3.2.2. Основные схемы систем теплоснабжения и теплопотребления

Большое количество жилых и общественных зданий оборудуется системами отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Теплоносителем в системе отопления является горячая вода или пар с t=95…200 ºС под давлением p=12…16 атм (1,2…1,6 МПа). Выбор температуры в системе теплоснабжения в отопительный период определяется температурой наружного воздуха. В летний период, когда имеет место расход тепла только на ГВС, температура воды в подающем трубопроводе не должна быть менее 65-70 ºС при закрытой схеме горячего водоснабжения и 60 ºС – при открытой системе горячего водоснабжения. Давление воды в сети зависит от её протяженности, рельефа местности, этажности зданий. Давление определяется в результате расчета тепловой сети.

Расход тепла на жилищно-коммунальные нужды включает в себя расход тепла на отопление жилых и общественных зданий, на приточную вентиляцию общественных зданий и расход тепла на горячее водоснабжение [168]. Годовой расход тепла рассчитывается по формуле

Q_г = Q_{от. год} + Q_{вен. год} + Q_{г.в. год} Гкал/год, (3.1)

где Q_{от. год} – годовой расход тепла на отопление общественных и жилых зданий; Q_{вен. год} – годовой расход тепла на вентиляцию; Q_{г.в. год} – годовой расход тепла на горячее водоснабжение.

Расход тепла на отопление принимают по паспортным данным зданий и сооружений, которые приводятся в типовых или индивидуальных проектах. Если такие данные отсутствуют, то их приближенно можно рассчитать по тепловым характеристикам общественных и жилых зданий.

Тепловой характеристикой здания называют количество тепла, теряемого 1 м³ объёма здания (по наружному обмеру) в 1 час при разности внутренней и наружной температуры в 1 ºС [168]. Тепловые характеристики различных жилых и общественных зданий приведены в соответствующей справочной литературе.

Максимальный часовой расход тепла на отопление

ккал/час, (3.2)

где q₀ – тепловая характеристика зданий; К – поправочный коэффициент, учитывающий изменение расчетной наружной температуры (берется из справочника); a – коэффициент, учитывающий расход тепла на подогрев наружного воздуха, поступающего в здание путём инфильтрации через неплотности в ограждениях, принимается равным 1,05-1,1; V – объём здания по наружному обмеру в м³ (высоту здания принимают от пола первого этажа до верха чердачного перекрытия); t_в – температура воздуха внутри здания (принимается по справочным данных в зависимости от типа здания); t_н – расчетная температура наружного воздуха (приведена в справочнике для соответствующего региона).

Годовой расход тепла рассчитывается по формуле

ккал/год, (3.3)

где Z_от – продолжительность отопительного периода в сутках; t_{н ср. от} – средняя температура наружного воздуха в ºС за отопительных период, для соответствующего региона принимается по справочным данным.

Для зданий, имеющих механическую приточную вентиляцию, необходимо учитывать расход тепла на подогрев подаваемого воздуха. Его можно рассчитать по следующей формуле:

ккал/ч, (3.4)

где q_в – удельная тепловая характеристика для вентиляции; V – наружный объем здания в м³; t_в – температура воздуха в здании; t_н.в. – расчетная наружная температура для вентиляции.

Годовой расход тепла на вентиляцию составляет величину

ккал/год, (3.5)

где n_в – среднее число часов работы систем вентиляции в течение суток; Z_в – число суток работы вентиляционных установок; t_н.ср.в – средняя температура наружного воздуха за период работы вентиляции.

Часовой расход тепла на нужды горячего водоснабжения в жилых домах, общежитиях, гостиницах, пансионатах рассчитывается из следующего соотношения:

24 ккал/ч, (3.6)

где k – коэффициент часовой неравномерности потребления горячей воды, принимаемый по справочнику; m – расчетное количество потребителей; a – норма потребления горячей воды в л/сутки, принимаемая из справочника; t_х – температура холодной воды; t_г – расчетная температура горячей воды.

Среднечасовой расход тепла (Qср) определяется по формуле (3.6) без применения коэффициентов неравномерности (k).

Годовой расход тепла на горячее водоснабжение рассчитывается по формуле

ккал/год, (3.7)

где Q_ср – средний часовой расход тепла в ккал/ч; Z_от – продолжительность отопительного периода в часах, принимается по справочнику для соответствующего региона.

В системах теплоснабжения для определения отпущенного тепла используют понятие разности энтальпий. В соответствии с пунктом 3.21 Правил [169] количество тепловой энергии Q и масса теплоносителя определяются теплоснабжающей организацией по формулам [170].

Гкал, (3.8)

, (3.9)

где Q_п – тепловые потери на участке от границы балансовой принадлежности системы теплоснабжения до его узла учета; G_п – масса сетевой воды, израсходованной на подпитку системы отопления при независимой схеме; G_ГВС – масса сетевой воды, израсходованной потребителем на горячее водоснабжение при открытой системе; G_у – масса утечек сетевой воды в системах теплопотребления; h₁ – энтальпия сетевой воды в подающем трубопроводе; h₂ – энтальпия сетевой воды на выходе обратного трубопровода источника тепла; h_х.в. – энтальпия холодной воды, используемой для подпитки системы теплоснабжения на источнике теплоты; G₁ – масса сетевой воды в подающем трубопроводе; G₂ – масса сетевой воды в обратном трубопроводе.

На рис. 3.3 приведена схема теплоснабжения от централизованного источника тепла.

На рис. 3.4 показана обобщенная структурная схема процесса теплоснабжения, учитывающая сложившиеся на практике возможные варианты: 1 – объект имеет собственную котельную (автономная система теплоснабжения); 2 – берет тепло от другого объекта; 3 – получает тепло от муниципальной или ведомственной котельной; 4 – получает тепло от коммерческой организации (через сеть); 5 – получает тепло непосредственно от централизованного производителя; 6 – комбинированные варианты.

Р и с. 3.3. Определение количества отпущенного и потребленного тепла

По категориям теплоснабжение подразделяется на местное (одно здание), групповое (квартальная сеть), районное, промышленное и дальнее (десятки км). Отпуск тепла производится путем подачи нагретой теплоисточником воды в тепловую сеть. В России принята качественная схема регулирования отпускаемой тепловой энергии. При качественном регулировании расход сетевой воды в тепловой сети поддерживается постоянным, а переменной является её температура.

Расход удельного тепла при районном теплоснабжении составляет 150…200 кг/Гкал, если сеть включена в систему центрального отопления, то расход снижается до 80…140 кг/Гкал. Расход зависит от вида котла, состава оборудования и применяемого топлива. Совместное присоединение на одном абонентском вводе систем отопления и ГВС производится по параллельной, смешанной или последовательной схемам. Наибольшее применение имеют смешанная и последовательная схемы. Обе схемы являются двухступенчатыми, т.е. холодная водопроводная вода для горячего водоснабжения подогревается в двух теплообменниках.

Снабжение водой может быть одно– и двухтрубным. В однотрубной системе существует только подающий трубопровод. В двухтрубной системе – и подающий, и обратный. Однотрубная система обычно применяется для бытового и производственного расхода холодной и горячей воды; двухтрубная (с рециркуляцией теплоносителя) – для обогрева помещений горячей водой и паром. Существуют двухтрубные системы с частичным отбором горячей воды на горячее водоснабжение.

Р и с. 3.4. Обобщенная структурная схема теплоснабжения объекта: КС – квартальная сеть; МС – магистральная сеть; ЦТП – центральный тепловой пункт; ИТП – индивидуальный тепловой пункт

Тепловые пункты оснащаются узлами учета – комплектами приборов и устройств, обеспечивающих учет тепловой энергии, массы (объема) теплоносителя, а также контроль и регистрацию его параметров. Узлы учета оборудуются у границы раздела балансовой принадлежности трубопроводов в местах, максимально приближенных к головным задвижкам источника.

Варианты подключения измерительной аппаратуры в тепловых узлах систем теплоснабжения показаны на рис. 3.5, 3.6. Расшифровка условных обозначений на схемах приведена в прил. 3, табл. П.3.1.

На каждом узле учета с помощью приборов определяются:

• T_p – время работы приборов узла учета;

• Q_отп – отпущенная тепловая энергия;

• G₁ и G₂ – масса (объем) теплоносителя, отпущенного и полученного источником теплоты соответственно по подающему и обратному трубопроводам;

• G_гв=G_хвп – масса (объем) теплоносителя, расходуемого на подпитку системы теплоснабжения;

• Q_отп/Т – тепловая энергия, отпущенная за каждый час;

• G₁/Т и G₂ /Т – масса (объем) теплоносителя, отпущенного источником теплоты по подающему трубопроводу и полученного по обратному трубопроводу за каждый час;

• G_гв/Т – масса (объем) теплоносителя, расходуемого на подпитку систем теплоснабжения за каждый час;

• t_1cр.ч, t_2ср.ч, t_хвср.ч, t_1cр.с, t_2срсч, t_хвср.с – значения среднечасовой и среднесуточной температуры теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки;

• р_1ср.ч, р_2ср.ч, р_{п ср.ч} – значения среднечасового давления теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и трубопроводе холодной воды, используемой для подпитки.

Р и с. 3.5. Принципиальная схема размещения точек измерения массы (объема) теплоносителя и его регистрируемых параметров на тепловом узле водяной системы теплоснабжения теплоисточника

Р и с. 3.6. Принципиальная схема размещения точек измерения количества тепловой энергии и массы (объема) теплоносителя, а также его регистрируемых параметров на тепловом узле паровой системы теплоснабжения теплоисточника

Среднечасовые и среднесуточные значения параметров теплоносителя определяются на основании показаний приборов, регистрирующих параметры теплоносителя. В открытых и закрытых системах теплопотребления, где суммарная тепловая нагрузка не превышает 0,5 Гкал/ч, масса (объем) полученного и возвращенного теплоносителя за каждый час и среднечасовые значения параметров теплоносителей могут не определяться.

При измерении расхода теплоносителя в единицах объема масса теплоносителя определяется по формуле

, (3.10)

где V – расход теплоносителя в единицах объема;  =f(t, p) – плотность теплоносителя.

Коммерческий учет осуществляется по расчётным счётчикам тепла, холодной и горячей воды для финансового расчёта с теплоснабжающей организацией.

Технический учет служит для управления теплопотреблением по подсистемам энергопотребляющей организации. Измерительная аппаратура устанавливается на границе балансового раздела с обеих сторон.

Количество тепловой энергии, отпущенной источником теплоты по каждому отдельному выводу, определяется как алгебраическая сумма произведений масс теплоносителя по каждому трубопроводу (подающему, обратному и подпиточному) на соответствующую энтальпию. Масса сетевой воды в обратном и подпиточном трубопроводах берется с отрицательным знаком.

Количество тепловой энергии и масса (объем) теплоносителя, полученные потребителем в паровых системах теплоснабжения, определяются энергоснабжающей организацией на основании показаний приборов его узла учета за определенный договором период по формуле

Q_пот = Q_и + Q_п + (D – G_k)(h _k– h_хв)10^-3 , (3.11)

где Qи – тепловая энергия, израсходованная потребителем по показаниям теплосчетчика; Qn – тепловые потери на участке от границы балансовой принадлежности системы теплоснабжения потребителя до его узла учета (эта величина указывается в договоре и учитывается, если узел учета оборудован не на границе балансовой принадлежности); D – масса пара, полученная потребителем и определенная по его приборам учета; G_k – масса возвращенного потребителем конденсата, определенная по его приборам учета; h_k – энтальпия конденсата в конденсатопроводе на источнике теплоты; h_хв – энтальпия холодной воды, используемой для подпитки систем теплоснабжения на источнике теплоты.

Величины h_k и h_хв определяются по соответствующим измеренным на узле учета источника теплоты средним значениям температур и давлений за рассматриваемый период времени.

От того, как энергоснабжающая организация и потребитель решают вопрос об измерении тепловой энергии (в виде теплоты или в виде энтальпии теплоносителя), зависят условия договора теплоснабжения, схемы измерительных систем, типы средств измерения и др. Так, в случае измерения теплоты помимо теплообменных аппаратов на тепловых вводах устанавливаются два счетчика. Первый счетчик тепловой энергии подключается к контуру теплообменного аппарата. Второй – счетчик горячей воды – ставится на трубопроводе подпитки потребительского контура, так как измерение количества теплоты, передаваемой с сетевой (горячей) водой, которая не возвращается на источник, практически невозможно. Если измерение теплоты не производится, то это дает возможность перейти на более простые принципы построения тарифов на тепловую энергию: в качестве товара используется теплоноситель, а его термодинамические параметры (температура, давление, перепад давления) определяют энергетическую ценность товара.

Схемы подключения измерительной аппаратуры на тепловых узлах обладают большим разнообразием, что связано с типом систем теплоснабжения (водяные или паровые) и теплопотребления, а также исходным базовым оборудованием теплового узла. В состав измерительной аппаратуры входят датчики давления, температуры, расходомеры, теплосчетчики, тепловычислители.