3.2. Системы снабжения теплом и теплоносителями
3.2.1. Назначение и структура систем теплоснабжения
Система теплоснабжения – система подачи теплоты для отопления и вентиляции помещений, горячего водоснабжения, которая включает источник теплоты, передающие теплоноситель трубопроводы и нагревательные приборы. Существуют индивидуальные и централизованные системы теплоснабжения [5, 56-59].
В индивидуальных системах теплоснабжения отсутствует промежуточное звено для транспорта теплоносителя. При централизованном теплоснабжении в качестве источника теплоты используются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и районные отопительные котельные. Использование ТЭЦ в качестве источника теплоты для теплоснабжения называется теплофикацией.
Количество теплоты, идущей на отопление, должно обеспечивать в помещении установленную санитарными нормами температуру воздуха. Для жилых помещений она равна +18 ºС, для школ, поликлиник и больниц, детских садов – +20 ºС, для общественных зданий – +16 ºС. Количество теплоты, необходимое для поддержания заданной температуры внутри помещений, определяется тепловыми потерями зданий и пропорционально разности температур воздуха внутри помещения и наружного воздуха.
Для различных климатических районов строительными нормами и правилами (СНиП) установлены расчетные температуры наружного воздуха и продолжительность отопительного сезона.
Отопление включается, когда среднесуточная температура наружного воздуха ниже +8 ºС наблюдается в течение 3-х суток подряд, соответственно, отопление отключается, когда среднесуточная температура наружного воздуха в течение 3-х суток подряд превышает +8ºС. Таким образом, отопительная нагрузка является сезонной. В отличие от отопительной нагрузки горячее водоснабжение дает круглогодичную тепловую нагрузку с некоторым снижением её в летний период.
В качестве теплоносителя в системах теплоснабжения в Российской Федерации применяется вода, имеющая следующие преимущества перед паром:
большая удельная комбинированная выработка электрической энергии на базе теплового потребления;
сохранение конденсата на станции, что особенно важно для станций с высокими параметрами пара;
возможность централизованного регулирования тепловой нагрузки путем изменения температуры теплоносителя или его расхода;
более высокий к.п.д. вследствие отсутствия потерь конденсата и пара в абонентских установках;
высокая аккумулирующая способность водяной системы.
Однако вода как теплоноситель обладает и определенными недостатками [167]:
увеличенный расход электрической энергии на собственные нужды, связанный с перекачиванием сетевой воды, по сравнения с затратами электрической энергии на перекачку конденсата, однако этот перерасход компенсируется выигрышем на комбинированном производстве электроэнергии, если речь идет о ТЭЦ;
большая чувствительность к авариям; при авариях утечка теплоносителя из паровых сетей вследствие больших удельных объемов пара в десятки раз ниже, чем в водяных сетях; при небольших повреждениях паровые сети могут достаточно долго работать, а водяные сети требуют остановки;
большой вес теплоносителя и жёсткая гидравлическая связь между всеми точками системы.
Теплоноситель – горячая вода от источника тепла (ТЭЦ или котельной) по тепловым сетям поступает к потребителям.
Тепловая сеть представляет собой совокупность трубопроводов и устройств, предназначенных для передачи тепловой энергии и горячей воды.
Системы теплоснабжения называются закрытыми или открытыми в зависимости от того, каким образом системы горячего водоснабжения подсоединены к тепловым сетям. Если система горячего водоснабжения потребителя присоединена к подающей линии тепловой сети по независимой схеме (через теплообменник), то система теплоснабжения называется закрытой. Теплообменники расположены на каждом тепловом пункте потребителей. В теплообменнике сетевая вода нагревает водопроводную воду, которая затем поступает в систему горячего водоснабжения потребителя. При закрытой системе сетевая вода циркулирует в системе теплоснабжения, и её расход изменяется только за счет потерь в тепловой сети.
Если система горячего водоснабжения подсоединена непосредственно к подающей линии тепловой сети, т.е. по зависимой схеме, то такая система теплоснабжения называется открытой. При открытой системе горячего водоснабжения расход обратной сетевой воды, возвращаемой на ТЭЦ, меняется с изменением количества потребляемой горячей воды. Забираемая из тепловой сети вода на ТЭЦ восполняется подпиточной водой, которая готовится в химических цехах тепловых электрических станций. По санитарным нормам при открытой системе горячего водоснабжения подпиточная вода должна соответствовать качеству питьевой воды. Поэтому это химически очищенная деаэрированная вода.
Для обеспечения равномерной подпитки и уменьшения потребной производительности химводоочистки на ТЭЦ обычно устанавливают аккумуляторные баки, вместимость которых принимается равной усредненному за сутки шестичасовому расходу воды на горячее водоснабжение.
На практике применяются как открытые, так и закрытые системы горячего водоснабжения. При выборе типа системы теплоснабжения необходимо проводить технико-экономическое обоснование.
При открытой системе горячего водоснабжения увеличиваются затраты на умягчение подпиточной воды, но удешевляются абонентские вводы, так как отсутствуют подогреватели водопроводной воды. При высоком качестве исходной воды предпочтительнее применение открытой системы.
Нагретая на ТЭЦ вода по тепловой сети поступает к потребителям тепловой энергии. По радиальным, магистральным тепловым сетям теплоноситель поступает к группам потребителей, которые объединены квартальными тепловыми сетями (рис. 3.1).
Р и с. 3.1. Пример построения квартальной тепловой сети: ГРЭС – городская электростанция; ЦТП – центральный тепловой пункт; ИТП – индивидуальный тепловой пункт; МС – магистральная сеть; КС – квартальная сеть; НС – насосная станция; СД – система дросселирования; ВЗС – водозаборная станция
Основным недостатком радиальных тепловых сетей считается отсутствие резервирования. При аварии на магистральной тепловой сети прекращается теплоснабжение потребителей, расположенных за местом аварии. Для резервирования теплоснабжения необходимо сооружение перемычек повышенного диаметра между отдельными магистралями (рис. 3.2)
Р и с. 3.2 Радиальные тепловые сети с перемычками
При вводе тепловых сетей на территорию кварталов города или промышленных предприятий сооружаются центральные тепловые пункты (ЦТП) [168]. Они служат для централизованного снабжения потребителей теплом, организации контроля за параметрами теплоносителя и дополнительного регулирования отпускаемого тепла.
Индивидуальные (местные) тепловые пункты сооружаются у отдельных потребителей (жилой дом). Его назначение точно такое, как и у центрального теплового пункта.
При наличии ЦТП в зданиях должны предусматриваться узлы смешения, в которых устанавливаются элеваторы или насосы, смешивающие горячую воду с охлажденной водой из систем отопления, бойлеры на ГВС. Возможно независимое подключение группы потребителей. Различают порядка 16 схем присоединения и комплектации ЦТП.
Автоматизированный тепловой пункт оснащается, кроме штатного оборудования и приборов учета, аппаратурой автоматического регулирования тепловой энергии. Известные производители аппаратуры – фирмы Grunfos, Danfos, Alfa Laval, ADL и др. Автоматизация регулирования расхода тепла у потребителей на центральных и индивидуальных пунктах позволяет сэкономить 25-35% тепловой энергии, а в весенне-осенний период сократить энергопотребление на 50-60% при одновременном повышении качества теплоснабжения. Это достигается за счет устранения перерасхода тепла путем учета избыточных тепловыделений, солнечной радиации, ветра, а также снижения температуры в производственных и административно-бытовых зданиях в нерабочие дни и ночное время до 12–14°С, в жилых зданиях в ночное время – до 16–20°С. Снижение температуры на 1°С позволяет сэкономить 5-7 % тепла, потребляемого на цели отопления.