1. Время прошедшее

Это была удачная находка. На заре отечественной теплофикации была предложена и успешно реализована идея подогрева горячей воды в водоподогревателях двух ступеней. Сначала холодная водопроводная вода подогревалась в водоподогревателе первой ступени теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления, а потом для окончательного подогрева воды до нужной температуры использовалась сетевая вода из подающего трубопровода тепловой сети (рис. 1).

При двухступенчатом подогреве сокращался расход сетевой воды. Если бы водоподогреватель ГВС присоединялся к тепловой сети по одноступенчатой схеме, то при работе в точке излома температурного графика тепловой сети и при более высоких температурах наружного воздуха расход сетевой воды GTC1 , т/ч, был бы равен:

где QОТ — расчетная тепловая мощность системы отопления, Гкал/ч;
QГВС — расчетная тепловая мощность системы ГВС, Гкал/ч;
DtTC — расчетный перепад температуры тепловой сети, 0С;
DtИ — перепад температуры тепловой сети, °С, в точке излома температурного графика.
При двухступенчатом подогреве при тех же условиях расход сетевой воды GTC2 , т/ч, будет равен:

Относительное уменьшение расхода сетевой воды при двухступенчатом подогреве горячей воды выражается отношением GTC2 / GTC1. Обозначим это отношение символом b.

где
Подставив в формулу (3) обычное для типовых жилых домов значение r = 0,8 и характерные для большинства тепловых сетей расчетные значения перепадов температур:
DtTC = 80 °С и DtИ = 30 °С, получим: b = 0,66.
Таким образом, при двухступенчатом подогреве воды расход сетевой воды в эксплуатационном режиме переходного периода сокращался на 34%.

2. Время настоящее

Двухступенчатый подогрев применяют и в современных тепловых пунктах, оснащенных эффективными автоматическими устройствами (рис. 2).

Рисунок 2 отображает только те устройства современного теплового пункта, которые непосредственно касаются нашего исследования, оставляя неизменными по сравнению с рисунком 1 все прочие устройства.

Отличительным признаком современных тепловых пунктов являются регуляторы теплового потока, устанавливаемые на системах отопления и горячего водоснабжения. При уменьшении расхода теплоносителя в результате частичного закрытия регулирующего клапана 9 тепловая мощность системы отопления и водоподогревателя 5 первой ступени уменьшится, и для обеспечения потребителей горячей водой с заданной температурой и в нужном объeме потребуется увеличить тепловую мощность водоподогревателя 6. Посмотрим теперь, как обстоит дело с сетевыми расходами в современном тепловом пункте.

Если бы водоподогреватель ГВС присоединялся к тепловой сети по одноступенчатой схеме, то при работе в точке излома температурного графика тепловой сети и при более высоких температурах наружного воздуха расход сетевой воды GTC1а , т/ч, в автоматизированном тепловом пункте был бы равен

где a — коэффициент, учитывающий уменьшение тепловой мощности системы отопления в результате погодного регулирования, а остальные параметры — те же, что и в формуле (1).
При двухступенчатом подогреве при тех же условиях расход сетевой воды GTC2а , т/ч, будет равен:

Относительное уменьшение расхода сетевой воды при двухступенчатом подогреве горячей воды выражается отношением:

где
Подставив в формулу (6) обычное для жилых домов значение r = 0,8 и характерные для большинства тепловых сетей расчетные значения перепадов температур: DtTC = 80 °С и DtИ = 30 °С, получим:

При полностью открытом регулирующем клапане 9 a = 1, и ba = 0,66, что соответствует значению, вычисленному ранее при отсутствии регулирования. При полностью отключенном отоплении a = 0 и ba = 1,0 , то есть расход сетевой воды в этом режиме при двухступенчатом и одноступенчатом подогреве воды будет один и тот же.

Зависимость (7) близка к линейной, и может быть приближенно выражена уравнением:

Отметим, что выражение (1-0,5a)QГВС , стоящее в числителе второго слагаемого в скобках формулы (5), представляет собою тепловую мощность водоподогревателя второй ступени. Величина этого слагаемого увеличивается по мере уменьшения коэффициента a. Чем больше глубина регулирования отопительной системы, тем меньше a, и тем больший тепловой поток должен принять на себя водоподогреватель второй ступени.

Формула (5) и последующие выкладки исходят из того, что поверхность теплообмена и живое сечение контура греющей воды этого водоподогревателя достаточны для обеспечения максимальной тепловой мощности при a = 0. Если же водоподогреватель рассчитан, как это обычно принято, на половину нагрузки горячего водоснабжения (при a = 1,0), то он не сможет пропустить через себя удвоенный поток греющего теплоносителя.

Таким образом, двухступенчатый водоподогреватель горячего водоснабжения, установленный в современном тепловом пункте, проигрывает такому же водоподогревателю, установленному в прошлом, по двум показателям:
o применение двухступенчатого водоподогревателя создает не столь очевидный положительный эффект, связанный с уменьшением расхода сетевой воды, как это имело место в прошлом при отсутствии регуляторов теплового потока на отопительных системах;
o водоподогреватель второй ступени при применении регулятора теплового потока в системе отопления должен рассчитываться на полную нагрузку горячего водоснабжения.

Последний фактор не всегда учитывается проектировщиками, которые, работая в настоящем времени, иногда подбирают водоподогреватели второй ступени по методикам времени прошедшего, на половину нагрузки.

3. Время будущее

Казалось бы, у двухступенчатого водоподогревателя горячего водоснабжения нет будущего. Он и в прошлом был не слишком привлекателен для инвестора. Денег требовал немало, а преимущество его перед одноступенчатым водоподогревателем было довольно призрачным, и ценилось это преимущество больше теоретически, поскольку расход сетевой воды — это понятие, которое в денежные единицы конвертируется с трудом, в отличие, например, от стоимости теплопункта. А тут еще, как выяснилось в предыдущем разделе этой статьи, при обязательном теперь регулировании отопительных систем преимущества двухступенчатого подогрева становятся все менее явными, а недостатки, напротив, заметно усугубляются.

Первый шаг на пути искоренения двухступенчатого подогрева у нас уже сделан. Новые украинские нормы* проектирования тепловых сетей, в отличие от действовавших ранее нормативных документов, не содержат требований о применении двухступенчатых водоподогревателей в тепловых пунктах. Некоторые предприятия тепловых сетей, правда, при согласовании проектов тепловых пунктов по инерции все еще пишут замечания на технические решения, не предусматривающие применение двухступенчатых водоподогревателей, но во многих случаях такого рода замечания легко снимаются. Не добавляет популярности двухступенчатому подогреву воды и то обстоятельство, что в Европе этот технический прием практически не применяется, а подражание Европе остается у нас правилом, которым руководствуются многие. И европейский опыт, и реалии наших современных теплопунктов, сводящие к минимуму преимущества двухступенчатых водоподогревателей, не давали бы никаких оснований для реанимации старой советской схемы, если бы наш опыт применения гидравлически устойчивого регулирования отопительных систем не создал прецедент для пересмотра наметившейся тенденции.

Рассмотрим схему теплового пункта с двухступенчатым водоподогревателем горячего водоснабжения и с системой отопления, тепловая мощность которой регулируется без изменения расхода сетевой воды (рис. 3).

Прежде чем перейти к дальнейшему анализу, напомним читателю суть гидравлически устойчивого регулирования, которому посвящалось уже немало* наших публикаций.

Во время морозов трехходовой клапан 9 перекрывает проход теплоносителя к теплообменнику 8. При относительно теплой погоде температура воды в обратном трубопроводе системы отопления 2 превысит заданное значение, и будет дана команда на изменение положения клапана 9. При этом часть воды из подающего трубопровода направится в теплообменник 8, где теплоноситель будет охлажден до необходимой температуры водой из обратного трубопровода системы отопления. В этом же теплообменнике вода из обратного трубопровода подогреется, после чего возвратится в котельную 1 с более высокой температурой, и операторы котельной будут вынуждены сократить расход топлива, чтобы температура в подающем трубопроводе тепловой сети не поднялась выше заданного уровня. В отличие от обычного регулирования, когда расход сетевой воды, уменьшаясь на одном объекте, обычно перетекает при этом на другой, и на работе газовых горелок центральной котельной такое регулирование не отражается, система гидравлически устойчивого регулирования, установленная даже выборочно, сразу начинает экономить газ в котельной.

Особенностью схемы является сохранение устойчивого гидравлического режима при регулировании, поскольку расходы воды в системе теплоснабжения, а, следовательно, и давления в ней остаются неизменными, что само по себе создает дополнительные эксплуатационные преимущества.

Понятно, что в тепловом пункте, где реализуется схема гидравлически устойчивого регулирования, сетевые расходы изменяются по другим законам, отличным от тех, которые имеют место в тепловых пунктах, где тепловой поток в системах отопления изменяется при количественном регулировании.

В автоматизированном тепловом пункте с гидравлически устойчивым регулированием при одноступенчатом водоподогревателе ГВС расход сетевой воды GTC1аh , т/ч, в точке излома температурного графика тепловой сети и при более высоких температурах наружного воздуха этот расход был бы равен:

В этой формуле, где параметры обозначены так же, как в формуле (1), нет коэффициента a, учитывающего уменьшение тепловой мощности системы отопления в результате погодного регулирования, потому что при гидравлически устойчивом регулировании расход сетевой воды остается неизменным.

При двухступенчатом подогреве при тех же условиях расход сетевой воды GTC2аh , т/ч, будет равен:

В формуле (10) коэффициент a, учитывающий уменьшение тепловой мощности системы отопления при регулировании, присутствует, но не в первом слагаемом, который описывает расход сетевой воды, используемой в системе отопления, а во втором, относящемся к системе ГВС.

Отсутствие коэффициента a в первом слагаемом объясняется просто. При гидравлически устойчивом регулировании расход сетевой воды постоянен. Для того, чтобы объяснить влияние коэффициента a на величину второго слагаемого, обратимся вновь к рис. 3.

Как только трехходовой клапан 9 откроет путь теплоносителю из подающего трубопровода к теплообменнику 8, температура воды в обратном трубопроводе возрастет, и это приведет к увеличению теплового потока в водоподогревателе 5 первой ступени, в котором водопроводная вода подогреется до более высокой температуры. Соответственно должен уменьшиться тепловой поток в водоподогревателе 6 второй ступени, о чем позаботится регулирующий клапан 10.
Если система отопления в данный момент не регулируется (a = 0), множитель второго слагаемого 0,5(1 – a) превратится в 0,5, что отвечает условиям нерегулируемой системы с двухступенчатым водоподогревателем (как в формуле (2)).

Если система отопления работает условно при нулевой нагрузке (a = 1), множитель второго слагаемого превратится в 0. Это означает, что водоподогреватель второй ступени не работает, потому что всю нагрузку взял на себя водоподогреватель первой ступени.

Относительное уменьшение расхода сетевой воды при двухступенчатом подогреве горячей воды в системе с гидравлически устойчивым регулированием выражается следующим отношением:

В этой формуле a — коэффициент, учитывающий уменьшение тепловой мощности системы отопления при регулировании;
Oстальные параметры — те же, что и в формуле (1).
Подставив в формулу (11) обычное для жилых домов значение r = 0,8 и характерные для большинства тепловых сетей расчетные значения перепадов температур:
DtTC = 80 °С и DtИ = 30 °С, получим:

4. Сопоставление эффективности

Эффективность применения двухступенчатого подогрева воды в тепловых пунктах, построенных в прошлом, строящихся сейчас и тех, которые, возможно, построят в будущем, можно наглядно оценить, если представить результаты выполненного исследования в графическом виде (рис. 4).

Из рисунка видно, что при количественном регулировании расхода теплоносителя, которое применяется в современных тепловых пунктах, эффект от применения двухступенчатого нагрева горячей воды минимален, а наибольший эффект от применения двухступенчатого нагрева горячей воды, связанный с уменьшением расхода сетевой воды, может быть достигнут при гидравлически устойчивом регулировании отопительных систем.

5. Вывод

Основной вывод из выполненного исследования состоит в том, что применение двухступенчатого нагрева горячей воды в тепловых пунктах с количественным регулированием расхода теплоносителя в отопительных системах не имеет перспектив повсеместного применения в будущем из-за его низкой эффективности и необходимости применения более мощных, чем обычно, водоподогревателей второй ступени. В то же время, при гидравлически устойчивом регулировании отопительных систем двухступенчатый подогрев горячей воды, широко применявшийся прежде, создает дополнительные по сравнению с традиционной схемой эксплуатационные преимущества для теплоснабжающей организации без каких-либо дополнительных затрат на установку.