Особенности проектирования и эксплуатации систем теплоснабжения многофункциональных высотных комплексов

А. Н. Колубков, директор проектно-производственной фирмы «Александр Колубков», главный инженер проекта;

С. Г. Никитин, главный специалист;

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ

Система аварийного горячего водоснабжения (АГВС)

Системы аварийного горячего водоснабжения на основе электрических накопительных водонагревателей (емкостных электробойлеров) во время отключений теплоснабжающей организацией своих магистралей на плановые профилактические работы позволяют обеспечивать горячей водой жителей рассматриваемых высотных комплексов. Все водонагреватели присоединены к повысительным насосным станциям горячего водоснабжения.

Объем водонагревателей системы АГВС подбирается из расчета полуторачасового пикового расхода горячей воды. Опыт эксплуатации показал, что это именно тот объем, который необходим для поддержания температуры горячей воды в пределах 50–55 °С. Мощность нагревательного элемента подбирается таким образом, чтобы время нагрева данного объема воды составляло 8 ч, поскольку пиковые расходы характерны для утреннего (время ухода на работу) и вечернего (время возвращения с работы) времени суток, и промежуток между данными моментами времени составляет минимум 8 ч.

Небольшой минус данной системы состоит в том, что, как правило, бойлеры этих систем рассчитаны на давление 7 бар. Это одна из причин перехода на трехзонную систему горячего водоснабжения с одним теплообменником.

Еще один нюанс, который необходимо учитывать при проектировании и, самое главное, при монтаже системы аварийного горячего водоснабжения – это включение накопительных водонагревателей по схеме с попутным движением воды. Если по расходу горячей воды водонагреватель стоит первым, то, естественно, по циркуляции и по холодной воде он должен стоять последним. Только в таком случае обеспечивается динамическое саморегулирование электробойлеров (на некоторых объектах иногда установлено по 13 штук), и только в этом случае эти электробойлеры работают стабильно.

Система горячего водоснабжения с одним теплообменником

В последних реализованных объектах было принято решение об отказе от разделения системы горячего водоснабжения (ГВС) в ЦТП на зоны. Вместо этого в ЦТП устанавливается единый теплообменник, рассчитанный на суммарную мощность горячего водоснабжения всех зон здания, и затем повысительными насосными станциями каждой зоны горячая вода закачивается в соответствующую зону. В процессе проектирования высказывались возражения, связанные с возможным удорожанием проекта, однако документального подтверждения данные опасения не получили. С другой стороны, преимуществом такой схемы организации системы горячего водоснабжения высотных зданий является повышенная надежность системы всего водоснабжения – и горячего, и холодного. В этом случае на каждую зону здания работают две повысительные насосные станции – станции горячего и холодного водоснабжения. В нештатной ситуации, например, в случае какой-то очень крупной аварии на подающих магистралях или на станциях холодного водоснабжения, всегда можно перевести систему горячего водоснабжения на подачу холодной воды. Таким образом, в любом случае жители дома будут получать воду, что является одним из критериев надежности системы (доставка на верхние этажи подобных высотных комплексов воды вручную представляет значительные трудности для службы эксплуатации).

Система горячего водоснабжения от одного теплообменника с повысительными насосными станциями и с последующим выравниванием давления циркуляционной воды в ЦТП показала свою надежность. Для еще большего повышения надежности возможна установка предохранительных клапанов на подающих линиях.

В процессе эксплуатации встал вопрос по расчету потребляемого количества циркуляционной воды в системе горячего водоснабжения. Опыт эксплуатации показал, что объем циркуляционной воды должен составлять до 40 % от расчетного объема потребления горячей воды. Это связано с тем, что в жилых домах элитного класса достаточно часто устанавливаются очень большие полотенцесушители, что вызывает значительное потребление тепловой энергии. Для обеспечения нормальной работы данных полотенцесушителей на всех этажах отдельной зоны пришлось увеличить объем циркуляции. Такое увеличение расхода циркуляционной воды очень удобно производить при реализации указанной выше схемы системы горячего водоснабжения с одним теплообменником и регуляторами расхода на каждую зону. Данные регуляторы позволяют выставить требуемый расход горячей воды с точностью 5–10 л/ч.

Подключение циркуляционных трубопроводов разных зон к общей гребенке показано на рис. 1. В состав данного узла входит запорная арматура, в обязательном порядке фильтр, регулятор давления «после себя», регулятор расхода, обратный клапан и вновь запорная арматура. Наличие запорной арматуры перед входом в гребенку обязательно, поскольку, например, при проведении каких-либо профилактических работ на обратном клапане остальные циркуляционные трубопроводы в этом случае можно оставлять в работе.

Рисунок 1. Подключение циркуляционных трубопроводов разных зон к общей гребенке

Циркуляционный трубопровод системы горячего водоснабжения имеет свою запорную арматуру на то давление, на котором он должен работать, фильтр также устанавливается под это давление. Далее следует регулятор давления «после себя». Затем устанавливается регулятор расхода, обратный клапан и запорная арматура.

Такая схема была принята после множества проб и ошибок. Сначала устанавливались регулирующие клапаны с электрическим управлением. В процессе эксплуатации выяснилось, что их скорости срабатывания не хватает для нормальной работы. Требовалось найти оборудование, способное более оперативно реагировать на изменение давления в циркуляционном трубопроводе. В результате были выбраны регуляторы давления прямого действия. Первоначально их поставили без регуляторов расхода, но, поскольку циркуляционные насосы способствуют «завоздушиванию», данные регуляторы давления начали работать как дроссели с недопустимыми шумами. Для устранения этого эффекта систему пытались отрегулировать более тщательно, но затем, поняв ошибку, поставили регуляторы расхода, в результате чего описанный эффект исчез.

Рисунок 2. Баки резервного горячего водоснабжения

В обязательном порядке устанавливаются обратные клапаны, с тем чтобы ликвидировать обратные гидравлические удары, которые могут, например, произойти в результате остановки циркуляционного насоса или переключении с одного насоса на другой в процессе эксплуатации.

Как показал опыт эксплуатации, данная система работоспособна и очень надежна. Единственный нюанс – необходимо очень качественно выставить давление после регулятора давления, что достаточно просто сделать с помощью специального прибора. При расчете данных систем необходимо учитывать еще и то, что в подающем городском водопроводе постоянно меняется давление. Для минимизации этого первоначально был установлен регулятор давления «после себя» на холодную воду, которая подается в емкостные электробойлеры. Однако затем было принято решение упростить систему и поставить один регулятор давления сразу после водопроводного ввода. После этого стали стабильно работать абсолютно все станции. До установки такого регулятора разброс давления по холодному водоснабжению составлял 0,6–0,9 бара, а после установки регулятора разброс давлений стабилизировался в диапазоне 0,2–0,4 бара.

Рисунок 3 (подробнее)   Блок системы ГВС, насосные станции повышения давления

На водопроводном вводе необходимо ставить регуляторы давления «после себя», поскольку давление на данном вводе может меняться в пределах от 0,2 до 1,5 бар, что является серьезным препятствием для нормальной работы горячего водоснабжения. Вода приходит на теплообменник через обратный клапан, и, если регуляторы давления не установлены, падение давления вызывает срабатывание данного клапана. В результате механический грохот обратного клапана начинает распространяться по системе. Регуляторы давления «после себя» позволяют решить данную проблему. Кроме того, такие регуляторы позволяют еще больше стабилизировать работу повысительных насосных станций 1, 2 и 3 зоны, поскольку при скачках давления насосы начинают раскручиваться, и зачастую в работу без особой на то необходимости включается резервный насос.

Рисунок 4. Щиты автоматики

При установке регуляторов давления «после себя» на больших расходах воды на вводе в таких комплексах следует иметь в виду, что управляющее давление, которое подводится к данному регулятору, должно быть передано не посредством медной трубки диаметром 5 мм, а трубкой диаметром 10–12 мм, с тем чтобы управляющее давление не сглаживалось длиной трубки и регулятор более оперативно реагировал на изменение давления за ним.

Затем посредством повысительных насосных станций вода поднимается в свою зону. Функционально в комплексе «Воробьевы Горы» насосные станции расположены в двух местах: непосредственно в ЦТП (так называемый ЦТП-1) и под высотными корпусами (так называемая центральная насосная станция, или ЦТП-2). Эти ЦТП объединены техническим коллектором, в котором проложены все коммуникации (подробнее об этом см. статью «Опыт проектирования и эксплуатации инженерных систем новых высотных жилых комплексов Москвы», АВОК, 2005, № 2). В ЦТП-2 установлены отдельные станции поддержания давления на отдельную зону каждого высотного корпуса. Естественно, там же находятся и бойлеры АГВС, что позволяет снизить теплопотери на транзитных трубопроводах, которых имеется достаточно большое количество.

Рисунок 5 (подробнее)   Блок системы ГВС, теплообменники ГВС, электроводонагреватели

При горизонтальной разводке системы горячего водоснабжения можно отказаться от установки полотенцесушителей. Вообще говоря, опыт эксплуатации показал, что даже в зданиях, оборудованных полотенцесушителями, до 70 % владельцев квартир не пользуются ими, а либо оставляют санузел вообще без полотенцесушителей, либо пользуются электрическими полотенцесушителями. Использование электрических полотенцесушителей, с точки зрения владельца квартиры, более удобно, поскольку он включается только по мере необходимости.

Снеготаялка

На больших комплексах, где площадь прилегающей территории составляет более 3 га, рекомендуется предусматривать строительство снеготаялки. Снеготаялка использует отработанную (после всех теплообменников) воду для таяния снега. Такая снеготаялка функционирует в настоящий момент на территории комплекса «Воробьевы Горы», монтируется на территории комплекса «Триумф Палас», запланировано возведение снеготаялки и в комплексе «Алые Паруса».

Наличие собственной снеготаялки позволяет существенно снизить расходы. По расчетам, срок окупаемости снеготаялки составляет 2,5 сезона. Наличие собственной снеготаялки позволяет, помимо прочего, постоянно поддерживать территорию в чистоте, поскольку не надо ожидать автомобилей для вывоза снега, которые, как правило, стоят в очереди на городских снегоплавильных станциях, задерживаются в пробках и т. д.

Рисунок 6. Снеготаялка

В отличие от городских улиц, на территории комплексов никогда не применяются антигололедные реагенты, снег убирается со всей площади еще до выезда владельцев квартир на работу и к семи часам утра, как правило, уже весь убран. Эти обстоятельства позволяют сбросить его в снеготаялку очень чистым, без каких-то механических или химических загрязнений.

Объем снеготаялки выбран с таким расчетом, чтобы можно было сбросить требуемое количество снега, не плавя его. Даже если на всей территории комплекса площадью 4,5 га выпадет слой снега толщиной 75 мм, этот снег может быть помещен в снеготаялку и без включения собственно системы снеготаяния. Там он будет медленно таять за счет тепла вытяжного воздуха из помещений ЦТП. Реализовать данный объем снеготаялки позволило конструктивное исполнение стилобатной части комплекса.

В ванне снеготаялки проложен греющий регистр из нержавеющих труб, по которому пропускается вода, подогретая вторичным (после теплообменников отопления, вентиляции и горячего водоснабжения) теплом из ЦТП до температуры порядка 45 °С. Для защиты от механических повреждений труб регистра при сбросе снега над ними установлен делитель снежной массы (рассекатель). Помимо греющего регистра, для ускорения таяния снега (в случае выпадения его в большом объеме) предусмотрена система орошения. Вода, забираемая из той же ванны (она подогревается до относительно высокой температуры: прошедшей зимой даже при обильных снегопадах было отмечено, что температура воды в этой ванне не опускалась ниже 28 °С), посредством насосов через форсунки разбрызгивается на снеговую массу. Все металлоконструкции снеготаялки выполнены из нержавеющей стали.

Рисунок 7 (подробнее)   Схема присоединения водонагревателей системы горячего водоснабжения с установкой станций повышения давления на подающем трубопроводе

Дренажные системы

На всех ЦТП установлены дренажные системы закрытого типа. Дренажи от инженерных систем ЦТП объединяются в три различных магистрали, которые выводятся в приямки. В отдельную магистраль собирается вода от ТЭЦ, в отдельную магистраль – холодная вода, которая так или иначе присутствует в ЦТП, и в отдельную магистраль собираются дренажи горячей воды. В эти же магистрали выведены все предохранительные клапаны, которые установлены в системе. Преимуществом такой схемы является возможность быстрой идентификации участка возможной аварии – зная, в каком месте в приямок подведена каждая дренажная магистраль, можно четко локализовать место утечки.

В ЦТП всегда устраиваются два приямка. В приямке обязательно устанавливаются два насоса – основной и резервный. В процессе проектирования высказывались возражения представителями теплоснабжающей организации, которые требовали обеспечить разрыв струи, отказавшись от закрытых дренажных систем с крановыми соединениями. В ходе дискуссии, опираясь на нормативные документы, удалось доказать, что приямок является элементом разрыва струи, поэтому закрытая дренажная система со сбросом в приямок соответствует всем требованиям.

Следует обратить особое внимание на обвязку дренажного трубопровода. Дело в том, что вода достаточно грязная. Краны получают повреждения и начинают пропускать воду. Периодически их необходимо менять. Поэтому на рассматриваемых объектах после каждого крана стоит торцевое соединение с прокладкой (а не конусное, в этом случае соединение невозможно будет разобрать). После каждого торцевого соединения стоят два угольника, которые позволяют разворачивать соединение в различных плоскостях (если первый угольник поворачивается по горизонтали, то второй обязательно по вертикали). Подобная схема позволяет на одном из угольников безнапорного трубопровода отодвинуть часть торцевого соединения от ответной части и, соответственно, поменять кран, что невозможно сделать при какой-то другой схеме. Та же самая схема применяется на всех дренажных кранах в системах отопления на технических этажах.

Рисунок 8 (подробнее)   Схема присоединения водонагревателей системы горячего водоснабжения с установкой станций повышения давления на трубопроводе водопровода

Системы автоматизации и диспетчеризации

На основе опыта использования различных вариантов систем автоматизации и диспетчеризации различных производителей принята система на основе оборудования Honywell. Данное оборудование позволяет реализовать практически все необходимые функции системы, а наличие свободно программируемых контроллеров позволяет реализовать и те функции, которые изначально не были предусмотрены проектом. Так, например, в настоящее время в жилом комплексе «Воробьевы Горы» реализуется система аварийного поддержания давления в системах при выходе из строя установки поддержания давления. Важными преимуществами системы являются также простота и наглядность визуализации информации и легкость управления, позволяющие обслуживать систему даже персоналу не очень высокой квалификации. Минимальный уровень доступа, который дается диспетчеру, позволяет ему полностью контролировать работу ЦТП, но, разумеется, без права вмешательства в его работу. Вообще говоря, у каждого специалиста службы эксплуатации есть свой уровень доступа, определяющий уровень возможности вмешательства в работу системы.

В системах автоматизации ЦТП используются совмещенные шкафы управления, в которых установлены как контроллеры, так и силовое оборудование. Тем самым резко уменьшается количество шкафов, стены не загромождаются данным оборудованием.

Все насосы имеют частотное управление.

Подробнее о системах автоматизации см. статью «Системы автоматизации и диспетчеризации высотных жилых комплексов», опубликованную в журнале «АВОК», №4–5, 2005.