Системы теплоснабжения зданий

       Перечисленные факторы, в пользу децентрализации  теплоснабжения привели к тому, что  часто оно уже стало рассматриваться  как безальтернативное техническое решение лишенное недостатков.

       Важным  преимуществом децентрализованных систем является возможность местного регулирования в системах квартирного отопления и горячего водоснабжения. Однако, эксплуатация источника теплоты и всего комплекса вспомогательного оборудования квартирной системы теплоснабжения непрофессиональным персоналом (жильцами) не всегда дает возможность в полной мере использовать это преимущество. Также необходимо учитывать, что в любом случае требуется создание, или привлечение, ремонтно-эксплуатационной организации для обслуживания источников теплоснабжения.

       Рациональной  можно признать децентрализацию  только на основе газообразного (природный газ) или легкого дистиллятного жидкого топлива (дизтопливо, топливо печное бытовое). Другие энергоносители:

       – твердое топливо в многоэтажной застройке. По ряду очевидных причин нереализуемая задача. В малоэтажной застройке, как показывают многие исследования на низкосортном рядовом твердом топливе (а сейчас другого в стране практически нет) экономически целесообразно строить групповую котельную;

       – сжиженный газ (пропан-бутановые смеси) для районов с большим потреблением тепла на цели отопления, даже в комплексе с энергосберегающими мероприятиями потребует строительства газохранилищ большой ёмкости (с обязательной установкой не менее двух подземных ёмкостей), что в комплексе вопросов с централизованной поставкой сжиженного газа существенно усложняет проблему;

       – электроэнергия не может и не должна использоваться на цели отопления (независимо от себестоимости и тарифов) в силу эффективности её выработки по первичной энергии для конечного потребителя (КПД»30 %) за исключением систем временного, аварийного, локального отопления (местного) и в районах её избытков, в ряде случаев использования альтернативных источников энергии (тепловые насосы). В этой же связи необходимо отмежеваться от безответственных заявлений в печати ряда разработчиков и производителей так называемых вихревых теплогенераторов, декларирующих тепловую эффективность устройств, работающих на вязкостной диссипации механической энергии (от электродвигателя) в 1,25 раза превосходящую установленную мощность электрооборудования.

       Установочная  мощность источников теплоты при  поквартирном теплоснабжении в многоэтажном здании рассчитывается по максимуму (пику) теплопотребления, т. е. по нагрузке горячего водоснабжения. Нетрудно видеть, что в этом случае для двухсот квартирного жилого здания установленная мощность теплогенераторов составит 4,8 МВт, что более чем в два раза превышает необходимую суммарную мощность теплоснабжения при подключении к центральным тепловым сетям или к автономной, например, крышной котельной. Установка емкостных водонагревателей в системе горячего водоснабжения квартиры (емкость 100–150 литров) позволяет снизить установленную мощность поквартирных теплогенераторов, однако существенно усложняет квартирную систему теплоснабжения, значительно увеличивает её стоимость и практически не применяется в многоэтажных зданиях.

       Автономные  источники теплоснабжения (в том  числе и поквартирные) имеют рассредоточенный в жилом районе выброс продуктов  сгорания при относительно низкой высоте дымовых труб, что оказывает существенное влияние на экологическую обстановку, загрязняя воздух непосредственно в селитебной зоне.

       Существенно меньше проблем возникает при  разработке децентрализованных систем теплоснабжения от автономных (крышных), встроенных и пристроенных котельных отдельных объектов жилого, коммунально-бытового и промышленного назначения, в том числе и типовых сооружений. Достаточно чёткая нормативная документация позволяет технически обосновать эффективное решение вопросов размещения оборудования, топливоснабжения, дымоудаления, электроснабжения и автоматизации автономного источника теплоты. Не встречает особых трудностей и разработка инженерных систем здания, включая типовые, по своей конструкции

       Таким образом, автономное теплоснабжение не должно рассматриваться как безусловная  альтернатива централизованному теплоснабжению, или как отступление от завоёванных позиций. Технический уровень современного энергосберегающего оборудования по выработке, технологии транспорта и распределения теплоты позволяют создавать эффективные и рациональные инженерные системы, уровень централизации которых должен иметь соответствующее обоснование. 

       3 СПОСОБЫ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОДЫ В ТЕПЛОСЕТИ 
 

       Системы теплоснабжения могут быть с естественной и насосной циркуляцией воды. Рассмотрим вначале систему с естественной циркуляцией.

       Схема системы отопления с естественной циркуляцией: вода, нагретая в отопительном котле, как более легкая, поднимается  по главному стояку вверх, поступает  в разводящие магистральные трубопроводы, а из них через подающие стояки – в радиаторы. Отдавая тепло, температура воды в радиаторе понижается, становится более тяжелой и через трубы обратной разводки, соединенной со стояком, опускается вниз, поступает в нагревательный котел и своей массой вытесняет нагретую воду из котла вверх – в главный подающий стояк системы отопления с естественной циркуляцией. Схемы устройства водяного отопления с естественной циркуляцией представлена на рисунках 1 и 2. 

Рисунок 1 – Схема водяного отопления с естественной циркуляцией. Вариант с верхней разводкой: 1 – отопительный котел; 2 – главный стояк; 3 – расширительный бак; 4 – переливная труба; 5 – разводящий трубопровод; 6 – стояки горячей воды; 7 – радиаторы; 8 – вентиль ручной; 9 – обратные стояки; 10 – обратная линия

Рисунок 2 – Схема водяного отопления с естественной циркуляцией. Вариант  
с нижней разводкой: 1 – отопительный котел; 2 – разводящий трубопровод;  
3 – стояки горячей воды; 4 – расширительный бак; 5 – переливная труба;  
6 – труба отвода воздуха; 7 – радиаторы; 8 – вентиль ручной;  
9 – обратные стояки; 10 – обратная линия 

       Во  время работы нагревательного котла, этот процесс непрерывно повторяется и в системе происходит естественная циркуляция воды. Таким образом, в системе отопления с естественной циркуляцией, вода двигается под действием гидростатического напора, возникающего благодаря различной плотности охлажденной и нагретой жидкости.

       Циркуляционное  давление зависит:

       – от разности весов столба горячей и столба охлажденной (обратной) воды, следовательно, оно зависит от разности температур горячей и охлажденной воды;

       – от высоты расположения радиаторов над котлом.

       В системах водяного отопления нагревательные приборы, расположенные на верхнем этаже, прогреваются лучше, чем приборы на нижнем этаже. В двухтрубных системах отопления нагревательные приборы, расположенные на одном уровне с отопительным котлом или ниже, практически не нагреваются. Для таких систем наименьшее расстояние между центром нагревательных приборов, расположенных на первом этаже, и центром отопительного котла должно быть не менее 3 м, поэтому котельная для такой системы должна располагаться в подвале. Указанного недостатка лишены однотрубные системы отопления с естественной циркуляцией, так как гидростатический напор, заставляющий циркулировать воду в системе, будет образовываться из-за охлаждения воды в трубопроводах, подводящих нагретую воду к радиаторам, а также отводящих охлажденную воду от радиаторов к отопительному котлу. Охлаждение указанных трубопроводов приносит двойную пользу: способствует созданию гидростатического напора, дополнительному обогреву помещения. Поэтому трубопроводы прокладывают открыто и не изолируют. Главный трубопровод (подъемный стояк горячей воды) системы отопления с естественной циркуляцией, наоборот, надо тщательно теплоизолировать, так как охлаждение приводит к снижению температуры и увеличению плотности воды, следовательно, приводит к уменьшению гидростатического напора системе отопления с естественной циркуляцией.

       Количество  тепла, отдаваемого помещению радиаторами, зависит от количества поступающей в прибор воды и ее температуры. Количество воды, которое может быть пропущено через трубопровод к радиатору, зависит от циркуляционного давления. Чем больше циркуляционное давление в системе отопления с естественной циркуляцией, тем меньше может быть диаметр трубы для пропуска определенного количества воды, и наоборот, чем меньше циркуляционное давление, тем больше должен быть диаметр трубы. Чтобы система отопления с естественной циркуляцией действовала эффективно, требуется еще одно условие: циркуляционное давление должно быть достаточным для преодоления всех сопротивлений, которые встречает движущаяся в этой системе вода (сопротивления, вызываемые трением воды о стенки труб, местные сопротивления, к которым относятся отводы, тройники, крестовины, краны, нагревательные приборы, вентили и другие элементы системы отопления). Величина местного сопротивления зависит от скорости воды, а скорость воды от изменения сечений и направления движения воды в разводящих трубопроводах.

       Сопротивление, вызываемое трением, зависит от диаметра, длины трубопровода, а также скорости воды. При большой длине труб сопротивление возрастает, с увеличением диаметра труб оно падает.

       В системах с естественной циркуляцией  теплоносителя в малоэтажных  домах величина циркуляционного  давления невелика, и поэтому в  них нельзя допускать больших  скоростей движения воды в трубах, следовательно, диаметры труб должны быть большими. Применение систем с естественной циркуляцией может оказаться экономически невыгодным, они оправданы лишь для небольших домов.

       Достоинства системы отопления с естественной циркуляцией:

       – простота монтажа и ввода в эксплуатацию;

       – экономичность и простота эксплуатации;

       – отсутствие циркуляционного насоса, а соответственно, шума и вибрации;

       – долговечность (при правильной эксплуатации – более 40 лет без капитального ремонта);

       – способность системы к саморегулированию: при изменении температуры и плотности воды изменяется и расход вследствие возрастания или уменьшения естественного циркуляционного давления.

       Недостатки  системы отопления с естественной циркуляцией:

       – замедленное включение системы в действие;

       – сокращение радиуса действия системы по горизонтали до 30 м из-за небольшого циркуляционного давления;

       – повышение затрат в связи с применением труб большего диаметра;

       – повышение опасности замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемых помещениях.

       Системы отопления с насосной циркуляцией  отличаются от систем с естественной циркуляцией в основном тем, что  в сеть трубопровода включен насос, перемещающий воду. Циркуляционное давление, создаваемое насосом, достигает 1000–1500 мм вод. ст. Это давление приблизительно в 20–30 раз превышает естественное.

       Большее располагаемое давление в системах водяного отопления с насосной циркуляцией  позволяет значительно повысить скорость движения воды в трубопроводах по сравнению со скоростью движения воды в трубопроводах систем водяного отопления с естественной циркуляцией.

       При больших скоростях движения воды трубопроводы могут быть меньших  диаметров, что дает значительную экономию металла и снижает стоимость устройства систем отопления.

Рисунок 3 – Схема двухтрубной системы отопления с насосной циркуляцией  
и верхней разводкой: 1 – котел; 2 – верхняя разводящая магистраль;  
3 – расширительный сосуд; 4 – воздухосборник; 5 – горячие подающие стояки; 6 – нагревательные приборы; 7 – обратные стояки; 8 – обратная сборная магистраль; 9 – центробежный насос 

       Для постоянной циркуляции воды необходима непрерывная работа центробежного насоса. Поэтому в системах отопления с насосной циркуляцией устанавливают два насоса, один из которых является резервным. Насосы работают попеременно. В насосных системах отопления вследствие охлаждения воды в приборах и трубах возникает также естественное давление.

       В случае прекращения подачи электроэнергии и остановки насосов благодаря естественному давлению вода продолжает медленно циркулировать в системе. Эта циркуляция предотвращает быстрое повышение температуры воды в котле и аварию его, а также временно обеспечивает некоторое прогревание приборов верхних этажей и предохраняет магистрали от замораживания. Для уменьшения сопротивлений движению воды у насосов устраивают обводную линию с параллельной задвижкой; если открыть задвижку, вода проходит по трубопроводу, минуя насосы.