная обработка стальной оболочки – пескоструйная очистка по металлу.

Для упора используется стальная конструкция, укрепленная, при необходимости, железобетонными стенками.

При пересечении дорожных или железнодорожных путей значительной ширины, а также при наличии других коммуникаций в непосредственной близи от теплопроводапрокладка должна осуществляться с минимальным боковым смещением. При прокладке под железнодорожной или трамвайной линией трубопровод необходимо защитить от блуждающих токов. Для этого используются трубы с заводским покрытием специальными термоотверждаемыми смолами холодного нанесения (непосредственно на объекте обрабатываются только сварные швы). Логика функционирования распределительной сети централизованного отопления заключается в том, что расход теплоносителя варьируется, а температура теплоносителя на выходе с теплостанции остается неизменной. В основе такой логики лежат колебания перепадов давления подающего и обратного контуров (сигнал Δр), замеренного в определенной точке централизованной отопительной сети (как правило, давление замеряется на участке от входа до выхода теплообменников наиболее удаленной подстанции).

Рисунок 5. Выполнение сварных соединений перед муфелизацией (нанесением теплоизоляции и внешней защитной оболочки)

Сигнал колебания Δр позволяет регулировать мощность насосной станции посредством ряда параллельных насосов. Сигнал передается по рабочему волоконно-оптическому кабелю, укладываемому одновременно с отопительным теплопроводом. Для этого применяются специальные кабельные «трехтрубные» короба, обладающие достаточной механической жесткостью.

Отдельного разговора заслуживает проблема требований к качеству работ. Визуальному осмотру подлежат все сварные швы, причем не только по завершении сварки, но и непосредственно в ходе ее.

Наблюдение ведется также в ходе следующих операций:

– отрезка и подготовка концевых участков труб к стыковой сварке;

– зачистка концевых участков перед сваркой;

– первый сварочный проход и глубина провара;

– последующие проходы.

При помощи такого визуального контроля устанавливается соответствие качества работы требованиям регламентов ISO/DIN.

Для неразрушающего контроля при проверке качества сварки стальных магистральных труб используются рентгенография, ультразвук и сигнальные жидкости.

Примерные объемы мероприятий:

– для первичного контура (DN 300 и DN 500): 100 % сварки (100 % каждой отдельной сварки и всех

сварочных работ) радиографией и 10 % всех швов сигнальной жидкостью;

– вторичный контур (DN 200 и меньшие диаметры): 40 % всей сварки ультразвуком и 10 % сигнальной жидкостью;

– теплопровод с готовой заводской теплоизоляцией, а также участки, изолировавшиеся непосредственно в ходе укладки (пользовательские подключения, дрены и воздухоотводчики): 100 % всей сварки сигнальной жидкостью.

Рекомендуется все результаты проверок заносить в протокол, а на карте теплосети в соответствующей точке отображать вид и регистрационный номер каждой проведенной проверки. Те же данные специальной краской рекомендуется наносить непосредственно на теплопровод. Эту операцию целесообразно выполнять параллельно с проверкой. При необходимости проведения 100 % радиографического контроля каждой отдельной сварки и всех сварочных работ традиционную предварительную гидравлическую проверку труб можно не проводить. Либо придется провести полный гидравлический контроль смонтированного теплопровода (с заводской и строительной теплоизоляцией) по окончании работ. По окончании работ и необходимых испытаний подрядчик проводит промывку теплопровода обычной водой. Поэтому для такой воды необходимо предусмотреть специальные сливные колодцы.

Станциями централизованного отопления считаются крупные теплостанции, находящиеся в ведении муниципальных коммунальных предприятий, обеспечивающие теплом городские населенные пункты, а также малые теплостанции, эксплуатируемые в отдельных жилых районах и обслуживающие несколько жилых домов (до нескольких десятков).

На каждоежилое здание приходится, как правило, одна подстанция, обеспечивающая теплообмен между магистральным теплопроводом (первичный контур) и внутренней распределительной сетью (вторичный контур). Чаще всего районная сеть распределяет перегретую воду (до 130 °С) или даже готовую горячую воду, что существенно упрощает нормативно-правовую базу. В последние годы в жилищно-коммунальном хозяйстве страны наметилась тенденция к поиску инженерных решений, соответствующих требованиям централизованных отопительных сетей. Одновременно были систематизированы данные о существующих в Италии централизованных отопительных сетях, некоторые из которых эксплуатируются уже не один десяток лет. К примеру, выяснилось, что значение пользовательской тепловой нагрузки порядка 20 Вт/м³ отапливаемого объема (или, иначе говоря, удельная тепловая мощность, потребляемая в среднем одной единицей жилья) есть реальный расчетный параметр, подтверждаемый практическим опытом (среднее значение по Паданской равнине). Излишне осторожные в прошлом оценки, закладывавшие избыточный запас (до 40 Вт/м³ удельной мощности) были причиной сильно завышенных плановых данных. Следствием таких завышенных ожиданий стали избыточные программы капиталовложений в машины, оборудование, распределительные сети и объемы производства тепла, зачастую требовавшие «явочного» расширения пользовательской базы, далеко не всегда возможного в силу определенного естественного распыления последней. Рассчитанное таким образом значение тепловой нагрузки необходимо было скорректировать с учетом общих потерь тепловой мощности в сети. Отсюда выводится значение тепловой нагрузки на выходе с теплостанции, т. е. фактическая величина тепла, забираемого с производящей станции. И величина эта, полученная на основе критического анализа реальных расходных параметров эксплуатирующихся сетей, не превысила 23–27 Вт/м³. Следует при этом отметить, что данное значение определено с учетом фактора одновременности, т. е. переменной числовой величины в диапазоне от 0,7 до 1, являющейся функцией сдвига временной фазы пользовательского спроса на тепло (в силу определенного расстояния от теплостанции до пользовательских терминалов и собственно сдвига спроса по фазе).

В заключение следует отметить, что надежность и функциональная гибкость трубопровода с готовой заводской теплоизоляцией для доставки тепла ни у кого уже не вызывают сомнений. Дальнейшее совершенствование технологий позволит сократить сроки монтажа конструкций, а также найти недорогие решения для особых случаев. Экономичность данной технологии со временем становится все более очевидной. Подтверждением тому служит рост числа вводимых в эксплуатацию сетей, а также тот факт, что при необходимости замены поврежденных или отслуживших свой ресурс тепловых сетей предпочтение все чаще отдается такому теплопроводу.

Перепечатано с сокращениями из журнала Costruire Impianti № 9/2005.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Техническое редактирование канд. техн. наук А. А. Отставнова.