14.3. Теплоснабжение жилых помещений, учреждений, заведений
В жилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями тепловой энергии являются системы отопления зданий, нагревания приточного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования, горячего водоснабжения, а также технологические процессы предприятий бытового обслуживания. Определение расхода тепла на указанные цели ведется по специальной методике. Их потребности удовлетворяются в основном за счет централизованного теплоснабжения, представляющего собой процесс обеспечения тепловой энергией низкого (до 150°С) и среднего (до 350°С) потенциала нескольких потребителей от одного или нескольких источников.
Источником тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения могут быть теплоцентрали (ТЭЦ), районнные (РК) и квартальные котельные (рис. 14.6), оборудованные водогрейным или паровыми котлами.
14.6. Схема источника водяного теплоснабжения (квартальной котельной):
1 – котел;
2 – питательный насос;
3 – подогреватель;
4 – сетевой насос
Из котлов теплоноситель поступает к нагревательным приборам помещений по системе трубопроводов.
Тепловая энергия отпускается потребителям в виде горячей воды и водяного пара. Для снабжения тепловой энергией жилищно-коммунального сектора в качестве теплоносителя применяют воду, а для снабжения промышленных предприятий наряду с водой часто применяют водяной пар. Горячая вода надежно и экономично обеспечивает теплом системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и некоторые технологические процессы.
Пар способен обеспечивать надежное и экономичное протекание многих технологических процессов и пригоден для обеспечения всех видов теплоснабжения.
Параметры теплоносителя (давление и температура) зависят от вида потребителей тепловой энергии и обосновываются технико-экономическим расчетом.
Централизованное теплоснабжение от ТЭЦ и РК по сравнению с местным печным и центральным отоплением от домовых котельных позволяет резко сократить расход топлива, улучшить тепловой комфорт и уменьшить загрязнение воздушного бассейна, снизить капитальные и эксплуатационные затраты.
Виды систем теплоснабжения. Каждая система теплоснабжения состоит из следующих основных элементов: источника тепловой энергии, тепловой сети, абонентских вводов и местных систем потребления тепла.
Системы теплоснабжения с различными устройствами и назначениями элементов классифицируют по признакам: источнику приготовления тепла, роду теплоносителя (водяные и паровые), способу подачи воды на горячее водоснабжение (закрытые и открытые), количеству трубопроводов тепловых сетей (однотрубные и многотрубные), способу обеспечения потребителей тепловой энергией (одноступенчатые и многоступенчатые) и др.
Водяные системы применяют в основном для теплоснабжения сезонных потребителей и горячего водоснабжения, а в некоторых случаях и для технологических процессов. Протяженность водяных систем теплоснабжения составляет 50% от общей длины всех тепловых сетей. В большинстве европейских стран (Швейцария, Швеция, Италия, Дания) на долю паровых систем приходится до 10% протяженности тепловых сетей. В Исландии и Норвегии пар как теплоноситель вообще не используется.
В закрытых водяных системах теплоснабжения воду из тепловых сетей используют только как греющую среду для нагревания в подогревателях поверхностного типа водопроводной воды, поступающей затем в местную систему горячего водоснабжения. В открытых водяных системах теплоснабжения горячая вода к водозаборным приборам местной системы поступает непосредственно из тепловых сетей.
В одноступенчатых системах теплоснабжения потребителей тепла присоединяют непосредственно к тепловым сетям (рис. 14.7).
Узлы присоединения потребителей тепла к тепловым сетям называют абонентскими вводами. На абонентском вводе каждого здания устанавливают подогреватели горячего водоснабжения, элеваторы, насосы, арматуру, контрольно-измерительные приборы для регулирования параметров и расходов теплоносителя по местным отопительным и водоразборным приборам. Поэтому часто абонентский ввод называют местным тепловым пунктом (МТП). Если абонентский ввод сооружается для отдельной установки, то его называют индивидуальным тепловым пунктом (ИТП).
Непосредственное присоединение отопительных приборов ограничивает пределы допустимого давления в тепловых сетях, так как высокое давление, необходимое для транспорта теплоносителя к конечным потребителям, опасно для радиаторов отопления. В силу этого одноступенчатые системы применяют для теплоснабжения ограниченного числа потребителей от котельных с небольшой длиной тепловых сетей.
Рис. 14.7. Схема одноступенчатой системы теплоснабжения:
1 – магистральные трубопроводы;
2 – ответвления;
МТП – местный тепловой пункт;
ТП – теплофикационный подогреватель;
ПК – пиковый котел;
СН – сетевой насос.
В многоступенчатых системах (рис. 14.8) между источником тепла и потребителями размещают центральные тепловые пункты (ЦТП) или контрольно-распределительные пункты (КРП), в которых параметры теплоносителя могут изменяться по требованию местных потребителей. ЦТП и КРП оборудуются насосными и водонагревательными установками, регулирующей и предохранительной арматурой, контрольно-измерительными приборами, предназначенными для обеспечения группы потребителей в квартале или районе теплом необходимых параметров. С помощью насосных или водонагревательных установок магистральные трубопроводы (первая ступень) соответственно частично или полностью гидравлически изолируются от распределительных сетей (вторая ступень). Из ЦТП или КРП теплоноситель с допустимыми или установленными параметрами для местных потребителей по общим или отдельным трубопроводам второй ступени подается в МТП каждого здания. При этом в МТП производится лишь элеваторное подмешивание обратной воды из местных отопительных установок, местное регулирование расхода воды на горячее водоснабжение и учет расхода тепла.
Рис. 14.8. Схема двухступенчатой системы теплоснабжения:
1 – магистральные трубопроводы;
2 – ответвления;
3 – распределительные сети;
4, 5 – ответвления к зданиям на отопление и вентиляцию;
6 – ответвление на технологические процессы;
ТП – теплофикационный подогреватель;
ПК – пиковый котел;
СН – сетевой насос
Полная гидравлическая изоляция тепловых сетей первой и второй ступеней является важнейшим мероприятием повышения надежности теплоснабжения и увеличения дальности транспорта тепла. Многоступенчатые системы теплоснабжения с ЦТП и КРП позволяют в десятки раз уменьшить число местных подогревателей горячего водоснабжения, циркуляционных насосов и регуляторов температуры, устанавливаемых в МТП при одноступенчатой системе. В ЦТП возможна организация обработки местной водопроводной воды для предупреждения коррозии систем горячего водоснабжения. Наконец, при сооружении ЦТП и КРП сокращаются в значительной мере эксплуатационные затраты и затраты на содержание персонала для обслуживания оборудования в МТП.
В зависимости от числа теплопроводов водяные системы теплоснабжения могут быть однотрубными, двухтрубными, трехтрубными, четырехтрубными и комбинированными, если число труб в тепловой сети не остается постоянным.
Наиболее экономичны однотрубные (разомкнутые) системы (рис. 14.9, а). Они целесообразны только тогда, когда среднечасовой расход сетевой воды, подаваемой на нужды отопления и вентиляции, совпадает со среднечасовым расходом воды, потребляемой для горячего водоснабжения. При дисбалансе указанных расходов не использованную для горячего водоснабжения воду приходится отправлять в дренаж, что является очень неэкономичным. В связи с этим наибольшее распространение получили двухтрубные системы теплоснабжения: открытые и закрытые.
Рис. 14.9. Принципиальные схемы водяных систем теплоснабжения
а – однотрубной (рамокнутой); б – четырехтрубной;
1 – источник тепла; 2 – подающий трубопровод тепловой сети; 3 – абонентский ввод; 4 – калорифер вентиляции; 5 – абонентский теплообменник отопления; 6 – нагревательный прибор; 7 – трубопроводы местной системы отопления; 8 – местная система горячего водоснабжения; 9 – обратный трубопровод сети; 10 – горячее водоснабжение; 11 – рециркуляционный трубопровод
При значительном удалении источника тепла от теплоснабжаемого района целесообразны комбинированные системы теплоснабжения, представляющие собой сочетание однотрубной системы и полузамкнутой двухтрубной.
Наибольшее распространение получили двухтрубные системы.
Двухтрубные закрытые системы состоят из подающего и обратного трубопроводов. По подающему трубопроводу нагретая сетевая вода с температурой t1 транспортируется от источника тепловой энергии к потребителю. По обратному трубопроводу охлажденная сетевая вода с температурой t2 возвращается от потребителя к источнику для повторного подогрева. Двухтрубные системы проще и дешевле многотрубных. Такие системы применяют преимущественно для совместной подачи тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Присоединение технологических установок допускается при применении мер, предупреждающих попадание в тепловые сети вредных примесей.
В промышленных районах, где имеется большая технологиче-кая тепловая нагрузка повышенных параметров и возможно использование собственных вторичных энергоресурсов или каче-ство воды в тепловых сетях не отвечает требованиям производ-ственных процессов, рекомендуются трех- и четырехтрубные тепловые сети.
Трехтрубные системы находят применение в промышленных системах теплоснабжения с постоянным расходом воды, подаваемой на технологические нужды. Такие системы имеют две подающие трубы. По одной из них вода с неизменной температурой поступает к технологическим аппаратам и теплообменникам горячего водоснабжения, по другой – вода с переменной температурой идет на нужды отопления и вентиляции. Охлажденная вода от всех местных систем возвращается к источнику тепла по одному общему трубопроводу.
Четырехтрубные системы (см. рис. 14.9, б) из-за большого расхода металла применяется лишь в мелких системах с целью упрощения абонентских вводов. В таких системах вода для местных систем горячего водоснабжения приготовляется непосредственно у источника тепла (в котельных) и по особой трубе подводится к потребителям, где непосредственно поступает в местные системы горячего водоснабжения.
Четырехтрубные системы распространяются также в сельских районах и рабочих поселках, где нагрузка горячего водоснабжения невелика и сосредоточена в небольшом количестве общественных зданий (бани, столовые, гостиницы, школы, спортивные и детские учреждения) или в сельскохозяйственных комплексах. Полная гидравлическая изоляция разнородных потребителей в четырехтрубных системах упрощает раздельную подачу тепла и центральное регулирование сезонных и круглогодовых нагрузок. Одновременно с этим отпадает надобность дорогостоящих местных и центральных тепловых пунктов. Раздельное центральное регулирование способствует росту культуры и повышению надежности теплоснабжения.
В этом случае у абонентов отсутствуют подогревательные установки горячего водоснабжения и рециркуляционная вода в системах горячего водоснабжения возвращается для подогрева к источнику тепла. Две другие трубы в такой системе предназначаются для местных систем отопления и вентиляции. Их режим характеризуется постоянным расходом воды и переменной температурой.
Присоединение потребителей к водяным системам теплоснабжения. Эффективность водяных систем теплоснабжения во многом определяется схемой присоединения абонентского ввода, который является связующим звеном между наружными тепловыми сетями и местными потребителями тепла.
Схемы присоединения местных систем отопления по признаку гидравлической связи с тепловыми сетями бывают зависимые и неза- висимые.
В зависимых схемах присоединения теплоноситель в отопительные приборы поступает непосредственно из тепловых сетей. Таким образом, один и тот же теплоноситель циркулирует как в тепловой сети, так и в отопительной системе. Вследствие этого давление в местных системах отопления определяется режимом давлений в наружных тепловых сетях.
В независимых схемах присоединения теплоноситель из тепловой сети поступает в подогреватель, в котором его тепло используется для нагревания воды, заполняющей местную систему отопления. При этом сетевая вода и вода в местной системе отопления разделены поверхностью нагрева и таким образом сеть и система отопления полностью гидравлически изолированы друг от друга. Гидравлическая изоляция теплоносителей на абонентском вводе используется для защиты местных установок от завышенного или заниженного давления в тепловых сетях, при которых возможно разрушение нагревательных приборов или опорожнение местных систем отопления.
На рис. 14.10 зависимое присоединение отопительных приборов показано на схемах а, б, в. При зависимом присоединении местных установок на абонентском вводе применяют наиболее простое и дешевое оборудование.
В отопительных приборах полное использование перепада температур сетевой воды достигает наибольшего значения, благодаря чему может быть уменьшен расход теплоносителя на вводе и сокращена стоимость тепловых сетей за счет уменьшения диаметров труб.
Основной недостаток зависимого присоединения потребителей состоит в том, что давление теплоносителя в тепловых сетях передается на приборы местных систем. Поэтому зависимые местные системы отопления используются в условиях, когда давление в тепловых сетях не превышает прочности отопительных приборов. Отопительные чугунные радиаторы выпускаются на избыточное давление до 0,6 МПа, а стальные конвекторы – до 1,0 МПа.
Зависимое присоединение отопительных установок применяют в системах теплоснабжения жилых и общественных зданий, если температура сетевой воды в подающем трубопроводе не превышает 95-105°С. В таких системах сетевая вода из подающего трубопровода тепловой сети поступает в нагревательные приборы. Остывшая вода из нагревательных приборов возвращается в обратный трубопровод тепловой сети.
Если температура сетевой воды в подающем трубопроводе больше 95-105°С и разность давлений в подающем и обратном трубопроводах достаточна (0,08-0,15 МПа) для нормальной работы элеватора, то отопительные системы присоединяются по схеме б. Необходимая температура воды, поступающей в нагревательные приборы, поддерживается элеваторным подмешиванием остывшей обратной воды из системы отопления к высокотемпературной сетевой воде из подающего трубопровода. Эту схему применяют для отопления жилых и общественных зданий.
Схема в используется вместо схемы б при разности давлений в подающем и обратном трубопроводах на абонентском вводе, недостаточной для нормальной работы элеватора. Замена элеваторного смещения на насосное является прогрессивным решением отопительной техники. Применение насосных смесителей на 10% сокращает потребность сетевой воды и позволяет использовать при монтаже местных систем отопления трубы небольшого диаметра (до 10 мм).
При отключении абонентского ввода, присоединенного к тепловой сети по схеме а или б, вместе с прекращением циркуляции воды в местной системе отопления появляется опасность размораживания отопительных приборов и трубопроводов. Эти недостатки в схеме в устраняются включением циркуляционного насоса. С помощью циркуляционного насоса легко осуществляется регулирование расхода циркулирующей воды, что особенно важно в теплое время отопительного сезона, когда для отопления требуется количественное регулирование «пропусками».
Помимо описанных зависимых отопительных систем применяют схемы с насосами на подающем или обратном трубопроводе абонентского ввода. Первую используют при давлении в подающем трубопроводе тепловой сети, недостаточном для заполнения отопительной системы; вторую - для понижения давления в отопительной системе.
Независимое присоединение местной отопительной системы по схеме г применяют для подключения абонентов к тепловой сети с недопустимо высоким давлением теплоносителя. По такой же схеме подключаются отдельные нетипичные для района высотные здания, для которых давление теплоносителя в сетях недостаточно для заполнения отопительных приборов на верхних этажах. Местная система оборудуется расширительным баком, создающим собственное независимое от наружных сетей гидростатическое давление. Это предохраняет систему от повышенных или аварийных колебаний давления в наружной тепловой сети. Циркуляция воды в местной системе создается работой циркуляционного насоса. Подпитка изолированного контура может производиться очищенной и деаэрированной водой из тепловых сетей через перемычку (показанную пунктиром) между обратным трубопроводом и местной системой. Если давление в обратном трубопроводе сети недостаточно для подачи воды в расширительный блок, то на перемычке устанавливается подкачивающий насос.
Схема независимого присоединения отопительных установок сложнее зависимого, а оборудование теплового пункта значительно дороже.
Местные системы горячего водоснабжения в открытых системах теплоснабжения присоединяются непосредственно, в закрытых – через поверхностные водоводяные подогреватели. В открытых системах теплоснабжения наиболее распространены схемы, показанные на рис. 14.10 д, е, с баками-аккумуляторами и без них. За время отопительного сезона температура сетевой воды в подающем трубопроводе изменяется от 60°С до 150°С, а в обратном – от 30°С до 70°С. В водоразборные приборы вода должна подаваться с температурой не более 60°С. Это достигается смешением в смесителе воды из подающего и обратного трубопроводов. Когда водозабор на горячее водоснабжение становится меньше расчетного, вода (схема д) насосом подается к смесителю и далее, смешиваясь с горячей водой из тепловой сети, идет на зарядку верхнего аккумулятора. По такой схеме аккумулятор заряжается под напором воды в обратном трубопроводе тепловой сети. Насос предназначен для восполнения потерь напора в местной системе горячего водоснабжения. В закрытых системах теплоснабжения местные системы горячего водоснабжения гидравлически изолированы от внешних тепловых сетей. Гидравлическая изоляция сетей и местной водопроводной воды гарантирует защиту местным системам горячего водоснабжения от выноса шлама из отопительных установок, который существенно ухудшает качество воды в водозаборных приборах при непосредственном водозаборе из тепловых сетей.
Диспетчеризация системы теплоснабжения. Современное централизованное теплоснабжение требует непрерывного вмешательства человека для регулирования работы оборудования тепловых станций, сетей и абонентских вводов с главного поста управления. Такая диспетчеризация основана на автоматической передаче информации из подстанций, контрольно-распределительных и тепловых пунктов в центральный диспетчерский пункт. С этой целью во всех характерных пунктах тепловой сети размещаются автоматические приборы с выводами электрических сигналов о показаниях контрольно-измерительных приборов, состоянии электрооборудования и о положениях запорно-регулирующей арматуры на центральный пульт управления. Дистанционное управление на больших расстояниях до объектов регулирования расширяет возможность диспетчерского рапорта и требует значительных капитальных вложений на прокладку большого количества проводов линий связи. Внедрение телеконтроля в телемеханизации позволяет уменьшить эти затраты и повысить эффективность централизованного управления за счет значительного расширения количества объектов и точек контроля и сокращения времени на сбор информации. Дистанционное управление по телевидению подразделяют на оповещательное и исполнительное. Оповещательное телеуправление осуществляется автоматически, по вызову и непрерывно. Автоматическое оповещение оборудуется с целью передачи на пункт управления аварийно-предупредительного сигнала в случае возникновения аварии.
По вызову с места управления система телесигнализации и телеизмерения позволяет получать периодическую информацию о состоянии контролируемых объектов или параметров теплоносителя. Система непрерывного оповещения организуется на сложных участках сети для передачи технологических параметров. Непрерывная информация в диспетчерском пункте может быть записана автоматическими приборами. Исполнительная система телемеханизации предназначена для подачи с пульта управления сигнала на изменение технологических режимов, а также на включение или выключение исполнительных органов. Централизованное диспетчерское телеуправление подачи тепла к многочисленным потребителям является важнейшим мероприятием повышения надежности тепловых сетей и производительности труда. Дитанционный телеконтроль освобождает большое количество постоянных дежурных в контрольно-распределительных, тепловых пунктах и подстанциях, при этом автоматическая телесигнализация создает наилучшую оперативность по предупреждению аварий. Диспетчеризация открывает широкие перспективы для применения систем автоматического управления с вводом опросной информации от контролируемых объектов на ЭВМ для решения важнейших вопросов эксплуатации: 1) вы-бора оптимального сочетания центрального, группового, местного и индивидуального регулирования тепловой нагрузки с учетом местных метеоусловий и микроклимата в отдельных помещениях; 2) выбора оптимального варианта распределения тепловой нагрузки между основными и пиковыми источниками тепла; 3) ускоренной локализации аварийных участков и организации оптимального режима теплоснабжения в аварийных ситуациях; 4) выбора оптимальных условий технической эксплуатации систем теплоснабжения.