Тепловодоснабжение и отопление высотных жилых зданий

К выходу в свет книги «Инженерное оборудование высотных зданий»

 

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

 

В Москве спустя полвека после сооружения семи «сталинских» высоток возобновилось строительство высотных зданий. Ныне построены здания выше 40 этажей: в 2003 году – «Эдельвейс» на Давыдковской ул., вл. 3 (высота 176 м, 43 этажа), «Алые Паруса» корпус 4 (179 м, 48 этажей) на Авиационной ул., вл. 77–79; в 2004 году – «Воробьевы Горы» (188 м, 49 этажей) на Мосфильмовской ул., вл. 4–6, «Триумф Палас» – самое высокое жилое здание в Европе (225 м, 59 этажей, со шпилем – 264 м), Чапаевский пер., вл. 2.

Намечаются к строительству не-сколько десятков зданий высотой 30–50 этажей по городской инвестиционной программе «Новое кольцо Москвы». В деловом центре «Москва-Сити» строится ряд небоскребов высотой более 300 м, и апофеозом всего предполагается сооружение башни «Россия» высотой 600 м по проекту английского архитектора Нормана Фостера, к проектированию которой приступили в 2006 году.

Проект жилого дома «Эдельвейс» выполнен ЦНИИЭПжилища, инженерная часть остальных перечисленных высотных жилых зданий, построенных компанией «ДОН-строй», явилась плодом творчества проектно-производственной фирмы «Александр Колубков» под руководством А. Н. Колубкова и носящей его имя. Интересно и то, что «ДОН-строй» сам и эксплуатирует сооружаемые им дома, а потому примененные решения подтверждены практикой их работы.

Опыт, накопленный при проектировании этих зданий и их эксплуатации, был положен в основу книги «Инженерное оборудование высотных зданий», изданной «АВОК-ПРЕСС» в 2007 году под общей редакцией проф. МАрхИ М. М. Бродач.

На наш взгляд, все здания по высоте можно разделить на 5 категорий:

• до пяти этажей, где не требуется установка лифтов – малоэтажные здания;

• до 75 м (25 этажей), в пределах которых не требуется зонирование по вертикали на пожарные отсеки – многоэтажные здания;

• 76–150 м – здания повышенной этажности;

• 151–300 м – высотные здания;

• свыше 300 м – сверхвысокие здания.

Градация кратная 150 м обусловлена изменением расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления и вентиляции – через каждые 150 м она понижается на 1 °С.

Особенности проектирования зданий выше 75 м связаны с тем, что их по вертикали необходимо делить на герметичные пожарные отсеки (зоны), границами которых являются ограждающие конструкции, обеспечивающие требуемые пределы огнестойкости для локализации возможного пожара и нераспространения его на смежные отсеки. Высота зон должна составлять 50–75 м, причем необязательно разделять вертикальные пожарные отсеки техническими этажами, как это принято в теплых странах, где технические этажи не имеют стен и используются для сбора людей при пожаре и последующей их эвакуации. В странах с суровым климатом необходимость технических этажей обусловлена требованиями размещения инженерного оборудования. При установке его в подвальной части только часть этажа, расположенного на границе пожарных отсеков, может быть использована для размещения вентиляторов противодымной защиты, остальная – под рабочие помещения. При каскадной схеме подключения теплообменников, как правило, они вместе с насосными группами размещаются на технических этажах, где им требуется больше места, и занимают этаж полностью, а в сверхвысоких зданиях иногда и два этажа.

Рассматриваемые в книге здания можно отнести к категории высотных зданий. Надеемся, что в будущем появится книга об отечественном опыте проектирования инженерного оборудования сверхвысоких зданий, образно называемых небоскребами.

Ниже будет дан анализ проектных решений по тепловодоснабжению и отоплению перечисленных жилых зданий. И это только часть тематики, которой посвящена рассматриваемая книга, за рамками данной статьи остается анализ передовых решений, реализованных в ряде зарубежных высотных зданий, и особенностей влияния наружного климата, опыт проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха жилых и общественных зданий, систем пожаробезопасности, водоотведения и мусороудаления, автоматизации и диспетчеризации, также приведенных в книге «Инженерное оборудование высотных зданий».

Теплоснабжение

Особенностью проектирования систем тепло- и водоснабжения является то, что все насосное и теплообменное оборудование рассматриваемых высотных жилых зданий расположено на уровне земли или минус первого этажа. Это обусловлено опасностью размещения трубопроводов перегретой воды на жилых этажах, неуверенностью в достаточности защиты от шума и вибрации смежных жилых помещений при работе насосного оборудования и стремлением сохранения дефицитной площади для размещения большего количества квартир.

Такое решение возможно благодаря применению высоконапорных трубопроводов, теплообменников, насосов, запорного и регулирующего оборудования, выдерживающих рабочее давление до 25 атм. Поэтому в обвязке теплообменников со стороны местной воды используют дисковые затворы с воротниковыми фланцами, насосы с U-образным элементом, регуляторы давления «до себя» прямого действия, устанавливаемые на подпиточном трубопроводе, электромагнитные клапаны, рассчитанные на давление 25 атм. в станции заполнения систем отопления.

При высоте зданий выше 220 м в связи с возникновением сверхвысокого гидростатического давления рекомендуется применять каскадную схему подключения зональных теплообменников отопления и горячего водоснабжения, пример такого решения приводится в книге.

Другой особенностью теплоснабжения реализованных высотных жилых зданий является то, что во всех случаях источник теплоснабжения – это городские тепловые сети. Подключение к ним производится через ЦТП, который занимает довольно большую площадь, например, в комплексе «Воробьевы Горы» он занимает 1 200 м² с высотой помещения 6 м (расчетная мощность 34 МВт).

ЦТП включает теплообменники с циркуляционными насосами систем отопления разных зон, систем тепло-снабжения калориферов вентиляции и кондиционирования воздуха, систем горячего водоснабжения, насосные станции заполнения систем отопления и системы поддержания давления с расширительными баками и оборудованием авторегулирования, аварийные электрические накопительные водонагреватели горячего водоснабжения. Оборудование и трубопроводы располагаются по вертикали, с тем чтобы в процессе эксплуатации они были легко доступны. Через все ЦТП проходит центральный проезд шириной не менее 1,7 м для возможности перемещения специальных погрузчиков, позволяющих вывезти тяжелое оборудование при его замене (рис. 1).

Рисунок 1. Общий вид ЦТП

Такое решение обусловлено еще и тем, что высотные комплексы, как правило, являются многофункциональными по назначению с развитой стилобатной и подземной частью, на которой могут находиться несколько зданий. Поэтому в комплексе «Воробьевы Горы», который включает 3 высотных жилых здания в 43–48 этажей и 4 здания высотой 17–25 этажей, объединенных пятиуровневой стилобатной частью, от этого единого ЦТП отходят технические коллекторы с многочисленными трубопроводами, и для их сокращения в технической зоне высотных корпусов расположили повысительные насосные станции водоснабжения, которые осуществляют подкачку холодной и горячей воды в каждую зону высотных корпусов.

Возможно и иное решение – ЦТП служит для ввода городских тепловых сетей на объект, размещения регулятора перепада давлений «после себя», узла учета тепловой энергии и, при необходимости, установки когенерации и может быть совмещен с одним из индивидуальных локальных тепловых пунктов (ИТП), служащих для присоединения местных систем теплопотребления, близких по расположению к данному тепловому пункту. Из этого ЦТП перегретая вода по двум трубам, а не по нескольким от гребенки, как в предыдущем случае, подается в локальные ИТП, расположенные в других частях комплекса, в том числе и на верхних этажах, по принципу приближенности к тепловой нагрузке. При таком решении нет необходимости присоединения системы внутреннего теплоснабжения калориферов приточных систем по независимой схеме через теплообменник. Калорифер сам является теплообменником и подключается к трубопроводам перегретой воды напрямую с насосным подмешиванием для повышения качества регулирования нагрузки и повышения надежности защиты калориферов от замерзания.

Одним из решений по резервированию централизованного тепло- и электроснабжения высотных зданий может быть устройство автономных мини-ТЭЦ на базе газотурбинной (ГТУ) или газопоршневой (ГПУ) установок, одновременно вырабатывающих оба вида энергии. Современные средства защиты от шума и вибрации позволяют размещать их непосредственно в здании, в том числе и на верхних этажах. Как правило, мощность этих установок не превышает 30–40 % максимальной потребной мощности объекта и в штатном режиме эти установки работают, дополняя централизованные системы энерго-снабжения. При большей мощности когенерационных установок возникают проблемы передачи избытков того или иного энергоносителя в сеть.

В книге приводится алгоритм расчета и подбора мини-ТЭЦ при энергоснабжении объекта в автономном режиме и анализ оптимизации выбора мини-ТЭЦ на примере конкретного проекта. При дефиците только тепловой энергии для рассматриваемого объекта в качестве источника тепло-снабжения может быть принят автономный источник теплоснабжения (АИТ) в виде котельной с водогрейными котлами. Могут использоваться пристроенные, расположенные на крыше или выступающих частях здания либо отдельно стоящие котельные, проектируемые согласно СП 41–104–2000. Возможность и место размещения АИТ следует увязывать со всем комплексом его воздействия на окружающую среду, в том числе и на жилое высотное здание.

Отопление

Системы водяного отопления высотных зданий зонируются по высоте и, как уже было сказано, если пожарные отсеки разделяются техническими этажами, то зонирование систем отопления, как правило, совпадает с пожарными отсекам, т. к. технические этажи удобны для прокладки разводящих трубопроводов. При отсутствии технических этажей зонирование систем отопления может не совпадать с разделением здания на пожарные отсеки. Органами пожарного надзора допускается пересечение границ пожарных отсеков трубопроводами водонаполненных систем, и высота зоны определяется значением допустимого гидростатического давления для нижних отопительных приборов и их обвязки.

Первоначально проектирование зональных систем отопления проводилось, как для обычных многоэтажных зданий. Применялись, как правило, двухтрубные системы отопления с вертикальными стояками и нижней разводкой подающей и обратной магистралей, проходящих по техническому этажу, что позволяло включать систему отопления, не дожидаясь возведения всех этажей зоны. Такие системы отопления были реализованы в жилых комплексах «Алые Паруса», «Воробьевы Горы», «Триумф Палас». Каждый стояк оборудуется автоматическими балансировочными клапанами для обеспечения автоматического распределения теплоносителя по стоякам, а каждый отопительный прибор – автоматическим терморегулятором с повышенным гидравлическим сопротивлением для предоставления жильцу возможности установления нужной ему температуры воздуха в помещении и сведения к минимуму влияния гравитационной составляющей циркуляционного напора и включения/выключения термостатов на других отопительных приборах, подключенных к данному стояку.

Далее, во избежание разбалансировки системы отопления, связанной с несанкционированным изъятием термостатов в отдельных квартирах, что неоднократно имело место на практике, было предложено переходить на систему отопления с верхней разводкой подающей магистрали с попутным движением теплоносителя по стоякам. Это выравнивает потери давления циркуляционных колец через отопительные приборы независимо от того, на каком этаже они расположены, повышает гидравлическую устойчивость системы, гарантирует удаление воздуха из системы и облегчает настройку терморегуляторов.

Однако впоследствии, в результате анализа различных решений, проектировщики пришли к выводу, что наилучшей системой отопления, особенно для зданий без технических этажей, являются системы с поквартирной горизонтальной разводкой, подключаемые к вертикальным стоякам, проходящим, как правило, по лестничной клетке, и выполненным по двухтрубной схеме с нижней разводкой магистралей. Такая система запроектирована в венчающей части (9 этажей третьей зоны) высотного комплекса «Триумф Палас» и в строящемся 50-этажном доме без промежуточных технических этажей на ул. Пырьева, д. 2.

Поквартирные системы отопления оборудуются узлом с запорной, регулирующей с помощью балансировочных клапанов и спускной арматурой, фильтрами и прибором учета тепловой энергии. Этот узел должен располагаться вне квартиры на лестничной клетке для беспрепятственного доступа службы эксплуатации. В квартирах более 100 м² подключение производится не петлей, периметрально проложенной по квартире (поскольку при увеличении нагрузки возрастает диаметр трубопровода, а вследствие этого усложняется монтаж и повышается стоимость из-за применения дорогих фитингов большого размера), а через промежуточный квартирный распределительный шкаф, в котором устанавливается гребенка, и от нее теплоноситель по лучевой схеме трубопроводами меньшего диаметра направляется к отопительным приборам по двухтрубной схеме.

Трубопроводы применяют из термостойких полимерных материалов, как правило, из сшитого полиэтилена РЕХ (обоснование его использования приводится в книге), прокладка выполняется в подготовке пола. Расчетные параметры теплоносителя, исходя из технических условий на такие трубопроводы, 90–70 (65) °С из опасения, что дальнейшее понижение температуры приводит к значительному росту поверхности нагрева отопительных приборов, что не приветствуется инвесторами из-за роста стоимости системы. Опыт применения металлопластиковых труб в системе отопления комплекса «Триумф Палас» был признан неудачным. В процессе эксплуатации в результате старения разрушается клеевой слой и внутренний слой трубы «схлопывается», вследствие чего сужается проходное сечение и система отопления перестает нормально работать.

Авторы книги считают, что при поквартирной разводке оптимальным решением является применение автоматических балансировочных клапанов ASV-P (PV) на обратном трубопроводе и запорно-измерительных клапанов ASV-М (ASV-1) на подающем. Использование этой пары клапанов дает возможность не только компенсировать влияние гравитационной составляющей, но и ограничивать расход на каждую квартиру в соответствии с параметрами. Клапаны, как правило, подбираются по диаметру трубопроводов и настраиваются на поддержание перепада давлений на уровне 10 кПа. Такая величина настройки клапанов выбирается исходя из значения требуемых потерь давления на радиаторных терморегуляторах для обеспечения их оптимальной работы. Ограничение расхода на квартиру задается настройкой на клапанах ASV-1, причем учитывается, что в этом случае потери давления на данных клапанах необходимо включить в перепад давлений, поддерживаемый регулятором ASV-РV.

Применение поквартирных горизонтальных систем отопления по сравнению с системой c вертикальными стояками приводит к уменьшению протяженности магистральных трубопроводов (они подходят только к лестничному стояку, а не к самому удаленному стояку в угловой комнате), снижению потерь теплоты трубопроводами, упрощению поэтажного ввода здания в эксплуатацию и повышению гидравлической устойчивости системы. Стоимость устройства поквартирной системы ненамного отличается от стандартных с вертикальными стояками, однако срок службы выше за счет применения труб из термостойких полимерных материалов.

В поквартирных системах отопления значительно проще и с абсолютной наглядностью для жильцов можно осуществить учет тепловой энергии. Надо согласиться с мнением авторов, что хотя установка теплосчетчиков не относится к энергосберегающим мероприятиям, однако, оплата за фактически потребленную тепловую энергию является мощным стимулом, заставляющим жителей бережно относиться к ее расходованию. Естественно, достигается это, в первую очередь, обязательным применением термостатов на отопительных приборах. Опыт их эксплуатации показал, что во избежание влияния на тепловой режим смежных квартир в алгоритм управления термостатом должно быть введено ограничение снижения температуры в обслуживаемой ими комнаты не ниже 15–16 °С, а отопительные приборы следует подбирать с запасом мощности не менее 15 %.

Водоснабжение

Для повышения надежности водо-снабжения в зданиях до 250 м преду-сматривают не менее двух вводов от независимых водопитателей (отдельных линий наружной кольцевой водопроводной сети), при большей высоте каждый ввод прокладывается в две линии, каждая из которых должна быть рассчитана на пропуск не менее 50 % расчетного расхода.

С целью повышения надежности и обеспечения бесперебойности в работе горячего водоснабжения во всех высотных жилых домах предусматривают дополнительно к скоростным водоводяным водонагревателям установку емкостных электроводонагревателей, включающихся во время отключения теплосети на плановые профилактические работы или аварии. Объем этих резервных водонагревателей подбирается из расчета полуторачасового пикового расхода горячей воды. Мощность нагревательного элемента назначается таким образом, чтобы время нагрева данного объема воды составляло 8 часов – это промежуток между пиковыми утренним и вечерним водозаборами.

Как правило, резервных электроводонагревателей много (есть объекты, где их количество достигает 13 шт.), и для стабильности их работы следует включение водонагревателей осуществлять по схеме с попутным движением воды. Если по подключении горячей воды водонагреватель стоит первым, по подводу нагреваемой воды он должен быть последним. Рабочее давление электроводонагревателей не превышает 7 атм. Этим обуславливается высота зоны систем водоснабжения. Поэтому и необязательно, чтобы количество зон в системах водоснабжения совпадало с отоплением. Так, в 50-этажном жилом доме по ул. Пырьева предусматривается по вертикали 3 зоны для системы отопления и 4 – для горячего и холодного водоснабжения (рис. 2). У последних систем количество зон совпадает для возможности осуществления резервирования между ними.

Рисунок 2 (подробнее)   Зонирование инженерных систем

Другой особенностью системы горячего водоснабжения перечисленных высотных зданий является то, что независимо от числа зон устанавливается единый теплообменник на всю систему, и затем отдельными повысительными насосными станциями горячая вода закачивается в соответствующую зону. Также и по холодной воде рядом находятся свои повысительные насосные станции на каждую зону, что повышает надежность системы водо-снабжения, позволяя в нештатных ситуациях осуществлять водоснабжение по трубопроводам горячей воды.

Подключение циркуляционных трубопроводов разных зон к общей гребенке происходит через узел, включающий в себя, кроме запорной арматуры и обратного клапана, регулятор давления «после себя» и регулятор расхода. 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 а 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 дефекта систему пытались отрегулировать более тщательно, но затем поставили регуляторы расхода, после чего описанный эффект исчез.

Чтобы изменение давления в городском водопроводе не влияло на стабильность поддержания давления насосными станциями, на вводе водопровода установлен регулятор давления «после себя». Если до установки этого регулятора разброс давлений составил 0,6–0,9 атм., то после установки он стабилизировался на уровне 0,2–0,4 атм. На вводе горячего водо-снабжения (после теплообменников, перед насосной станцией каждой зоны) также установлены свои регуляторы давления «после себя», благодаря которым исключаются ложные срабатывания обратных клапанов и включение резервных насосов без особой на то необходимости.

Система водоснабжения, как правило, организуется с горизонтальной поквартирной разводкой. Такое решение успешно реализовано в высотных жилых комплексах «Воробьевы Горы», «Триумф Палас» и на ул. Пырьева. В этом случае стояки системы водо-снабжения проложены в лестнично-лифтовом холле, откуда обеспечивается ввод в квартиру трубопроводов горячей и холодной воды. Система оснащена счетчиками холодной и горячей воды, которые вместе с фильтрами и регуляторами давления установлены в распределительных шкафах в лестнично-лифтовом холле. Во избежание перетока воды (из холодной магистрали в горячую и наоборот), возникающего в результате неправильной эксплуатации сантехнического оборудования, на вводах в квартиры на подающих трубопроводах холодной и горячей воды устанавливаются обратные клапаны.

Разводка трубопроводов от стояков до квартир и в квартирах выполняется из труб сшитого полиэтилена (РЕХ-труб). В квартирах целесообразно применять коллекторную разводку, когда к каждому водоразборному прибору вода подается от коллектора по отдельной трубе, это сводит к минимуму влияние соседних приборов друг на друга (при включении одного смесителя меняется температура излива на другом). Стояки прокладываются из стальных труб, и так же, как в системе отопления, стояки горячего водоснабжения оборудуются компенсаторами и неподвижными опорами. Расчетная циркуляция в объем 40 % от расчетного водоразбора выставляется при помощи регулирующей и балансировочной арматуры.

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

Рисунок 3. Схема использования емкости электроводонагревателей для выравнивания теплопотребления горячим водоснабжением: 1 – емкий электроводонагреватель; 2 – скоростной водонагреватель-теплообменник; 3 – циркуляционный насос

Таковы решения систем тепловодоснабжения и отопления самых высоких жилых зданий, построенных к настоящему времени в Москве. Они понятны, логичны и принципиально не отличаются от решений, применяемых при проектировании обычных многоэтажных зданий высотой менее 75 м, за исключением разделения систем отопления и водоснабжения на зоны. Но внутри каждой зоны сохраняются стандартные подходы выполнения этих систем. Обращается большее внимание к установкам заполнения систем отопления и поддержания давления в них и на каждом этаже систем водоснабжения, а также в циркуляционных линиях от разных зон перед подключением их к общей гребенке, автоматическому регулированию подачи тепла и распределению теплоносителя для реализации комфортного и экономичного режимов, резервированию работы оборудования для обеспечения бесперебойного снабжения потребителей теплом и водой.

Отличительной особенностью является применение для целей бесперебойного снабжения горячей водой аварийных емкостных электроводонагревателей на полуторачасовой запас воды. Но представляется, что их возможности используются не в полной мере. Помимо включения их при аварии или планово-предупредительном ремонте тепловых сетей, они могли бы быть обвязаны таким образом, чтобы их емкость использовалась для снятия пиковых тепловых нагрузок на систему теплоснабжения.

Эта остроумная схема, предложенная прародителем техники горячего водоснабжения А. В. Хлудовым, включает водонагреватель, бак-аккумулятор и насос, выполняющий функцию зарядки бака горячей водой (рис. 3). При заряженном аккумуляторе холодная вода параллельными потоками поступает в водонагреватель и в бак-аккумулятор, вытесняя снизу вверх горячую воду из аккумулятора в систему потребителя. Таким образом, при большом водоразборе потребитель получает в свою систему горячую воду из водонагревателя и аккумулятора. При уменьшении водоразбора насос выдавливает избыток нагретой в водонагревателе воды в бак-аккумулятор, вытесняя тем самым из нижней части аккумулятора холодную воду в водонагреватель, т. е. происходит зарядка аккумулятора. Это позволяет выравнить нагрузку на водонагреватель и снизить его поверхность нагрева.

К недостаткам принимаемых решений следует отнести игнорирование использования энергосберегающих решений, таких как частичное замещение энергопотребности за счет применения автономных энергопроизводящих газотурбинных или газопоршневых установок, солнечных фотоэлектрических или водонагревающих элементов, тепловых насосов, использующих низкопотенциальную энергию грунта, вентиляционных выбросов. Также следует отметить недостаточное использование централизованного холодоснабжения для повышения комфорта проживания в квартирах и устранения негативного влияния на архитектуру здания бессистемно развешанных на фасаде внешних блоков сплит-систем. Высотные здания, будучи передовыми в части архитектурно-конструктивных решений, должны быть примером по реализации перспективных технологий в инженерных системах.