Учебное пособие 2033

Расход теплоты на отопление зданий, которые построены и строятся по действующим нормам, значительно сократился по сравнению с аналогичным расходом теплоты зданиями, построенными в 60…90 годах прошлого столетия. Эти здания продолжают функционировать. Задача заключается в том, чтобы существенно сократить расход теплоты на отопление и горячее водоснабжение. Отопление указанных зданий осуществляется в основном однотрубными системами с нижней разводкой, которые присоединены к тепловым сетям с помощью водоструйного элеватора. Источниками теплоты служат районные котельные или ТЭЦ. По мнению многих авторов, это объясняется рядом преимуществ крупных котельных, а именно: возможность эффективного сжигания даже низкосортного топлива с высоким К.П.Д в котлах большой мощности; снижение числа обслуживающего персонала на единицу теплоты; эффективное использование автоматизации технологических процессов; снижение удельных капитальных вложений в источники теплоты; возможность организации эффективной очистки продуктов сгорания топлива от вредных веществ и др.

Однако, системы централизованного теплоснабжения имеют существенные недостатки, главные из них следующие [4]:

1.Значительная протяжённость тепловых сетей и, следовательно, большие капитальные затраты. Дальность транспортирования теплоносителя достигает 20…25 км. При этом наблюдается транспортное запаздывание, различное для разно удалённых от источника теплоты потребителей.

2.Так как тепловая нагрузка имеет сложную структуру и изменяется по различным сезонным и суточным графикам, то необходимо строить ЦТП, ТП, ИТП, т.е. необходимо применять многоступенчатое регулирование, а это приводит к большим дополнительным капитальным и эксплуатационным затратам.

3.Температура сетевой воды не соответствует постоянно меняющейся температуре наружного воздуха, суточные колебания которой могут достигать 10…12 ºС, а регулирование отпуска теплоты в котельной или на ТЭЦ ведётся по усреднённой температуре наружного воздуха на промежуток времени 6…12 часов.

4.Рост централизации теплоснабжения усложняет задачу надёжного, качественного и экономического теплоснабжения, т.к. из-за низкой гидравлической устойчивости тепловых сетей фактическое распределение теплоносителя отличается от расчётного, что приводит к нарушению в работе систем потребителей теплоты.

5.Потери топливно-энергетических ресурсов составляет около 25 %, а это немного выше экономического эффекта, получаемого в котельной от снижения удельного расхода топлива на выработку единицы теплоты. Известно, что нормы потерь теплоты изолированными трубопроводами водяных тепловых сетей, расположенными в непроходных каналах, зависят от наружного диаметра труб. Например, для диаметра трубы 32 мм суммарные потери теплоты должны быть не более 30 Вт/м, а для диаметра трубы 250 мм, указанная величина составляет 80 Вт/м. Можно сделать вывод, что путём разумного увеличения тепловой изоляции невозможно существенно уменьшить потери теплоты трубопроводами тепловых сетей.

6.В настоящее время ситуация сложилась таким образом, что часть систем отопления присоединена к тепловым сетям с помощью элеватора (здания старой застройки), другая часть систем отопления (вновь построенных зданий) присоединена к этим же тепловым сетям с помощью автоматизированных узлов управления (АУУ). Если система отопления присоединена к тепловым сетям с помощью элеватора, то количество сетевой воды, расходуемой на отопление, постоянно в течение всего отопительного сезона. Если система отопления оборудована автоматизированными узлами управления, то расход сетевой воды на отопление не постоянный в течение всего отопительного сезона и зависит от температуры наружного воздуха. Т.е. тепловая сеть превращается в ёмкость, из которой циркуляционный или циркуляционно-смесительный насос автоматизированной системы

-23 -

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

отопления забирает определённый расход сетевой воды на отопление зданий. Заметим, что этот расход изменяется от нуля до максимальной величины, которую можно определить, зная тепловую мощность системы отопления и параметры теплоносителя. Расход сетевой воды на отопление зданий будет существенно снижаться при температуре наружного воздуха +2 ºС и выше. Снижение расхода сетевой воды объясняется не только уменьшением потерь теплоты, но и увеличением теплоты, поступающей от солнечной радиации, особенно через ограждения, ориентированные на юг. Следовательно, количество циркулирующей воды с сохранением расчётного расхода в трубопроводах тепловой сети будет происходить только через те участки (по сути, вводы), которые обслуживают системы отопления, присоединённые к тепловым сетям с помощью элеватора. А расход сетевой воды на других участках тепловой сети будет отличаться от расчётного. Очевидно, что и фактический гидравлический режим тепловой сети так же будет отличаться от расчётного режима. Поэтому, не совсем ясно, каким образом сложившая ситуация повлияет на надёжность подачи расчётного расхода теплоносителя каждому потребителю.

7. Ежегодное увеличение нагрузки и числа подключенных потребителей требует установки дополнительного оборудования (насосных станций и др.), при этом образуются многоконтурные системы, которые приводят к дополнительным затратам.

Учитывая сказанное, можно сделать вывод, что снабжение теплотой потребителей от ТЭЦ или районных котельных при наличии протяжённых тепловых сетей, является ненадёжным и чрезвычайно дорогим способом теплоснабжения. Некоторые недостатки таких систем теплоснабжения можно устранить путём значительного увеличения капитальных вложений. Например, долговечность тепловых сетей можно увеличить за счёт применения трубопроводов из легированных или нержавеющих сталей.

Однако другие недостатки централизованного теплоснабжения устранить невозможно. Например, невозможно сократить протяжённость тепловых сетей и, следовательно, расход трубопроводов и железобетонных лотков в которых прокладывают трубопроводы. Невозможно устранить запаздывание в регулировании температуры воды. Практически невозможно поддерживать стабильный гидравлический режим тепловых сетей даже за счёт установки большого количества дорогих автоматических регуляторов.

Указанные недостатки можно устранить только путём сокращения протяжённости тепловых сетей, т.е. необходимо осуществить поэтапную децентрализацию систем централизованного теплоснабжения. Следовательно, осуществить плановый переход на экологически чистые, отвечающие техническим и экологическим требованиям, индивидуальные источники теплоты (ИИТ), например, крышные котельные [3].

ИИТ могут использоваться для отопления и горячего водоснабжения не только при строительстве вновь строящихся зданий, но и при реконструкции или модернизации жилых зданий старой застройки. Такое техническое решение позволит уменьшить тепловую нагрузку на районную котельную и тепловые сети и сэкономить значительное количество топлива. Реконструируемые здания необходимо приспосабливать по их энергосберегающему качеству к более высоким требованиям по теплозащите и инженерному оборудованию.

В этом случае одно или несколько многоэтажных зданий снабжается теплоносителем (горячей водой) с параметрами до 90 °C от ИИТ. При использовании указанных параметры автоматически исключается перерасход теплоты на отопление в переходные периоды года. Помещения для размещения оборудования ИИТ могут (в зависимости от местных условий) размещаться в подвале одного из отапливаемых зданий, либо на покрытии, либо помещения могут быть пристроенными к зданию или располагаться в отдельно стоящем здании. При этом длина систем теплоснабжения будет минимальна (например, при размещении ИИТ в подвале здания) из-за отсутствия магистральных (дорогих) трубопроводов систем теплоснабжения.

- 24 -

Каждое из названных технических решений по размещению помещений для ИИТ в каждом конкретном случаи зависит от местных условий.

При размещении ИИТ в подвале здания снижаются капитальные затраты на строительную часть и оборудование систем отопления, а для нагревания воды на отопление

игорячее водоснабжение может использоваться электрическая энергия. Труба для отвода продуктов сгорания отсутствует, а система отопления может быть с естественной циркуляцией, т.е. отпадает необходимость в применении циркуляционных насосов.

При размещении ИИТ на кровле здания (крышная котельная), покрытие должно иметь соответствующую несущую способность. Высота дымовой трубы минимальна, а система отопления должна быть с насосной циркуляцией.

При устройстве ИИТ в пристроенном к зданию помещении дымовую трубу целесообразно располагать снаружи здания, а система отопления может быть с естественной циркуляцией.

По мере физического износа тепловых сетей следует часть зданий переводить на отопление от ИИТ, поэтому для каждого города (района) необходимо разобрать план реконструкции системы централизованного теплоснабжения. Следует разработать типовые чертежи (для каждой серии домов и различных регионов) на усиление строительных конструкций для размещения крышных котельных (ИИТ) на кровле здания.

Для повышения качества, снижения стоимости и ускорения монтажа ИИТ целесообразно организовать массовое их изготовление; указанные ИИТ должны иметь разную тепловую мощность.

ИИТ должны изготовляться в полной заводской готовности, а их монтаж (установка на крышу) – путём подъёма с помощью передвижного крана.

Безусловно, при этом возрастает количество источников теплоты и, следовательно, увеличивается численный состав обслуживающего персонала (слесарей). Однако при этом повысится качество теплоснабжения отапливаемых зданий, уменьшится расход топлива за счёт уменьшения потерь теплоты трубопроводами тепловых сетей и улучшится экологическая обстановка за счёт уменьшения вредных выбросов.

ИИТ должны быть автоматизированы. В качестве топлива целесообразно использовать газ, или жидкое топливо, или нагревание теплоносителя осуществлять с помощью электрической энергии.

Для уменьшения расхода электрической энергии может использоваться солнечная энергия, теплота подземных вод, теплота от различных технологических установок.

ИИТ должны быть снабжены автоматикой безопасности, установкой химводоочистки

иёмкостями, в которые сливается вода из систем отопления при их ремонте (это снизит расход воды, т.к. воду не нужно будет сливать в канализацию).

Заключение.

Основываясь на материале, изложенном в нормативной литературе и анализе научных публикаций по экономии теплоты на отопление зданий можно заключить следующее:

–показано, что протяжённые тепловые сети, к которым подключены системы отопления с помощью водоструйного элеватора и автоматизированного узла управления, имеют неустойчивый гидравлический режим; следовательно, фактический расход сетевой воды на различных участках будет значительно отличаться от расчётного;

–по мере физического износа тепловых сетей, часть зданий следует переводить на отопление от ИИТ;

–для каждого города (района) необходима разработка плана реконструкции системы централизованного теплоснабжения;

–для повышения качества, снижения стоимости и ускорения монтажа ИИТ следует организовывать их изготовление в полной заводской готовности с расчетом на различную тепловую мощность.

-25 -

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

Задачей аварийной вентиляции в этом случае является не допустить повышение концентрации ВВ выше определённого уровня, который назовём временно допустимой концентрацией и сократить время пребывания людей в атмосфере с повышенными концентрациями.

Аварийная вентиляция выполняет санитарно-гигиеническую функцию в помещении, которое она вентилирует.

аварийная ситуация, при которой без серьёзного разрушения оборудования и коммуникаций в производственном помещении выделяются значительные количества ВВ. При этом могут создаться концентрации, превышающие предельно-допустимые, и работающие должны будут применить средства индивидуальной защиты. Поэтому задачей аварийной вентиляции является быстрейшее снижение концентраций после аварий до предельно-допустимых.

Если выделяющиеся ВВ одновременно и взрывоопасны, то есть соблюдается условие: qНКП > qвв > 0,1.qНКП, то аварийная вентиляция должна способствовать снижению концентраций до предела, при котором не возможен взрыв или пожар. При этом важно, чтобы не только средняя концентрация, но и концентрация во всех точках объёма, в которых возможно искрообразование или имеются нагретые поверхности, была бы ниже предельного уровня.

Аварийная вентиляция выполняет санитарно-гигиеническую функцию и функцию предотвращения пожара и взрыва в вентилируемом ею помещении.

аварийная ситуация, при которой происходит разрушение оборудования или коммуникаций без разрушения зданий, в большинстве случаев при таких авариях в помещениях создаются пожаровзрывоопасные концентрации, то есть qвв < qНКП. Важно предупредить возможность последствий аварий, которые могут возникнуть от взрыва или пожара веществ, попавших в воздух помещения.

Функцией аварийной вентиляции в этом случае является удаление из помещения воздуха с высокими концентрациями пожаровзрывоопасных ВВ и выброс их в верхние слои атмосферы. Это необходимо, чтобы исключить отравление людей, а также аварии в соседних зданиях.

Аварийная вентиляция должна предотвратить последствия аварии и в самом помещении, в котором уже произошла авария. Для этого аварийная вентиляция должна создать в помещении потоки, которые относили бы в воздух с пожаро- и взрывоопасными концентрациями в сторону от возможных мест вспышки.

Аварии с разрушением здания не рассматриваются, так как при этом исчезают помещения, в которых можно использовать аварийную вентиляцию.

Пределы работы аварийной вентиляции представлены графически на рис. 1.

Таким образом, высокая эффективность работы аварийной вентиляции в производственном помещении химического предприятия определяется областью II. Недостаточно изучена динамика работы аварийной вытяжной вентиляции в пределах III и IV области. Требуется проведение исследований и разработка метода расчёта аварийной

вентиляции, отличающегося от ранее известного определением наиболее эффективной работы системы вентиляции при кратности воздухообмена более 8 1/ч.

Удаление воздуха при массовом выбросе ВВ необходимо предусмотреть из зоны максимальных концентраций, которыми являются:

а) рабочая зона при выделении ВВ, имеющих при поступлении их в помещение молекулярный вес μг превышающий вес воздуха μв. Это справедливо при выбросе ВВ, для которых выполняется условие:

г 1,01 5,00 (толуол, стирол, серы диоксид, фенол, хлор и другие);

в б) верхняя зона при выделении ВВ, имеющих при поступлении их в помещение

молекулярный вес μг меньше молекулярного веса воздуха μв, при этом приёмные отверстия

- 28 -

необходимо располагать не ниже 0,4 м от плоскости потолка или покрытия до верха отверстий. Это справедливо при выбросе ВВ, для которых выполняется условие:

г 0,5 0,95 (аммиак и другие).

в

Рис. 1 – Пределы работы аварийной вентиляции химических предприятий: НКП – нижний концентрационный предел; ВКП – верхний концентрационный предел;

I – область, в пределах которой концентрация ВВ не превышает предельно-допустимого значения. В работе общеобменная вентиляция. Изменение концентраций представлено в виде кривой 1;

II – область, ограниченная условием достижения концентрации ВВ 0,1.НКП распространения пламени по газовоздушным взрывоопасным смесям и концентрация ВВ выше предельно допустимого значения. При выбросе ВВ общеобменная вентиляция не выключается, в работу вступает аварийная вентиляция. Расчёт аварийной вентиляции возможен по [1]. Изменение концентраций представлено в виде кривой 2;

III – область, ограниченная условием достижения концентрации ВВ в выбросе выше 0,1.НКП взрываемости, но не больше НКП. При этом могут возникнуть ситуации, приводящие к взрыву. Необходимо, чтобы концентрации ВВ в уходящем воздухе не превышали 0,1.НКП взрываемости. Изменение концентраций представлено в виде кривой 3. Динамика работы аварийной вытяжной вентиляции в этом случае не исследована;

IV – область, ограниченная достижения концентрации ВВ в аварийном выбросе от НКП до ВКП. Необходимо, чтобы концентрации ВВ в уходящем воздухе не превышали 0,1.НКП взрываемости. Изменение концентраций представлено в виде кривой 4. Динамика работы аварийной вытяжной вентиляции в этом случае не исследована

В технологическом оборудовании промышленных предприятий, использующих газообразные ВВ в сжатом состоянии, возникают аварийные ситуации, связанные с их утечкой через неплотности в стенках, соединениях и арматуре.

Количество вытекающего при аварии ВВ зависит от его физических свойств, давления в технологическом оборудовании и размеров неплотности.

Изменение концентрации ВВ в объёме производственного помещения при аварийном истечении газообразной вредности описываются зависимостями [2], которые были использованы для исследования работы аварийной вентиляции и разработки ее расчета.

Максимальная концентрация ВВ достигается в момент времени, tI, с, определяемом по зависимости:

где КРн – кратность воздухообмена при нормальной работе вентиляции помещения, 1/час;

- 29 -

Научный журнал ВГТУ. Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура

где 0,685 – коэффициент, определяемый исходя из условий [3]; F – площадь возникающей негерметичности технологического оборудования, м2; V – внутренний объём оборудования, м3; μрас – коэффициент расхода; Р – текущее давление в оборудовании, Па; – плотность газа, кг/м3;

Максимальная концентрация ВВ, qmax, мг/м3, определяется по зависимости:

где L – объём воздуха, удаляемого из производственного помещения, м3/ч; G0 – аварийный расход ВВ, определяемый по формуле:

Обозначив отношение: aq K p , получим:

Для того, чтобы максимальная концентрация ВВ в объёме производственного помещения не превысила значения временно допустимой, qВДК, мг/м3, необходимо обеспечить воздухообмен, равный:

При возникновении аварийной ситуации с выбросами ВВ принято значение временно допустимой концентрации ВВ, qВДК, равное значению предельно-допустимой концентрации ВВ в рабочей зоне, qрз, мг/м3:

Уравнение решается методом последовательного приближения.

Кратность воздухообмена при действии в помещении нестационарного неподвижного источника газообразных ВВ, выходящих из оборудования под давлением, определяемая из условия не превышения qрз, определяется по формуле:

Для получения удовлетворительной сходимости значений кратности воздухообмена аварийной вентиляции достаточно несколько операций приближения.

- 30 -