3826

Научный журнал строительства и архитектуры

Интересным представляется подход к моделированию теплогидравлических режимов тепловых пунктов, основанный на концепции объектно-ориентированного моделирования методами теории гидравлических цепей, предложенный в [6]. Однако в [6] приводится расчет одноступенчатой параллельной схемы присоединения теплообменника в тепловом пункте, т. е. не учитывается связанная подача тепла в системы отопления и горячего водоснабжения. Расчет переменных режимов тепловых пунктов со связанной подачей теплоты может быть произведен только методом последовательных приближений [4, 17]. Методика расчета приведена в нашей работе [9]. В то же время следует отметить, что расчет по методикам как [6], так и [9], является трудоемким и может быть выполнен только на ЭВМ, что усложняет проектирование схем тепловых пунктов и построение системы регулирования. В работе [2] предложены зависимости для определения температуры наружного воздуха и температуры обратной воды в точке излома отопительного температурного графика. Целью настоящей работы является получение уравнений для построения температурных графиков во всем диапазоне наружных температур отопительного периода.

1. Уравнения температурных графиков системы теплоснабжения. При качествен-

ном способе регулирования тепловой нагрузки, принятом в большинстве систем теплоснабжения в РФ, в зависимости от температуры наружного воздуха text, рассчитываются температуры сетевой воды в подающей магистрали теплосети:

где tint — температура внутреннего воздуха; Qo tint text tint text.c — требуемый относительный расход тепла на отопление; text.с — расчетная температура наружного воздуха для

проектирования отопления; tос thhs1c thhs2c 2 tint — расчетный температурный напор при смешении воды в смесительном устройстве теплового пункта, при расчетных температурах воды в подающей thhs1c и в обратной thhs2c магистралях системы отопления; tоc tp1c tp2c —

расчетная разность температур сетевой воды; c thhs1c thhs2c — расчетный перепад темпера-

тур воды в системе отопления; tp1f — температура воды в подающей магистрали теплосети в точке излома температурного графика.

Аналогичные зависимости применяются при расчете температурных графиков в Китае

[19, 20].

Вдвухступенчатых схемах присоединения теплообменников горячего водоснабжения в тепловых пунктах, обратная вода после системы отопления смешивается с водой после подогревателя горячего водоснабжения второй ступени и поступает в первую ступень подогревателя, а затем в тепловую сеть. Таким образом, температура обратной воды, возвращаемой в тепловую сеть, будет зависеть от наружной температуры, схемы присоединения теплообменников горячего водоснабжения, суточного водопотребления в системе горячего водоснабжения (СГВ). Поэтому определить ее расчетным путем по простой формуле, подобной формулам (1) и (2), достаточно сложно [12].

Вто же время температура обратной сетевой воды является важным показателем энергоэффективности системы теплоснабжения, поскольку показывает степень использования располагаемой тепловой мощности. Завышение температуры обратной сетевой воды часто наблюдается при эксплуатации систем централизованного теплоснабжения, особенно в переходный период отопительного сезона [3, 10, 11]. Это снижает выработку электрической

30

энергии, повышает затраты топлива на производство тепловой энергии и снижает общий КПД источника теплоты [10, 11], т. е. увеличивает потери эксергии теплоносителя [5, 13].

2. Уравнения температурных графиков режимов работы теплообменников в теп-

ловом пункте. По предложенной в [9] методике расчета переменных режимов тепловых пунктов со связанной подачей теплоты в системы отопления и горячего водоснабжения был проведен анализ изменения температур и расходов сетевой воды в течение отопительного периода для отопительно-бытового графика центрального регулирования, в том числе со срезкой, в режиме максимального водопотребления в системе горячего водоснабжения. Результаты проведенного расчетного исследования позволили установить основные закономерности изменения температур и расходов сетевой воды в тепловом пункте и получить аналитические зависимости для их определения.

Расчеты и моделирование выполнялись для двухступенчатой смешанной схемы присоединения теплообменников горячего водоснабжения с ограничением расхода воды из тепловой сети. Полученные расчетные зависимости справедливы для следующих диапазонов изменения основных характеристик работы теплового пункта:

расчетнаятемпература водывподающеймагистралитепловой сети:

tp1c 150 100 С;

температура верхней срезки:

tuppercut tp1c 100 С;

температура нижней срезки (излома температурного графика):

tlowercut 70 80 С;

соотношение расчетной тепловой мощности нагорячее водоснабжение и отопление:

Qhf Qomax 0,2 1;

коэффициент теплопотерь в циркуляционной линии СГВ:

Kt 0,2 0,35.

Для определения температуры сетевой воды, возвращаемой в обратную магистраль тепловой сети после подогревателя СГВ I ступени, было получено следующее выражение:

31

Научный журнал строительства и архитектуры

QhfI — расчетная тепловая мощность подогревателя СГВ I ступени; изменение тепловой мощности в зависимости от text можно определить по следующему уравнению:

где treqp1 text — требуемая температура воды в подающей магистрали тепловой сети по ото-

пительному графику (без излома графика для обеспечения тепловой мощности СГВ в переходный период отопительного сезона и без срезки при низких наружных температурах); tp1 text — температура воды в подающей магистрали тепловой сети по отопительно-

бытовому графику с изломом и/или со срезкой; D, E, F — постоянные коэффициенты. Коэффициент D зависит от tp1c, Kt и ; коэффициент E зависит только от tp1c; коэффициент F зависит от tuppercut и tlowercut . Для графиков без верхней срезки tuppercut tp1c . Для определения этих коэффициентов получены следующие формулы:

I ступени по формуле (7) в сравнении с расчетом по методике [9] для нескольких вариантов расчетных характеристик работы теплового пункта, показанных на рис. 2—7. Как видно из

рис. 1, наибольшее отклонение наблюдается при больших отношениях и низких Qo ,

т. е. при высоких температурах наружного воздуха, и тем больше, чем ниже расчетная температура воды в подающей магистрали теплосети. Отклонение связано с тем, что увеличивается область работы системы теплоснабжения с постоянной температурой воды (не по отопительному графику). Однако даже для варианта 1 с = 1,0 и tp1c = 100 C это отклонение не превышает 8 %, что является допустимым для инженерных расчетов.

Температуру сетевой воды на входе в теплообменник СГВ I ступени можно найти, используя следующее уравнение:

32

G, H, I — постоянные коэффициенты. Коэффициент G зависит от tp1c, tlowercut и ; коэффици-

ент H зависит от tp1c, и Kt; коэффициент I зависит от tlowercut и . Определить их можно по следующим выражениям:

G 1,65 0,01tp1c 1 0,25 0,01tp1c tlowercut 70

Рис. 1. Зависимость относительной тепловой мощности теплообменника I ступени от относительной тепловой мощности отопления:

сплошные линии — расчет по методике [9], штриховые — по формуле (7); варианты расчета: 1 — см. рис. 2; 2 — см. рис. 3; 3 — см. рис. 4; 4 — см. рис. 5; 5 — см. рис. 6; 6 — см. рис. 7

где QhfII — расчетная тепловая мощность теплообменника СГВ II ступени; изменение тепло-

вой мощности теплообменника СГВ II ступени в зависимости от text определяется как раз-

ность расчетной тепловой мощности горячего водоснабжения Qhf и тепловой мощности те-

плообменника СГВ I ступени, определенной по формуле (7):

33

Научный журнал строительства и архитектуры

L, M, N — постоянные коэффициенты. Коэффициент L зависит от и Kt; коэффициент M за-

висит от tp1c, tlowercut и ; коэффициент N зависит от и Kt. Для их определения получены следующие уравнения:

На рис. 2—7 показаны результаты расчетов температур сетевой воды по методике [10] (сплошные линии) и по формулам (3), (11) и (15) (штриховые и штрихпунктирные линии) для тепловых пунктов с различными расчетными характеристиками.

Рис. 2. Температуры сетевой воды для расчетных характеристик теплового пункта: tp1c = 100 C; tlowercut 70 С; = 1,0; Kt 0,2

Рис. 3. Температуры сетевой воды для расчетных характеристик теплового пункта: tp1c = 110 C; tlowercut 70 С; = 0,8; Kt 0,35

34

Рис. 4. Температуры сетевой воды для расчетных характеристик теплового пункта: tp1c = 120 C; tlowercut 75 С; = 0,6; Kt 0,35

Рис. 5. Температуры сетевой воды для расчетных характеристик теплового пункта: tp1c = 130 C; tlowercut 70 С; = 0,4; Kt 0,2

Рис. 6. Температуры сетевой воды для расчетных характеристик теплового пункта: tp1c = 140 C; tlowercut 70 С; = 0,2; Kt 0,35

По известным температурам сетевой воды и тепловой мощности теплообменников можно легко найти расходы сетевой воды.

35

Научный журнал строительства и архитектуры

Рис. 7. Температуры сетевой воды для расчетных характеристик теплового пункта: tp1c = 150 C; tuppercut 100 С; tlowercut 70 С; = 1,0; Kt 0,35

3. Прогнозирование температуры обратной сетевой воды. С помощью уравнения (3),

описывающего температуру сетевой воды в условиях максимального водоразбора в СГВ в зависимости от наружной температуры, можно прогнозировать температуру обратной сетевой воды также при суточном изменении водопотребления в СГВ. Для получения аналитических зависимостей прогнозирования температуры обратной сетевой воды использовались данные метеостанции (рис. 8) и эксплуатационные данные о работе Первомайского вывода ТЭЦ-5 г. Новосибирска в декабре 2018 г. (рис. 9), где завышение температуры обратной сетевой воды может составлять от 1,5 до 10 % [15]. Температурный график работы ТЭЦ в отопительном сезоне 150/70 С со срезкой при 114 С и с изломом при 75 С. Тепловые пункты потребителей присоединены по двухступенчатой смешанной схеме с ограничением расхода.

Температура обратной воды tp2 text меняется от температуры воды после системы отопления thhs2 text , определяемой по формуле (2), при отсутствии водопотребления в СГВ,

до tmaxp2 text , определяемой по формуле (3) в режиме максимального водоразбора [1].

Рис. 8. Температура наружного воздуха 12—18 декабря 2018 г.

В двухступенчатой смешанной схеме теплового пункта с ограничением расхода в ре-

жиме максимального водопотребления в СГВ tp2 text выше thhs2 text . Изменение tp2 text в

течение суток в зависимости от водоразбора в СГВ определяется при помощи коэффициента часовой неравномерности водопотребления kh. Анализ эксплуатационных данных по температуре обратной воды показал, что для систем теплоснабжения от различных ТЭЦ этот ко-

36

эффициент является достаточно стабильным (на рис. 9 четко прослеживаются максимумы и минимумы texpp2 в одно и то же время суток).

Рис. 9. Режимы работы ТЭЦ 12—18 декабря 2018 г.:

tpgr1 — температура воды в подающей магистрали по графику центрального регулирования; texpp1 — то же, эксплуатационная;

thhs2 — температура воды в обратной магистрали системы отопления по отопительномуграфику; texpp2 , tcalp2 — эксплуатационная и расчетная температуры в обратной магистрали тепловой сети

Так, для жилых районов, обслуживаемых ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5 г. Новосибирска, коэффициент часовой неравномерности водопотребления в зависимости от времени суток z, ч, может быть аппроксимирован следующими зависимостями:

для рабочих дней:

kh z 0,141 0,121z 9,939 10 3 z2 2,195 10 4 z3 ;

для выходных дней:

texpp1 text tpgr1 text , при незначительном водопотреблении в СГВ или его отсутствии в ночное время температура воды в обратной магистрали практически равна температуре воды после системы отопления texpp2 text thhs2 text . Однако в периоды отклонения texpp1 text от

tpgr1 text температура обратной воды в теплосети также не соответствует графику централь-

ного регулирования. Поэтому формулу (20) необходимо дополнить коэффициентом kt, учи-

37

Научный журнал строительства и архитектуры

тывающим отклонение температуры воды после системы отопления thhs2 text от требуемой по отопительному графику thhs2.gr text при отклонении температуры воды в подающей маги-

страли тепловой сети.

Температура воды после системы отопления зависит от температуры наружного воздуха, способов местного количественного регулирования в тепловых пунктах и тепловой мощности системы горячего водоснабжения, а также от тепловой аккумуляции зданий. Так, при применении насосов смешения, при срезке температурного графика возможно увеличить расход воды из теплосети для системы отопления; в переходный период отопительного сезона, при постоянной температуре воды в теплосети выше, чем требуется по отопительному графику, наоборот, имеется возможность снизить расход воды из теплосети в систему отопления. Чем больше тепловая мощность СГВ, тем больше резерв тепловой мощности, которую можно направить в систему отопления при срезках температурного графика и в режиме максимального водопотребления в СГВ [10]. Поэтому температуру в обратной магистрали системы отопления не проводя детального расчета определить достаточно сложно. Тем не менее можно допустить, что отношение углов наклона графиков температур воды в подающей и обратной магистралях является постоянной величиной. Как видно на рис. 9, можно

считать, что линии thhs2.gr text повторяют tpgr1 text с некоторым коэффициентом. Тогда коэф-

фициент отклонения температур воды можно найти из выражения:

где tp1c , thhs2c — расчетные температуры в подающей магистрали тепловой сети и в обратной магистрали системы отопления; tp1f , thhs2 f — температуры в подающей магистрали тепловой

сети и в обратной магистрали системы отопления в точке излома температурного графика. Текущую температуру в обратной магистрали системы отопления в этом случае можно

определить по формуле:

Таким образом, чтобы найти текущую температуру обратной воды, необходимо (22) подставить в (20). Результаты расчетов достаточно хорошо согласуются с эксплуатационными данными. В рассматриваемый период времени максимальное отклонение составило 8 %. Наибольшее отклонение наблюдается при резком изменении температуры наружного воздуха и связано с тепловой аккумуляцией помещений.

Выводы

1.Расчет переменных режимов связанных теплообменников является достаточно трудоемким и может быть выполнен только на ЭВМ; результатами расчета являются численные зависимости переменных температур и расходов теплоносителей, что затрудняет их регулирование. Установлены основные закономерности изменения температур и расходов сетевой воды в тепловом пункте и получены аналитические зависимости для их определения без применения метода последовательных приближений. Полученные уравнения справедливы для отопительно-бытового графика центрального регулирования, в том числе со срезкой, в режиме максимального водопотребления в системе горячего водоснабжения.

2.Проведен анализ эксплуатационных режимов системы теплоснабжения и выявлены закономерности, позволяющие при помощи полученных уравнений прогнозировать температуру обратной сетевой воды в зависимости от температуры наружного воздуха и переменного суточного водопотребления в СГВ.

38

3. Точнее учесть режимы работы тепловых пунктов и системы теплоснабжения в целом возможно при проведении полного расчета по методике [9], с учетом особенностей схем тепловых пунктов и их работы в различные периоды отопительного сезона, графиков центрального регулирования, способов местного количественного регулирования, тепловой аккумуляции наружных ограждений [8].

Библиографический список

1.Владимиров, Я. А. Исследование влияния температурного графика на параметры систем централизованноготеплоснабжения / Я. А. Владимиров, Н. Т. Амосов, В. В. Сергеев // Неделя науки СПбПУ: Материалы научной конференции с международным участием. — СПб.: СПбПУ, 2016. — С. 14—17.

2.Китаев, Д. Н. Уравнения характерных значений температурных графиков регулирования тепловых сетей / Д. Н. Китаев, Г. Н. Мартыненко, А. В. Лобода // Научный журнал строительства и архитектуры, 2019. —

№3(55). — С. 21—27. —10.25987/VSTU.2019.55.3.002.

3.Кононова, М. С. К вопросу оценки экономии теплоты при автоматическом регулировании температуры теплоносителя в системах централизованного теплоснабжения / М. С. Кононова // Известия вузов. Строительство, 2016. — № 7. — С. 46—52.

4.Культяев, С. Г. Сравнительный анализ и оптимизация методов регулирования совмещенной тепловой нагрузки / С. Г. Культяев // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». — Том 9. — № 2 (2017). — http://naukovedenie.ru/PDF/61TVN217.pdf

5.Мельник, И. А. Влияние температурного графика теплоснабжения на эксергетический баланс здания / И. А. Мельник, Л. М. Манзарханова // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость, 2014. —

№6(11). — С. 68—73.

6.Новицкий, Н. Н. Объектно-ориентированные модели элементов тепловых пунктов теплоснабжающих систем / Н. Н. Новицкий, З. И. Шалагинова, Е. А. Михайловский // Вестник Иркутского государственного технического университета, 2017. — Т. 21. — № 9. — С. 157—172. — 10.21285/1814-3520-2017-9-157-172.

7.Панферов, С. В. Управление отоплением зданий при низкотемпературных режимах теплоснабжения / С. В. Панферов, В. И. Панферов // Вестник ЮУрГУ. Серия. Строительство и архитектура, 2018. — Т. 18,

№3. — С. 60—67. — 10.14529/build180309.

8.Рафальская, Т. А. Исследование теплозащиты наружных ограждений зданий при аварийном теплоснабжении / Т. А. Рафальская, Р. Ш. Мансуров, А. К. Березка, А. А. Савенков // Вестник СамГТУ. Технические науки, 2017. — № 3 (55). — С. 98—109.

9.Рафальская, Т. А. Исследование возможности организации низкотемпературного теплоснабжения

при центральном качественном регулировании / Т. А. Рафальская // Теплоэнергетика, 2019. — № 11. — С. 102—112.

10.Рафальская, Т. А. Нарушения теплового режима зданий при высоких температурах наружного воздуха / Т. А. Рафальская // Вестник СевКавГТИ. — 2016. — № 2 (25). — С. 180—186.

11.Ротов, П. В. О температурном графике центрального регулирования систем теплоснабжения / П. В. Ротов, М. Е. Орлов, В. И. Шарапов // Проблемы энергетики, 2014. — № 5—6. — С. 3—12.

12.Седнин, В. А. Оптимизация параметров температурного графика отпуска теплоты в теплофикационных системах / В. А. Седнин, А. В. Седнин, М. Л. Богданович // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2009. — № 4. — С. 55—62.

13.Середкин, А. А. Критерий оценки энергоэффективности систем теплоснабжения зданий на основе параметров теплового режима / А. А. Середкин // Кулагинские чтения: Техника и технологии производственных процессов: Материалы XIV Международной научно-практической конференции, 2016. — Чита: ЗабГУ. — С. 155—159.

14.Соколов, Е. Я. Теплофикация и тепловые сети / Е. Я. Соколов. М.: Издательство МЭИ, 2001. —

472 с.

https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.02.006.

18.Pieper, H. Optimal usage of low temperature sources to supply district heating by heat pumps / H. Pieper, T. S. Ommen, W. B. Markussen, B. Elmegaard // Proc. of ECOS 2017: 30th Intern. Conf. of Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. San Diego, California, USA, 2—6 July 2017. — http://orbit.dtu.dk/files/134463914/ECOS_2017_paper_191.pdf.

39