II Системы теплоснабжения от автономных теплогенераторов

П. А. Хаванов, доктор техн. наук, профессор кафедры теплотехники и котельных установок Московского государственного строительного университета (МГСУ), ведущий специалист компании «СЕЛЕКТ-Е»

Автономные системы отопления наибольшее распространение получили в малоэтажной застройке и в хронологии развития базируются на водяных системах с естественной циркуляцией теплоносителя. Такие системы отопления просты в эксплуатации, устойчивы к перебоям в подаче электроэнергии, однако имеют жесткие конструктивные требования, значительную металлоемкость, требуют сравнительно большого объема монтажных работ, имеют ограниченный диапазон устойчивого регулирования теплогидравлического режима.

Современные эксплуатационные, конструктивные и технические требования к системам отопления и, в частности, к их гидравлической устойчивости при местном регулировании тепловой мощности, малой материалоемкости, автоматизации всех процессов управления работой теплогенератора и системы в целом, а также внедрение пластиковых, металлопластиковых труб и на их основе низкотемпературных систем панельно-лучистого отопления (монтируемых в конструкции пола с пониженными параметрами теплоносителя), расширение специфических функций, возлагаемых на систему отопления (например, подогрев воды в бассейне, поддержание теплового режима оранжереи, зимнего сада, гаража и др.), – все это обусловило широкое внедрение в автономные системы отопления искусственного насосного побуждения движения теплоносителя. Системы безопасности и автоматического регулирования, газогорелочные, топочные устройства и циркуляционные насосы, а следовательно, и система отопления в целом не могут функционировать без системы бесперебойного электроснабжения.

При учете особенностей архитектурно-планировочных решений и требований технического задания на тепловую схему автономного источника теплоты возлагается сложная проблема теплогидравлической увязки нескольких (иногда 5 и более) параллельно функционирующих, имеющих гидравлическую и тепловую взаимозависимость систем отопления различного конструктивного исполнения с различными параметрами работы (часто в комплекс задач отопления входит и система приточной вентиляции). Нагрузка на систему отопления определяется наружными условиями и практически линейно зависит от температуры наружного воздуха, что обусловило применение достаточно простого и эффективного метода качественного регулирования мощности системы за счет изменения температуры теплоносителя, подаваемого в систему отопления, при его постоянном расходе. Расчетные параметры теплоносителя при максимальной нагрузке в различных странах нормируются значениями tпод–tобр: 95–70; 90–70; 80–60°C. Однако все шире используются в системах отопления элементы количественного метода, например, регулирование расхода теплоносителя через отдельные отопительные приборы с помощью термостатических клапанов, что позволяет независимо задавать температуру воздуха в каждом помещении в соответствии с требованиями потребителя.

Принципиально важно при малых нагрузках и пониженных параметрах теплоносителя (периоды с частичной нагрузкой), особенно при использовании низкотемпературных систем панельно-лучистого отопления, обеспечить защиту теплогенератора от недопустимо низких температур теплоносителя на входе в него и от режимов работы с расходами теплоносителя ниже минимально допустимых заводом-изготовителем для предотвращения опасности локальных перегревов конструкции. Гидравлическая схема автономной системы теплоснабжения (отопление и горячее водоснабжение) еще в большей степени подвержена внешним воздействиям пиков потребления теплоты на цели горячего водоснабжения, и вследствие этого она должна быть тщательно проработана и защищена от «нештатных» гидравлических режимов. Перечисленное объясняет внедрение новых гидравлических схем автономных систем теплоснабжения (отопления), использующих принцип зонирования и разделяющих гидравлическую схему на две части с условно независимой организацией циркуляции теплоносителя в контурах теплогенератора и потребителей теплоты, связанных общим балансирующим элементом для гидравлической увязки в переменных режимах – коллектором малых перепадов давления (часто называемым «гидравлический распределитель», «гидравлическая стрелка»).

С целью систематизации изложения материалов в статье сформулированы две части, в первой из которых рассматриваются теплогидравлические схемы автономных источников в системах отопления с «традиционной» организацией движения потоков теплоносителя, а во второй части – с использованием коллекторов малых перепадов давления.

II.1. Принципиальные тепловые схемы без использования коллекторов малых перепадов давления

Простейшие тепловые схемы автономных источников теплоты характерны для систем малой мощности, хотя вполне могут применяться и в относительно мощных установках, использующих центральное регулирование. Наиболее простая схема II.1.1 с одной группой насосов (НП), обеспечивающих циркуляцию теплоносителя как в теплогенераторе и на транспортном участке (тепловой сети до распределительных коллекторов), так и в местных системах отопления. В схеме необходимо предусмотреть перемычку для рециркуляции воды с целью повышения ее температуры на входе в теплогенератор, расход по перемычке регулируется двухходовым клапаном. Гидравлическая увязка всех местных систем отопления осуществляется в ходе пусконаладочных работ и в дальнейшем не изменяется. Поэтому гидравлическая устойчивость схемы II.1.1 в значительной степени определяется постоянством условий потребления в местных системах. Использование устройств регулирования расхода в местных системах (термостатические клапаны на приборах систем отопления), пиковое потребление теплоты на подогрев воды в бассейне и др. приводит к их разбалансированию. В некоторой степени стабилизировать гидравлические условия в рассматриваемой схеме может регулятор перепада давления, устанавливаемый на перемычке между подающим и обратным коллекторами.

Роль межколлекторной перемычки в определенной степени могут выполнять замыкающие участки с трехходовым или двухходовым регулятором расхода, работающим на подмес от датчика температуры воды, поступающей в местные системы (схема II.1.2). Вместе с использованием местных циркуляционных насосов (НМ) в этой схеме расширяются возможности регулирования работы местных систем отопления, в частности, есть возможность изменения температуры теплоносителя, поступающего в каждую местную систему за счет подмеса обратной воды в подающую линию, однако гидравлическая зависимость и влияние местных систем на гидравлический режим теплогенератора остаются весьма заметными.

В материалах ряда зарубежных производителей теплогенераторов рекомендуется к применению схема II.1.3. Особенностью гидравлического режима этой схемы можно считать попытку стабилизировать поток теплоносителя через теплогенератор за счет работы монтируемого в перемычке насоса (НП). Транспорт теплоносителя от контура теплогенератора до распределительных коллекторов и в местных системах осуществляется за счет работы насосов местных систем. Фактически стабилизации расхода теплоносителя через теплогенератор при переменных режимах работы местных систем добиться не удается, так как происходит изменение гидравлического сопротивления только одного из параллельных (для НП) участков – контура тепловой сети и местных систем. Насосы местных систем в этой схеме должны для обеспечения циркуляции «передавливать» НП. Кроме того, необходимо отметить еще одну особенность работы этой схемы – опрокинутый градиент давления между подающим и обратным коллекторами: полное давление в подающем коллекторе ниже, чем в обратном, т. е. гидростатическое давление в системе необходимо поддерживать по давлению в подающем трубопроводе (особенно для систем отопления с расчетной температурой теплоносителя 105–70; 95–70°C).

Минимальную гидравлическую зависимость контура теплогенератора и внешнего контура теплопотребления при зависимом подключении последнего по теплоносителю можно организовать при использовании схемы II.1.4. В этом случае теплогидравлический режим теплогенератора обеспечивается работой рециркулярного насоса (НР), стабилизирующего расход воды через теплогенератор (соответствующий паспортным данным) и повышающего температуру воды на входе в него до регламентирующих значений t’_тг>t_min. Температурный и гидравлический режим в тепловой сети (и у потребителя) обеспечивается за счет подмеса воды по перемычке с регулятором расхода по значению температуры воды, поступающей в тепловую сеть через сетевой насос (НП). В этой схеме температура воды на выходе из теплогенератора может поддерживаться постоянной (может быть и расчетной, например, 95°C) во всех режимах теплопотребления, а при подаче в теплосеть она будет снижаться в узле смешения с обратной водой до требуемого по температурному графику значения (в зависимости от t_нар). Теплогидравлический режим теплогенератора стабилизирован по расходу воды (G_тг=G_норм) за счет работы рециркуляционного насоса (НР) и по температуре на выходе из теплогенератора, а изменение теплопроизводительности теплогенератора модулированием мощности горелки осуществляется с повышением температуры воды на входе t’_тг, т. е. уменьшением Dt_тг=t’’_тг-t’_тг. Таким образом, схема II.1.4 позволяет обеспечить постоянный гидравлический режим работы теплогенератора во всех режимах теплопотребления. Для иллюстрации произведен расчет расходов и параметров теплоносителя в характерных участках тепловой схемы для пяти режимов работы (см. пример расчета в разделе II.1.1, табл. II.1). Полностью гидравлически изолировать контур теплогенератора от внешних потребителей возможно при использовании теплообменников (чаще пластинчатых, так как они наиболее компактны), устанавливаемых непосредственно в автономном источнике теплоснабжения (схема II.1.5), или, если местные системы отопления относительно удалены от источника, возможна их установка вместе с циркуляционными насосами в подсобных помещениях потребителей.

Гидравлическая изоляция контура теплогенератора несмотря на высокую стоимость теплообменников позволяет надежно защитить теплогенератор и первичный контур теплообменника от коррозии и накипеобразования.

Регулирование тепловой мощности и параметров теплоносителя, поступающего в местные системы, можно осуществлять как непосредственно перепуском теплоносителя местной системы по перемычке с регулятором расхода по температуре (II.1.5В), так и по линии перепуска части греющей воды, минуя теплообменник, с управлением регулятором расхода по значению температуры воды, поступающей в местную систему отопления (II.1.5А). Установка двухходового регулятора расхода непосредственно на подающем трубопроводе от теплогенератора или на подающей линии местной системы отопления (без перемычек) не рекомендуется, так как изменяет расход теплоносителя в контурах. Для защиты теплогенератора от низких температур воды на входе рекомендуется устраивать перемычку между подающим и обратным трубопроводами с регулятором расхода по температуре обратной воды.

При использовании в системе отопления в качестве источника теплоты проточных теплогенераторов практический интерес представляют бесколлекторные зональные схемы, например, II.1.6. В определенном смысле она реализует участки (подключения местных систем отопления А-В; С-Д…) с малым перепадом давления, которые не могут оказать существенного влияния в переменных режимах работы на первичный циркуляционный контур в целом. По сути, создаются практически мало влияющие друг на друга условия циркуляции в местных системах с условной «нулевой» точкой по давлению (рекомендуемая длина участков А-В; С-Д… около 300 мм) и в распределительном трубопроводе первичного контура. Распределение потоков по параллельным ветвям: местных систем (например, 1 или 2 ) и участкам трубопровода (соответственно А-В или С-Д) – целиком определяется работой насосов местных систем, в отличие от коллекторных схем II.1.1, II.1.2, II.1.4, в которых для этих целей может использоваться и перепад давлений между теплоносителем в подающем и обратном трубопроводах.

Последовательное подключение потребителей к распределительному трубопроводу вызывает частичное охлаждение теплоносителя, поступающего в местные системы отопления по мере движения потока. Поэтому центральное качественное регулирование возможно только для первой по ходу теплоносителя местной системы отопления (схема II.1.6 – 1), для всех следующих подключенных систем отопления необходимо учитывать снижение температуры теплоносителя и использовать местные узлы регулирования (схема II.1.6 – 2; 3).

Отмеченная ранее гидравлическая устойчивость схемы II.1.6, тем не менее, предполагает правильный выбор циркуляционного насоса первичного контура НП, который должен подбираться по максимальному расходу через теплогенератор с учетом расхода по перемычке и потерь давления в трубопроводах тепловой распределительной сети. Насосы местных систем отопления подбираются по расходу и гидравлическому сопротивлению местных систем в режиме максимальных нагрузок. Гидравлические режимы работы перемычки определяются расчетом, исходя из условий защиты теплогенератора от низких температур на входе (t’_тг≥45°C), для основных характерных режимов функционирования.

В тепловой схеме, представленной на схеме II.1.7, «нулевая» точка (короткий замыкающий участок А-В, рекомендуется не более 300 мм) создается для теплогенератора. Основной отличительной особенностью гидравлического режима этой тепловой схемы, относительно ранее рассмотренной II.1.6, является снижение нагрузки на насос теплогенератора и перенос части нагрузки на насосы местных систем, так как их необходимо подбирать с учетом потерь давления в подводящих сетевых трубопроводах (схема II.1.7 – участки А-С; В-Д). В структуре тепловых схем II.1.6 и II.1.7 нет распределительных коллекторов, поэтому предполагается наличие относительно протяженных участков сетевых трубопроводов с суммарным расходом теплоносителя на все местные системы теплопотребления. Гидравлический режим участка А-В зависит от расходов теплоносителя в местных системах и при расчетных условиях (максимальный зимний) может приниматься нулевым при обеспечении расчетного расхода через теплогенератор. Во всех режимах частичных нагрузок участок А-В является балансирующим в контуре теплогенератора и расход по нему за счет работы насоса НП обеспечивает необходимую подачу теплоносителя в теплогенератор. При правильном подборе насосов НП и НМ работа участка А-В в контуре теплогенератора будет автомодельной в зависимости от нагрузки в местных системах теплопотребления.

При использовании в тепловых схемах, как и в схемах горячего водоснабжения, нескольких теплогенераторов предпочтение отдается агрегатной обвязке каждого теплогенератора при каскадном регулировании их работы (схема I.2.3).

Рассмотренная последней схема II.1.7 реализует для теплогенератора, а схема II.1.6 – для местных систем на участках распределительного трубопровода (А-В; С-Д) прием организации «нулевой точки» – участка с малым перепадом давления. Устройство такого же участка как для местных систем, так и для контура теплогенераторов осуществляется в коллекторах малого перепада давления, тепловые схемы с применением которых будут рассмотрены в следующей статье.

II.1.1. Пример расчета

Исходные данные для расчета тепловой схемы II.1.4:

1. Расчетная температура наружного воздуха – t^о_р=-28°C.

2. Регулирование – качественное по отопительному температурному графику 95–70°C.

3. Расчетная тепловая мощность на отопление – 720 кВт.

К установке принят теплогенератор фирмы Wolf-Rendamax R18-210 с модулируемой горелкой, номинальной теплопроизводительностью Q_ном=756 кВт. Номинальный расход воды G_тг=38 м³/ч=10,56 кг/с, гидравлическое сопротивление при номинальном расходе DP_тг=29,0 кПа. Результаты расчетов приведены в табл. II.1.

Для схемы II.1.4 рециркуляционный насос подбирается из условия обеспечения нормируемого расхода воды через котел G_р=G_тг=10,56 кг/с с напором, рассчитываемым как сумма гидравлического сопротивления теплогенератора и рециркуляционного участка DP_нр=DP_тг+DP_ур.

Регулятор расхода на перемычке подбирается по максимальному расходу G_п=6,04 кг/с.

Насос сетевой НП подбирается по расходу сетевой воды G_с=6,88 кг/с и по сопротивлению тепловой сети, включая контур теплогенератора.

II.1.1	II.1.2	II.1.3
II.1.4	II.1.5	II.1.6
	Кликните на картинку для просмотра в отдельном экране
II.1.7

Обозначения:

DP_Iк – гидравлическое сопротивление первичного контура;

DP_тг – гидравлическое сопротивление теплогенератора;

DP_мс – гидравлическое сопротивление местных систем;

DP_с – гидравлическое сопротивление тепловой сети;

DP_то – гидравлическое сопротивление теплообменника;

G_нп; G_нм – подача питательного насоса и насоса местной системы;

G_мс – расход теплоносителя из сети в местную систему;

G_рмс – расход по линии циркуляции в местной системе;

G_р – расход по линии рециркуляции;

G^ном_тг – расход через теплогенератор по паспорту производителя;

G_п – расход по перемычке;

(1) ; (2) ; (3) – местные системы теплоснабжения;

ТГ – теплогенератор;

ТО – теплообменник;

РТ – регулятор расхода по температуре;

РД – регулятор расхода по давлению;

РС – расширительный сосуд;

НП – насос циркуляционный теплогенератора;

НМ – насос циркуляционный местной системы;

НР – насос рециркуляционный;

ХВО – установка

водоподготовки;

НПП – насос подпиточный.

Литература

1. СП 41-104-2000. Проектирование автономных источников теплоснабжения.

2. СНиП II-35-76*. Котельные установки.

3. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

4. СП 41-101-95. Проектирование тепловых пунктов.

5. Руководство по проектированию автономных источников теплоснабжения. Правительство Москвы, Москомархитектура. 2001.