Тема 2. Системы отопления

Лекция 10. КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ

Системы отопления служат для поддержания в помещениях заданного температурного режима в течение отопительного периода. Их требуемая теплопроизводительность рассчитывается из условия компенсации расчетных теплопотерь отапливаемого помещения с учетом внутренних тепловыделений.

Любые системы отопления включают в себя три обязательных элемента: источник теплоты (теплогенератор), нагревательные приборы (теплоотдающие элементы) и теплопроводы для передачи тепловой энергии от источника к нагревательным приборам (транспортная система). В зависимости от взаимного расположения указанных элементов системы отопления подразделяются на местные и центральные.

В местных системах отопления все три элемента конструктивно объединены в одном устройстве и, следовательно, расположены в одном месте – в отапливаемом помещении. Наиболее ярким примером местной системы отопления является отопительная печь. В такой печи теплогенератором является топка, нагревательными приборами – стенки, отдающие теплоту в помещение, а транспортной системой – газоходы, по которым транспортируются продукты сгорания топлива, передающие тепловую энергию стенкам. Из-за низких КПД, малой единичной мощности, повышенной пожароопасности, а также сложностей, связанных с эксплуатацией, системы печного отопления утратили в настоящее время свое былое значение. Кроме печного отопления к местным - относятся современные системы на базе автономных газовых теплогенераторов для поквартирного теплоснабжения, автоматизированных блочных и крышных котельных с водогрейными отопительными котлами малой мощности, автономных электронагревательных приборов и электрокотельных, а также газовых излучающих горелок, огневых калориферов, тепловых пушек и воздушно-отопительных агрегатов, применяемых в промышленных зданиях.

В системах центрального отопления источник теплоты (теплогенератор) располагается в некотором центре и снабжает тепловой энергией одновременно несколько зданий, жилой микрорайон, промпредприятие, несколько предприятий, а иногда и целый город. Источниками теплоты для систем центрального отопления могут служить квартальные или районные котельные (РК), промышленные котельные (ПК), а также теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Из всех централизованных энергоисточников наиболее рациональным является ТЭЦ. На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка двух видов энергии: тепловой и электрической по теплофикационному циклу. Поэтому системы центрального отопления и теплоснабжения на базе ТЭЦ называются теплофикационными. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии на ТЭЦ дает в целом по энергосистеме существенную экономию топлива относительно раздельной выработки тех же количеств энергии раздельным способом на КЭС и в котельных.

По виду теплоносителя системы центрального отопления подразделяются на водяные, паровые, воздушные и комбинированные (например, пароводяные и паровоздушные).

По способу циркуляции теплоносителя все системы отопления подразделяются на системы с естественной и принудительной циркуляцией. В системах с естественной циркуляцией движение осуществляется естественным путем за счет разности плотностей теплоносителя, нагретого источником и охлажденного в нагревательных приборах. В системах с принудительной циркуляцией движение тепло-носителя осуществляется в результате работы циркуляционного насоса.

По параметрам теплоносителя системы центрального отопления подразделяются на водяные: низкотемпературные и высокотемпературные, а также паровые: низкого, высокого давления и вакуум-паровые. Низкотемпературными системами отопления считаются водяные системы с максимальной температурой нагреваемой воды до 100С, а высокотемпературными – более 100 С. Паровые системы с избыточным давлением пара  0,07 МПа относятся к системам высокого давления; с избыточным давлением  0,07 МПа относятся к системам низкого давления; с отрицательным избыточным давлением являются вакуум-паровыми.

Сравнение эффективности теплоносителей, применяемых в системах отопления. С теоретической точки зрения в качестве теплоносителя для систем центрального отопления может быть использована любая подвижная (жидкая или газообразная), негорючая среда, обладающая хорошей теплоаккумулирующей способностью, дешевая (имеющаяся в природе в достаточном количестве), не агрессивная (не вызывающая быстрой коррозии материалов), не оказывающая вредного воздействия на человеческий организм, то есть удовлетворяющая экологическим требованиям, легко изменяющая параметры при регулировании тепловой нагрузки. Всем этим требованиям удовлетворяют вода, водяной пар и воздух.

Для объективного сравнения эффективности, количественно оценим следующие технические характеристики конкурирующих систем отопления в случае использования в них каждого из перечисленных теплоносителей. Суммарную поверхность нагревательных приборов F, м²/МВт, требуемую для передачи 1МВт теплоты от теплоносителя к воздуху помещения; удельный расход теплоносителя, требуемый для транспортировки 1МВт теплоты V, м³/(сМВт), и необходимый для этого диаметр условного прохода теплопровода (трубы или воздуховода) d_у , мм/МВт; потери давления Р, Па/м, и энергозатраты N, Вт/(мМВт), необходимые для транспортировки теплоносителя, переносящего 1МВт теплоты, на 1 м длины теплопровода. Результаты расчета представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Данные для сравнения эффективности теплоносителей,

применяемых в системах отопления

Параметры	Расчетная формула	Численные значения при теплоносителе
		Пар		Вода	Воз-дух
		перег.	нас.
1. Давление теплоносителя	Ризб, МПа	0,1	0,01	-	-
2. Температуры теплоносителя
- подаваемого	t1, С	160	101,8	95	50
- обратного	t2, С	119	101,8	70	20
3.Температура нагревательного прибора	tпр=(t1+ t2)/2, С	119 85	101,8 85	82,5 85	100**
4. Температура внутр. воздуха	tв, С	18	18	18	18
5. Коэффициент теплоотдачи нагревательного прибора, Вт/м2С		12,2	11,5	10,6	25**
6.Требуемая поверхность нагре- вательных приборов, м2/МВт		812	1038	1463	500
7. Удельная теплоемкость	с, кДж/(кгС)	2284*	2249*	4,19	1,005
8. Плотность	, кг/м3	1,0	0,634	960	1,09
9. Удельный расход теплоносителя, переносящий 1 МВт теплового потока
- массовый, кг/(сМВт)	Gi=1000/c(t1-t2)	0,438	0,445	9,6	33,2
- объемный, м3/(сМВт)	Vi = Gi / 	0,438	0,701	0,01	30,4
10. Нормативная скорость	vн , м/с	80	30	1,0	10,0
11.Требуемое сечение, м2/МВт	F = V/vн	0,0055	0,023	0,01	3,04
12.Требуемый диаметр условн. прохода теплопровода, м/МВт	di =	0,08	0,18	0,12	1,97
13. Отношение диаметров	f = di / dводы	0,67	1,5	1,0	16,4
14. Удельные потери давления на 1 м длины теплопровода	Р , Па/м, (по таблицам)	1000	55	80	0,4
15.Энергозатраты, требуемые для перемещения удельного расхода теплоносителя Vi, м3/(сМВт), через 1 м длины теплопровода	Ni = Р V, Вт/(мМВт) % на 1 км длины	438 43,8%	38,6 3,9 %	0,8 0,08%	12,2 1,2%
		не требуется электро-энергии		требуется электро-энергия

Примечания: * Разность энтальпий пара с параметрами Р_изб , t₁ и жидкости при том же давлении и температуре t₂ ; ** Cредняя температура поверхности и коэффициент теплопередачи вентиляционного калорифера.

Технико-экономическое сравнение вариантов и обоснование условий эффективного использования паровых, водяных и воздушных систем отопления. Анализируя данные таблицы 2.1, можно заметить, что в расчете на 1 МВт тепловой нагрузки наименьшую поверхность нагрева, а, следовательно, и - металлоемкость имеют нагревательные приборы (калориферы) воздушных систем отопления. Наибольшая поверхность имеет место в водяных системах. С другой стороны из-за низкой удельной теплоемкости и плотности воздуха диаметр воздуховодов, а, следовательно, и расход металла на теплопроводы воздушных систем (несмотря на то, что они изготавливаются из тонколистовой стали =11,5 мм) в несколько раз превышает расход металла на трубы водяных систем такой же длины. Поэтому при малой протяженности теплопроводов капвложения в воздушные системы гораздо меньше, чем в водяные – такой же теплопроизводительности. Однако с увеличением длины воздуховодов капвложения в систему воздушного отопления резко возрастают и становятся большими, по сравнению капвложениями в водяные системы.

Аналогичные рассуждения справедливы и при сравнении любых других систем отопления. Основываясь на данных таблицы 2.1, можно оценить суммарные удельные капвложения К_i , руб/МВт, требуемые для устройства систем центрального отопления при использовании в них того или иного i-го теплоносителя

К_i = К_{н.п, i} + К_{т.п, i} = F_i m_уд с_мет + d_i_iL_метc_мет , (2.1)

где К_{н.п, i} ; К_{т.п, i} – удельные капвложения в нагревательные приборы и теплопроводы, приходящиеся на 1МВт расчетной тепловой нагрузки, при использовании в системе отопления i-го теплоносителя, руб/МВт;

m_уд – масса нагревательных приборов, приходящаяся на единицу поверхности нагрева, кг/м²;

c_мет – стоимость металла, руб/кг;

_i – толщина стенки теплопровода при использовании i-го теплоносителя, м;

L – длина теплопровода, м;

_мет – плотность металла, равная для стали 7850 кг/м³.

Годовые эксплуатационные издержки, И_i , руб/МВтгод, связанные с оплатой транспортных энергозатрат на перекачку i-го теплоносителя по теплопроводу длиной L, м, приходящиеся на 1МВт расчетной тепловой нагрузки, можно определить, как

И_i = 2410^-3N_i Т_о.пLc_э,i , (2.2)

где Т_о.п – продолжительность отопительного периода, сут/год;

c_э,i – тарифная стоимость энергии, используемой для перекачки теплоносителя, (в водяных и воздушных системах – электроэнергии; в паровых системах – теплоты), руб/кВтч.

Анализируя формулу (2.2) совместно с данными таблицы 2.1, видим, что, при любой заданной длине теплопровода L и постоянных значениях Т_о.п и с_э,i , минимальная величина годовых эксплуатационных издержек достигается в водяной системе отопления. Поэтому водяную систему отопления удобно использовать в качестве базовой - при технико-экономическом сравнении вариантов. В процессе сравнения будем рассуждать следующим образом: применение водяных систем отопления вместо систем, использующих любой i-й теплоноситель, позволит получить сокращение удельных годовых эксплуатационных издержек И_год , руб/ МВтгод, равное

И_год = И_i – И_вод = 2410^-3 Т_о.пL(N_i c_э,i – N_водс_эл) , (2.3)

где N_вод - удельные энергозатраты на 1МВт расчетной тепловой нагрузки, требуемые для перекачки теплоносителя через 1 м длины теплопровода водяной системы отопления, Вт/мМВт;

c_эл – тарифная стоимость электроэнергии, руб/кВтч.

При этом капвложения в водяную систему могут оказаться большими, по сравнению с капвложениями в другие системы отопления. Приращение капвложений К, руб/МВт, определим с учетом выражения (1.1), как

К = К_вод – К_i = m_уд с_мет (F_вод – F_i) + _метc_мет(d_вод_вод – d_i_i)L , (2.4)

где F_вод ; d_вод; _вод – поверхность нагревательных приборов, м²; диаметр и толщина стенки теплопровода, м, водяной системы отопления.

Главным критерием экономической целесообразности конкурирующих вариантов является положительность интегрального эффекта, определяющегося как разность между дисконтированной по годам прибылью от сокращения эксплуатационных издержек и дополнительными капвложениями [5]. Интегральный эффект от использования водяных систем отопления вместо систем с любым i-м теплоносителем, может быть рассчитан, как

Э_инт = И_год – К , (2.5)

где  – коэффициент дисконтирования эксплуатационных издержек.

Подставив выражения (2.3) и (2.4) в (2.5) и решив полученное уравнение при условии равноэкономичности вариантов Э_инт = 0, получим формулу для расчета максимальной экономически целесообразной длины теплопроводов систем отопления с различными i-ми теплоносителями

. (2.6)

Физический смысл полученного критерия заключается в том, что он определяет максимальную протяженность теплопроводов, в пределах которой система отопления с любым i-м теплоносителем может быть экономичнее водяной. При L = L конкурирующие системы равноэкономичны, а при L  L более экономичной является водяная система отопления.

Вышеизложенное хорошо иллюстрируется гафиками рис.2.1, на которых показано сокращение интегрального эффекта от использования паровых и воздушных систем отопления вместо водяных при увеличении протяженности теплопроводов. Для расчета графиков использовались данные таблицы 2.1, а также следующие численные значения ценовых и технико-экономических показателей m_уд = 80 кг/м²; c_мет = 14 руб/кг; с_эл = 1,25 руб/кВтч; c_тепл = 0,265 руб/кВтч;  = 11,25 лет (при Т_сл = 30лет, Е = 0,08 год^-1).

Рис.2.1. Зависимость интегрального эффекта от протяженности систем

отопления с различными теплоносителями, применяемыми

взамен водяной системы:

Прямая 1 – Паровая система отопления высокого давления;

Прямая 2 – Паровая система отопления низкого давления;

Прямая 3 – Воздушная система отопления.

Из графиков видно, что паровые системы отопления высокого давления могут быть экономически целесообразными при небольшой протяженности теплопроводов L  120 м; паровые системы низкого давления – при L  750 м; воздушные - при L  670 м. При большей протяженности теплопроводов более экономичными являются водяные системы отопления. Этим объясняется тот факт, что протяженные тепловые сети крупных предприятий и городов всегда проектируются водяными.

Кроме экономической целесообразности при выборе систем отопления учитываются санитарно-гигиенические требования. Согласно этим требованиям расчетная температура поверхности нагревательных приборов не должна превышать 85-90С. При большей температуре поверхности на ней начинается интенсивное разложение и сухая возгонка органической пыли с выделением канцерогенных веществ. В паровых системах отопления температура нагревательных приборов  100С, и, следовательно, превышает гигиенический предел. Кроме того, недостатками паровых систем являются шум и удары в трубах из-за попутной конденсации пара, меньшая долговечность из-за ускоренной коррозии металла в условиях высокой температуры, невозможность центрального качественного регулирования путем изменения температуры теплоносителя, подаваемого в систему, (применяется регулирование пропусками) и, как следствие этого, более дорогостоящая и сложная эксплуатация [3]. Поэтому использование паровых систем разрешено строительными нормами только в промышленных зданиях [10]. Реально такие системы используются лишь в том случае, когда по всей территории промпредприятия проложен технологический паропровод высокого давления и строительство параллельной водяной теплосети экономически нецелесообразно.

Воздушное отопление в большей степени, чем паровое, удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям. Благодаря возможности совмещения с системами вентиляции этот тип отопления получил широкое распространение в производственных зданиях. Воздушное отопление дает возможность центрального качественного регулирования тепловой нагрузки за счет изменения температуры подаваемого воздуха. Кроме того, воздушное отопление целесообразно использовать в качестве дежурного - или периодического отопления для помещений большого объема, так как в силу малой теплоинерционности воздушные системы могут обеспечивать наиболее быстрый прогрев внутреннего воздуха [4]. К причинам, которые могут ограничивать область применения воздушного отопления, относится небольшой радиус действия из-за резкого снижения температуры воздуха по длине воздуховода и невысокая надежность.

Наиболее широкое распространение в нашей стране получили системы водяного отопления благодаря своим высоким санитарно-гигиеническим качествам, экономичности, надежности, долговечности и бесшумности работы. Широкому распространению водяных систем способствовало также развитие отечественной теплофикации с большими радиусами действия тепловых сетей от крупных ТЭЦ.

Системы водяного отопления классифицируются по способу циркуляции воды в трубах, по способу прокладки разводящих магистралей, по способу распределения воды между стояками, по количеству стояков, обслуживающих нагревательные приборы и по направлению прокладки стояков.

1. По способу циркуляции воды системы отопления бывают с естественной и насосной циркуляцией. Системы с естественной циркуляцией применяются довольно редко, в основном для отопления отдельно стоящих зданий или коттеджей. В большинстве жилых общественных и промышленных зданий используются системы с насосной циркуляцией.

2. По способу прокладки разводящих магистралей системы отопления бывают с нижней и верхней разводкой. Нижнюю разводку используют преимущественно в бесчердачных зданиях, а верхнюю - в зданиях любой конструкции.

3. По способу распределения воды между стояками системы отопления подразделяются на тупиковые и с попутным движением воды. Системы с попутным движением воды применяют только при большой горизонтальной протяженности разводящих трубопроводов для уравнивания длины всех циркуляционных колец. Тупиковые системы являются наиболее распространенными.

4. По количеству стояков, обслуживающих нагревательные приборы, системы отопления подразделяются на двухтрубные и однотрубные. Однотрубные системы в свою очередь бывают проточными и с замыкающими участками.

5. По направлению прокладки стояков системы отопления подразделяются на горизонтальные и вертикальные. Вертикальные системы наиболее распространены. Горизонтальные – используются в основном в одноэтажных промышленных или общественных зданиях большой горизонтальной протяженности. Например, в многопролетных цехах, спортзалах, торговых павильонах. В последнее время с развитием поквартирного теплоснабжения горизонтальные системы начали использоваться и в жилых домах. Такие системы обязательно должны иметь искусственное побуждение, так как естественная циркуляция теплоносителя в них не возможна.

Полное название системы должно включать в себя все пункты классификации. Например, насосная водяная система отопления, тупиковая, с верхней разводкой, вертикальная. Схема такой системы показана на рис. 2.2. Левая часть условно показана однотрубной, а правая – двухтрубной.

Рис. 2.2. Схема насосной, вертикальной, тупиковой системы водяного

отопления с верхней разводкой, подключенной к теплосети:

В левой части: однотрубная система

Ст.1 – проточный с двухсторонним присоединением приборов;

Cт.2 – с осевыми замыкающими участками и двухсторонним

присоединением приборов;

Ст.3 – со смещенными замыкающими участками и односторонним

присоединением приборов.

В правой части: двухтрубная система;

Cт.4 – с двухсторонним присоединением приборов;

Cт.5 – с односторонним присоединением приборов;

Cт.6 – с двухсторонним присоединением приборов на сцепке.

Условные обозначения: Т1 – подающий трубопровод;

Т2 – обратный трубопровод;

ИТП – индивидуальный тепловой пункт;

Подающий трубопровод в системе с верхней разводкой прокладывается на чердаке, а при отсутствии такового - под потолком верхнего этажа. Обратная магистраль прокладывается в подвале, а при отсутствии подвала – в подпольном канале первого этажа. Все горизонтальные трубопроводы прокладываются с уклоном не меньшим i = 0,002, который обеспечивает отвод воздуха в воздухосборники, расположенные в самых высоких точках системы, или в расширительный бак.

Удаление воздуха через расширительный бак осуществляется только в системах с естественной циркуляцией. Поэтому в таких системах уклон подающих трубопроводов делается в направлении движения теплоносителя. Пузырьки воздуха при этом вынуждены двигаться навстречу водяному потоку. Так как скорости движения теплоносителя в системах с естественной циркуляцией меньше скорости движения воздушных пузырьков, которая составляет 0,2 м/с, удаление воздуха через бак происходит нормально. Однако для облегчения этого процесса уклон трубопроводов стараются по возможности увеличить сверх нормативной минимальной величины, обычно до i = 0,010,05.

В системах с насосной циркуляцией уклон подающих трубопроводов делается в противоположном направлении для того, чтобы направление движения воздушных пузырьков совпадало с направлением потока теплоносителя. При этом наивысшими точками системы оказываются концы разводящих веток, в которых и устанавливаются воздухосборники. При совпадении направления движения теплоносителя и воздушных пузырьков уклон трубопроводов может быть минимальным.

Водяная система отопления может работать от автономного теплоисточника (собственной котельной) или подключаться к центральной тепловой сети через водоструйный насос-элеватор, обеспечивающий подмешивание обратной воды в подающую магистраль для понижения температуры теплоносителя, подаваемого к нагревательным приборам до 95С. При подключении к тепловой сети циркуляция теплоносителя в системе отопления, как правило, осуществляется за счет разности давлений в подающей и обратной трубе тепловой сети. Для нормальной работы элеватора рекомендуется иметь располагаемый перепад (разность давлений) в точке подключения Р_р=1520 м водяного столба. Минимальное значение этого перепада, требуемое для установки элеватора, ориентировочно составляет 68 м водяного столба. При более низких значениях Р_р на абонентском вводе вместо водоструйного элеватора устанавливается циркуляционный или подмешивающий электронасос. Циркуляционные насосы устанавливаются в том случае, когда располагаемый перепад давлений в точке подключения к тепловой сети не достаточен для преодоления расчетных потерь давления местной системы отопления, то есть Р_р  Р_м.с . В случае когда располагаемый перепад на абонентском вводе больше расчетных потерь давления местной системы Р_р  Р_м.с , устанавливается подмешивающий насос на перемычке [14]. С энергетической точки зрения установка насоса на перемычке наиболее рациональна, так как обеспечивает наименьшие затраты электроэнергии по сравнению с другими вариантами установки электронасосов на абонентских вводах.

Циркуляционный насос обязательно должен устанавливаться на обратном трубопроводе или же после узла смешения на подающем трубопроводе системы отопления, то есть в том месте, где температура теплоносителя не превышает 100С. В противном случае на всасывающем патрубке насоса возможно вскипание жидкости, так как при понижении давления вода закипает при температурах, меньших 100С. Вскипание теплоносителя на всасывающем патрубке насосов недопустимо, так как приводит к быстрому выходу из строя рабочего колеса. Принципиальные схемы смесительных узлов показаны на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Принципиальные схемы смесительных узлов абонентских вводов:

a – c насосом-элеватором; б – с подмешивающим насосом на перемычке;

в – с циркуляционным насосом на обратном трубопроводе;

г – с циркуляционным насосом на подающем трубопроводе;