4.3.Системы и схемы горячего водопровода

Классификация систем горячего водоснабжения

Система горячего водоснабжения обеспечивает бесперебойную подачу воды потребителю с температурой не менее 50 °С и не более 75 °C.

В некоторых зданиях (жилых, лечебных, детских и т. д.) система горячего водоснабжения используется для обогрева ванных комнат, для чего устанавливают нагревательные приборы (полотенцесушители).

В зависимости от назначения системы горячего водоснабжения разделяют на хозяйственно-бытовые и производственные. Объединение этих систем допускается, если на технические нужды требуется вода питьевого качества или при контакте с технологическим оборудованием не изменяется качество воды.

Системы горячего водоснабжения могут быть местными и централизованными.

Местные системы устраивают в небольших зданиях, где нагрев воды производится у каждого потребителя или небольшой группы потребителей.

Вода из системы холодного водоснабжения подается в устройство

для нагрева воды (местный водонагреватель), где сгорающее топливо, электроэнергия и т. д. нагревают воду. Горячая вода поступает к потребителю по распределительной сети.

Большое количество водонагревателей, требующих постоянного наблюдения, затрудняет монтаж и эксплуатацию местных систем, поэтому их применяют в небольших зданиях с потреблением тепла не более 208 МДж/ч (50 Мкал/ч) при отсутствии источников централизованного теплоснабжения или значительном удалении от них, когда сооружение тепловых сетей экономически нецелесообразно.

Схемы местных систем горячего водоснабжения включают местный водонагреватель, трубопроводы горячей воды и арматуру. В малоквартирных зданиях иногда используют систему горячего водоснабжения, объединенную с отоплением.

Централизованные системы горячего водоснабжения (ЦГВ) устраивают при наличии мощных источников тепла (ТЭЦ, районные котельные и т. д.). Эти системы состоят из тех же элементов, что и системы холодного водоснабжения, к которым добавляют u1091 устройство для нагрева воды, циркуляционную сеть, обратный трубопровод тепловой сети, необходимые для циркуляции воды, восполнения теплопотерь и поддержания требуемой температуры воды во всех точках системы.

Централизованные системы горячего водоснабжения нашли наиболее широкое применение во всех типах зданий благодаря экономичности, простоте эксплуатации и обслуживания.

В открытой схеме ЦГВ (система с непосредственным водоразбором из тепловой сети) вода нагревается в котлах, расположенных в центральных котельных теплообменниках ТЭЦ, и по квартальной сети подается в систему отопления отдельных зданий, а также на горячее водоснабжение по распределительной сети. Циркуляционные трубопроводы возвращают охлажденную воду для догрева в котлы.

Данная схема проста и долговечна в работе, так как питается тща-

тельно очищенной водой, необходимой для работы котлов без накипеобразования.

Недостатком схемы является большая мощность установок для водоподготовки, которые должны очищать всю воду, идущую на водоразбор, поэтому она используется при низкой карбонатной жесткости природной воды.

В закрытых схемах ЦГВ тепло от котлов (генераторов тепла) передается теплоносителю (перегретой воде, пару и т. д.), который по теплофикационной сети (контуру теплоносителя) поступает к водонагревателю.

Вода из системы холодного водоснабжения, проходя через водонагреватель, нагревается и поступает в распределительную сеть.

Недостатком закрытой схемы является необходимость установки водонагревателей, прокладки внутриквартальной сети.

Однако установки для водоподготовки могут быть небольшой мощности, так как теплоноситель не расходуется, а полностью возвращается в котел, потребитель же получает горячую воду питьевого качества из городского водопровода. Кроме того, котлы находятся под постоянным давлением, которое не зависит от давления в системе ЦГВ. Эти преимущества обеспечили широкое применение закрытой схемы u1062 ЦГВ.

Схемы ЦГВ с циркуляцией применяют в зданиях, где не допускается снижение температуры воды ниже требуемой. Для восполнения теплопотерь предусматривается циркуляция воды, для чего наряду с подающим трубопроводом прокладывают циркуляционный, по которому остывшая вода возвращается в водонагреватель.

Движение воды в циркуляционном контуре может происходить за

счет гравитационного давления (разности плотности горячей и холодной воды) – схемы с естественной циркуляцией или с помощью циркуляционного насоса – схемы с насосной циркуляцией.

В связи с незначительной величиной гравитационного давления схему с естественной циркуляцией применяют в небольших зданиях (высотой до 20 м и длиной горизонтальных участков сети 30 – 60 м). В остальных случаях используют схему с насосной циркуляцией.

Схема ЦГВ без циркуляции используется при постоянном водоразборе (в банях, прачечных и т. д.) или регламентированном по времени потреблении горячей воды (в промышленных предприятиях, где душами пользуются в одно и то же время после окончания смен, а также в небольших малоэтажных зданиях, при коротких ответвлениях к водоразборным приборам).

Схемы ЦГВ с аккумуляторами тепла используют при неравномерном потреблении воды и тепла для уменьшения мощности водонагревателей и выравнивания графика потребления тепла. Аккумуляторы создают запас горячей воды, устраняют резкие колебания температуры воды. Их проектируют, как правило, напорными. В небольших зданиях с местными тепловыми пунктами допускается устройство безнапорных баков – аккумуляторов, располагаемых в наиболее высокой точке здания. В банях, душевых, прачечных баки-аккумуляторы служат для создания запаса воды на случай перерыва в подаче воды наружной сетью.

Аккумуляторы часто объединяются с нагревателями. Это позволяет снизить потери давления в водонагревателе, которые значительно возрастают в процессе эксплуатации из-за образования накипи на внутренних поверхностях. Целесообразность установки аккумуляторов тепла определяется на основе технико-экономических расчетов.

Схемы ЦГВ с насосными установками применяют, когда гарантийное давление в наружной сети постоянно или периодически ниже давления, требуемого для работы системы ЦГВ.

Насосная повысительная установка увеличивает давление до тре-

буемой величины. Иногда циркуляционные насосы устанавливают на подающей линии и используют как циркуляционно-повысительные.

3онные схемы ЦГВ, так же как системы холодного водоснабжения, проектируют в многоэтажных зданиях (высотой более 50 м). Каждая зона, как правило, имеет свой водонагреватель и насосную установку.

Схема ЦГВ с регуляторами температуры автоматически в течение

всего периода эксплуатации обеспечивает наиболее экономичное распределение циркуляционных расходов при сохранении высокой температуры во всех точках схемы.

Регуляторы температуры, установленные у основания стояков или на вводе в здание, автоматически поддерживают постоянную температуру циркуляционной воды 35 – 38 °С, сокращая циркуляционный расход на 18 – 25 % при одновременном повышении температуры у потребителя на 10 – 12 °С.

Требования к качеству воды для горячего водоснабжения

Горячая вода, используемая для хозяйственно-бытовых целей, имеет температуру 25 – 40 °С для санитарно-гигиенических процедур (купание, умывание и т. д.); 40 – 60 °С – для мытья посуды, стирки, приготовления пищи, поэтому минимальную температуру воды в системе принимают равной 60 °С для открытых централизованных и местных систем; 50 °С – для закрытых централизованных систем.

Температуру воды, необходимую для хозяйственно-бытовых процедур, получают смешиванием горячей и холодной воды в смесительной арматуре.

Максимальную температуру воды принимают равной 75 °С в связи с тем, что при большей температуре резко усиливается процесс накипеобразования, особенно в теплообменниках.

Для получения воды большей температуры (в лечебных учреждениях, предприятиях общественного питания и т. д.) размещают местные установки для догрева воды или кипятильники.

При нагревании воды выше 40 °С начинается выпадение углекислых солей кальция и магния (соли, создающие «временную» жесткость воды), которые, отлагаясь на стенках труб в виде плотного осадка (накипи), уменьшают их проходное сечение. Накипь на стенках котлов, водонагревателей снижает теплопередачу, в результате чего увеличивается расход теплоносителя, снижается коэффициент полезного действия.

Для предотвращения сильного накипеобразования временная карбонатная жесткость воды в закрытых системах допускается не более 7 мг-экв/л, а при открытой системе ЦГВ и нагревании воды в теплоцентралях районных котельных – 0,7 мг-экв/л.

Высокая температура воды активизирует действие свободного ки-

слорода и углекислого газа, растворенных в воде. Под действием избыточного количества этих веществ стенки трубопроводов и резервуаров начинают быстро корродировать, поэтому количество растворенного кислорода и углекислого газа не должно нарушать стабильность воды при расчетной температуре нагрева.

При повышенной жесткости или увеличенном содержании кислорода и углекислого газа применяют противонакипную или противокоррозионную обработку воды. Желательно эту обработку проводить централизованно на водопроводных станциях. При экономической нецелесообразности такого варианта используют местные установки для обработки воды, включаемые в систему перед устройством для подогрева воды.

Для противонакипной обработки следует использовать магнитные аппараты, в которых вода пропускается внутри обмотки, создающей магнитное поле напряженностью не более 2000 Э (эрстед). Под действием этого поля соли жёсткости меняют свою структуру и не образуют плотного осадка.

Противокоррозионная обработка производится с помощью деаэра-

ции или введением ингибиторов – веществ, замедляющих коррозию (силикат натрия, магномасса и т. д.). При деаэрации растворенные кислород и углекислый газ удаляются из воды путем разбрызгивания ее в специальных аппаратах при атмосферном или пониженном давлении.

Схемы сетей горячего водоснабжения

Сеть горячего водоснабжения так же, как сеть холодного водопровода, бывает с нижней и с верхней разводками. Сеть горячего водоснабжения бывает тупиковой и закольцованной, но, в отличие от сетей холодного водопровода, кольцевание сети необходимо для выполнения важной функциональной задачи – сохранения высокой температуры воды.

Простые (тупиковые) сети горячего водоснабжения с подающими

трубопроводами применяют в небольших малоэтажных зданиях с короткими стояками, а также в бытовых помещениях промышленных зданий и в зданиях с длительным и более или менее стабильным потреблением горячей воды (бани, прачечные).

Схемы сетей горячего водоснабжения с циркуляционным трубопроводом следует применять в жилых зданиях, гостиницах, общежитиях, лечебных учреждениях, санаториях и домах отдыха, в детских дошкольных учреждениях, а также во всех случаях, когда возможен неравномерный и кратковременный отбор воды.

Обычно сеть горячего водоснабжения состоит из горизонтальных

подающих магистралей и вертикальных распределительных трубопроводов-стояков, от которых устраивают поквартирные разводки. Стояки горячего водоснабжения прокладывают как можно ближе к приборам.

Кроме того, сети горячего водоснабжения подразделяются на двухтрубные (с закольцованными стояками) и однотрубные (с тупиковыми стояками).

При увеличении радиуса действия систем горячего водоснабжения

и разнообразии условий жилой застройки требовалось совершенствование схем централизованных систем горячего водоснабжения. Были созданы принципиально новые схемы с самостоятельными независимыми циркуляционными контурами, ограниченными пределами одной секции здания или пределами одной группы стояков. Небольшой радиус действия этих контуров позволяет поддерживать в них циркуляцию за счет гравитационного напора, в то время как обмен воды в магистральных трубах происходит или за счет водоразбора или с помощью циркуляционного насоса.

При верхней разводке магистралей сборный циркуляционный тру-

бопровод замыкается в виде кольца (рис. 11).

Циркуляция воды в трубопроводном кольце при отсутствии водоразбора осуществляется под действием гравитационного напора, возникающего в системе из-за разницы плотности охлажденной и горячей воды. Охлажденная в стояках вода опускается вниз в водонагреватель и вытесняет из него воду с более высокой температурой. Таким образом, происходит непрерывный водообмен в системе.

Наибольшее распространение получила двухтрубная схема (рис. 12), в которой циркуляция по стоякам и магистралям осуществляется с помощью насоса, забирающего воду из обратной магистрали и подающего ее в водонагреватель.

Система с односторонним присоединением водоразборных точек к подающему стояку и с установкой полотенцесушителей на обратном стояке представляет собой наиболее распространенный вариант подобной схемы. Двухтрубная схема оказалась надежной в эксплуатации и удобной для потребителей, но для нее характерна высокая металлоемкость.

Тупиковая схема сети (рис. 13) имеет наименьшую металлоемкость, но из-за значительного остывания и нерационального сброса остывшей воды применяется в жилых зданиях высотой до четырех этажей, если на стояках не предусмотрены полотенцесушители и протяженность магистральных труб мала.

Схема однотрубной системы горячего водоснабжения с одним холостым подающим стояком на группу водоразборных стояков представлена на рис. 14. Холостой стояк изолирован и устанавливается в паре с одним водоразборным или в секционном узле, состоящем из 2 – 8 закольцованных водоразборных стояков. Основное назначение холостого стояка – транспортирование горячей воды из магистрали в верхнюю перемычку и далее в водоразборные стояки. В каждом стояке происходит самостоятельная, дополнительная циркуляция за счет гравитационного напора, возникающего в контуре секционного узла из-за остывания воды в водоразборных стояках с полотенцесушителями. Холостой стояк помогает правильному распределению потоков в пределах секционного узла. Как показывает опыт эксплуатации, в зданиях высотой 9 и более этажей гравитационный напор, возникающий в стояках при остывании воды, как правило, достаточен для обеспечения необходимой циркуляции.

Если же протяженность магистральных труб велика, а высота стояков ограничена, то применяют схему с закольцованной подающей и циркуляционной магистралями с установкой на них циркуляционного насоса (рис. 15). В этой схеме тоже следует ожидать остывания, но меньшего объема воды. Подобная схема позволяет увеличить протяженность сети.

Для снижения металлоемкости в последние годы стали использовать схему, в которой несколько подающих стояков объединяются перемычкой с одним циркуляционным стояком (рис. 16).Такое решение схемы горячего водоснабжения чаще всего используется для общественных зданий, где не предусматривается установка полотенцесушителей. Схема отличается низкими эксплуатационными показателями, так как верхняя перемычка выполняется из труб того же диаметра, что и подающие стояки; сопротивление ее превышает сопротивление магистралей, поэтому вода движется

только в стояках, близких к циркуляционному.

Способы обеспечения циркуляции воды в системе

Циркуляционные трубопроводы служат для предотвращения осты-

вания горячей воды у точек водоразбора при незначительном водопотреблении или при полном его отсутствии.

Водообмен и следом за ним возобновление теплоты в системе можно достичь тремя путями:

- естественная циркуляция;

- искусственный путь, с использованием циркуляционных насосов;

- использование комбинированной насосно-естественной системы

циркуляции, при которой протяженный горизонтально расположенный трубопровод имеет свой циркуляционный контур, в котором циркулирует вода под напором центробежного насоса, а присоединяемые к магистрали самостоятельные контуры обладают обособленной (часто естественной) циркуляцией воды.

Естественная циркуляция обусловлена неоднородным распределением плотности воды в стояке, который представляет собой один из составных элементов циркуляционного контура.

Величина естественного (гравитационного) напора определяется

разностью плотностей остывшей и нагретой воды

(6.1)

где h – расстояние по вертикали от центра тяжести водонагревателя

до кольцующей перемычки; ρ0 и ρh –плотность при средней температуре

охлажденной воды в обратном стояке и горячей (нагретой) воды в подающем стояке.

Из формулы (6.1) следует, что чем выше стояк горячей воды (и на-

верное, чем выше здание) и больше разница в плотности остывшей и горячей воды, тем больше величина гидростатического напора.

Естественная циркуляция возможна в случае, когда

где ΣН – сумма потерь напора по длине трубопроводов; ΣНl – то же, на местные сопротивления.

Циркуляционный напор по своей величине невелик, поэтому диаметры циркуляционных труб подбирают на малые скорости движения воды.

Системы с естественной циркуляцией могут применяться для сети

протяженностью не более 50 м при верхней разводке и не более 35 м при нижней разводке, но в случае расположения водонагревателя, ниже самого нижнего водоразборного крана.

В комбинированных системах естественная циркуляции должна рассчитываться по отношению к точкам присоединения их к магистралям, находящимся под воздействием циркуляционного насоса.

Конструктивные особенности сети горячего водоснабжения

Трубопроводная сеть горячего водоснабжения выполняется так же, как и трубопроводы холодного водопровода, из стальных оцинкованных водогазопроводных труб.

Для предотвращения поступления горячей воды в сеть холодного

водоснабжения и наоборот обязательна установка обратных клапанов на подводках холодной воды к водонагревателям и групповым смесителям, на циркуляционном трубопроводе перед присоединением его к водонагревателям, в обвязке циркуляционного насоса.

Специфическим санитарно-техническим прибором горячего водо-

снабжения кроме смесительной арматуры является полотенцесушитель, который изготовляют из стальных оцинкованных труб диаметром 32 мм.

Кроме того, отечественная промышленность выпускает латунные никелированные или хромированные полотенцесушители типа ПО-30 и ПО-20 для отопления ванных и душевых комнат; их устанавливают согласно принятой схеме горячего водоснабжения на подающих стояках либо на циркуляционных стояках.

Трубопроводы горячего водоснабжения при повышении температуры удлиняются, и это удлинение необходимо компенсировать, если при наличии поворотов нельзя рассчитывать на естественную компенсацию («самокомпенсацию»). Каждый поворот трубопровода в зависимости от диаметра и толщины стенки может удлиниться на величину от 10 до 20 мм. В противном случае при удлинениях прямых участков до 50 мм необходима установка специальных компенсаторов.

В системах горячего водоснабжения чаще всего применяются гнутые компенсаторы (П-образные или лирообразные).

Компенсаторы устанавливают на прямых трубопроводах, разделенных на участки неподвижными опорами, которые распределяют таким образом общее удлинение трубопровода в соответствии с компенсирующей способностью принятого компенсатора.

Гибкие компенсаторы из труб применяют для компенсации тепловых удлинений трубопроводов независимо от параметров теплоносителя, способа прокладки и диаметров труб. В основном используются П-образные компенсаторы.

Расчетное тепловое удлинение трубопроводов, мм, для определения размеров гибких компенсаторов определяют по формуле

(6.2)

где ∆l = α ∆tL – полное тепловое удлинение расчетного участка трубопровода, мм; L – расстояние между неподвижными опорами трубопровода, м;

α = 0,000012 – средний коэффициент линейного расширения стали при нагревании от 0 до 1 °С; ∆t – расчетный перепад температуры, характерный для системы; ξ – коэффициент, учитывающий релаксацию, т. е. понижение временного сопротивления металла в результате продолжительного действия нагрузки и предварительного растяжения компенсатора.

Трубопроводы жестко защемляются на неподвижных опорах.

Теплоизоляцию трубопроводов и оборудования применяют во избежание потерь теплоты на всех подающих и циркуляционных (за исключением, прокладываемых скрытно в шахтах или каналах) трубах, кроме подводок к водоразборной арматуре.

В верхних точках сети горячего водоснабжения предусматривается установка устройств для выпуска воздуха из системы, если в системе невозможен выпуск воздуха через водоразборную арматуру.