Европейский опыт исходит из многолетней практики применения автономных отопительных систем с местными котельными, где без расширительных сосудов обойтись невозможно. На Западе системы отопления обычно заполняют водой из водопровода, и подпитка из тепловой сети применяется там редко. Отечественные отопительные системы с независимым контуром циркуляции заполняются и подпитываются водой из тепловой сети. Эта эффективная практика позволила подойти к нетрадиционному техническому решению узлов подпитки независимых контуров циркуляции, позволяющему в большинстве случаев отказаться от применения в них расширительных сосудов.
На
рис. 18 показаны четыре схемы узла подпитки, каждой из которых соответствует показанный справа от нее условный пьезометрический график тепловой сети в точке подключения здания, показанного в виде вытянутого прямоугольника.
Независимый от тепловой сети 1 контур циркуляции системы отопления 2 включает в себя циркуляционный насос 3 и теплообменник 4, тепловую мощность которого задает регулятор 5. На линии подпитки устанавливают фильтр 6 и водосчетчик 7. Эти элементы обязательны для любого теплового пункта, в котором имеется независимый контур циркуляции.
В схеме
А имеется ручной вентиль 8, который открывают при заполнении системы отопления водой. На обводной вокруг вентиля 8 линии, на которой не должно быть никакой запорной арматуры, устанавливают дроссельную шайбу 9.
После того, как система отопления заполнена водой, вентиль 8 закрывают. При температурном расширении воды ее избыток удаляется через отверстие (диаметром 2 мм) дроссельной шайбы 9 в тепловую сеть, а при температурном сжатии или в результате утечек из системы отопления вода из тепловой сети проникнет в систему через ту же шайбу.
Схема А будет надежно работать при условии, что давление в обратном трубопроводе тепловой сети больше статического давления (P2 > PCT), как это показано на пьезометрическом графике.
Схема Б с клапаном подпора 10 на обратном трубопроводе должна применяться в том случае, когда статическое давление столба воды, заполняющей отопительную систему, превышает давление в обратном трубопроводе тепловой сети (P2 < PCT). Клапан 10, поддерживая до себя давление Р3, равное PCT, поднимет давление в обратном трубопроводе на величину P, и тогда узел подпитки, сможет работать в режиме, описанном для схемы А.
Схема В найдет применение там, где статическое давление превышает давление в обратном трубопроводе настолько, что клапан подпора установить невозможно или нецелесообразно, потому что он будет препятствовать нормальной работе системы теплоснабжения. В этом случае, поскольку P1 > PCT, можно организовать подпитку из подающего трубопровода теплосети. Нужно только исключить возможность (пусть даже теоретическую) подачи в систему перегретой воды из тепловой сети. С этой целью на линии подпитки установлен теплообменник 12.
И только в тех редких случаях, когда статическое давление в системе отопления превышает давление в подающем трубопроводе тепловой сети (P1 < PCT), приходится применять схему Г с подпиточным насосом 12, нагнетающим воду в систему из обратного трубопровода теплосети, закрытым расширительным сосудом 13, компенсирующим температурные приращения объема воды, предохранительным клапаном 14, защищающим систему отопления от повышенного давления, и автоматической системой поддержания нужного давления с датчиком давления 15, по команде которого должен открыться электрический клапан 16 и включиться насос 11.
Задача пятая. Давление в обратном трубопроводе тепловой сети на вводе в здание с независимой системой отопления высотою (от нижней до верхней точки) 40 метров равно 0,35 МПа. Определить на какое давление должен быть настроен регулятор прямого действия «до себя» (клапан подпора) и какой при этом будет перепад давлений на этом клапане, чтобы система отопления могла работать по схеме Б (рис. 18) без расширительного сосуда и подпиточных насосов.
Для того, чтобы избежать вакуума в самой высокой точке системы, избыточное давление в этой точке должно быть не менее 5 м.в.ст. На уровне теплового пункта здания в самой низкой точке системы этому давлению будет соответствовать давление, равное 5 + 40 = 45 м.в.ст. или 0,45 МПа. При этом перепад давлений на клапане подпора составит 0,45 - 0,35 = 0,1 МПа или 1 бар.
В теплопункте без подпиточных насосов и расширительных сосудов не будет расходоваться электрическая энергия на подпитку. Но это не главное его преимущество. Он будет компактнее, дешевле и надежнее, потому что чем меньше в ИТП сложной техники и автоматики, тем более вероятна его безотказная работа.
3.5. Теплообменник в роли побудителя циркуляции
С помощью теплообменников ТТАИ (см. разд. 3.2) возможно организовать удовлетворительную естественную циркуляцию в системе горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома без дополнительных затрат. Для этого надо слегка изменить конфигурацию теплообменника ТТАИР*, добавив ему дополнительный пятый патрубок. На
рис. 19 показано, какую роль играет этот патрубок. Модифицированный теплообменник ТТАИР может работать в двух режимах, — в режиме циркуляции (рис. 19, а) и в режиме пикового (рис. 19, б) водоразбора. Возникновение этих режимов удобно проследить, рассматривая схему системы горячего водоснабжения дома, в котором эти режимы исследовались.
На
рис. 20 представлена схема двухзонной системы горячего водоснабжения точечного многоэтажного жилого дома, в которой циркуляция обеспечивается без циркуляционного насоса, а теплообменник ТТАИ выполняет роль побудителя циркуляции. Система ГВС за пределами теплового пункта не отличается от обычной. Горячая вода приготавливается отдельно для каждой зоны. Главный стояк Т3 подает горячую воду в верхнюю часть зоны, где она распределяется по водоразборным стоякам, которые в нижней части зоны объединяются циркуляционным трубопроводом Т4, опускающимся в тепловой пункт.
В тепловом пункте установлены водоподогреватели второй и первой ступеней. Их тепловая мощность регулируется клапаном 3. Циркуляционный трубопровод Т4, на котором нет обратного клапана, связан с дополнительным патрубком теплообменника поз. 1.
Режим циркуляции возникает при отсутствии водоразбора или при незначительном расходе горячей воды, когда сопротивление трению при движении нагреваемой воды на участке межтрубной полости между близлежащими патрубками, обозначенными на рис. 19, а, Т3 и Т4 не превышает величины естественного давления в замкнутом циркуляционном контуре. При работе в этом режиме циркулирующая при естественном давлении вода подогревается в этом участке межтрубной полости и устремляется по подающему трубопроводу горячего водоснабжения к водоразборным кранам.
Пиковый режим наступает при увеличении расхода горячей воды в системе до значений, при которых величина гидравлических потерь на участке между патрубками, одинаково обозначенными Т3 на рис. 19, б, превысит величину естественного давления. В этом режиме подогретая в водоподогревателе вода устремляется к водоразборным кранам через оба патрубка. Так как эти патрубки расположены рядом, температура воды, входящей в систему через подающий и циркуляционный трубопроводы, будут близкими по значению.
Испытания системы показали, что температура в циркуляционном трубопроводе не опускалась ниже 40 °C при температуре в подающем трубопроводе 57 °C. Применение модифицированного теплообменника ТТАИ дает возможность обходиться без циркуляционного насоса и не расходовать электроэнергию, повысить надежность системы и улучшить ее температурный режим в часы пик, сократить расход тепла на циркуляцию в ночное время и уменьшить потребление энергии повысительным водопроводным насосом.
4. Использование альтернативных источников тепловой энергии
4.1. Возможности электроэнергии как альтернативного источника тепла
Электрическую энергию для теплоснабжения, как правило, применять не следует, потому что на выработку одного киловатта электрической мощности на самой совершенной электростанции расходуется в 2-2,5 раза больше топлива, чем нужно для производства одного киловатта тепловой мощности в самой плохом котле.
Вместе с тем, в некоторых случаях использовать электроэнергию для выработки тепла целесообразно.
4.1.1. Приготовление пищи
Количество тепла, используемого для приготовления пищи на газовой плите, намного превышает реальную потребность, и значительная часть энергии расходуется на нагревание воздуха в кухне. Кроме того, много газа вытекает через неплотности трубопроводов газоснабжения, которые прокладываются открыто по фасадным стенам жилых домов, где трудно выявить очаги коррозии. Современные электрические плиты практически всю энергию передают без потерь емкостям, в которых готовится пища. Кроме того, расходуемая на приготовление пищи электрическая энергия фиксируется электросчетчиками, что стимулирует ее рациональное потребление.
Применение электрической энергии для приготовления пищи исключает возможность отравления жителей угарным газом, не способствует образованию углекислоты и водяных паров, что улучшает гигиенический режим квартир. Взрывы метана в электрифицированных кухнях станут невозможными.
Этими факторами, а также бесперспективностью природного газа в будущем определяется рекомендация отказаться от использования газовых плит при проектировании жилых домов любой этажности.
4.1.2. Полотенцесушители
Полотенцесушители, присоединенные к системе горячего водоснабжения, греют постоянно, в то время как потребность в обогреве ванной комнаты или в просушивании вещей возникает периодически. Электрический полотенцесушитель будет включаться жителями по мере необходимости, и в течение большей части времени он будет отключен. Электроэнергия для обогрева будет учитываться электросчетчиком и расходоваться рационально.
Система горячего водоснабжения, не обремененная полотенцесушителями, будет потреблять за сутки на 10-15% меньше тепловой энергии, уменьшится мощность циркуляционных насосов горячего водоснабжения, а циркуляционные трубопроводы будут смонтированы из труб меньшего диаметра.
При проектировании новых зданий рекомендуется по согласованию с заказчиками проектов полотенцесушители, присоединенные к системам горячего водоснабжения или отопления не устанавливать, предусматривая возможность применения электрических полотенцесушителей. В ванных комнатах и в совмещенных санузлах, примыкающих к наружным стенам, кроме электрических полотенцесушителей должны проектироваться отопительные приборы, присоединенные к системе отопления.
4.1.3. Ночные потребители электрической энергии
4.1.3.1. Особенности ночного потребления электроэнергии
Ночью большая часть потребителей электроэнергии отключается, в то время как крупные электрогенераторы, особенно на ядерных реакторах, должны работать круглосуточно без остановки. Поэтому энергосистемы стимулируют ночное потребление электроэнергии посредством льготного тарифа, который действует от 23 до 6 часов.
В отличие от других энергетических процессов, эффективность которых может быть оценена вполне точно, потому что при такой оценке используются физически точные критерии, эффективность процесса ночного потребления энергии изначально не определенна, поскольку она зависит от ночных тарифов, не имеющих никакого отношения к физике. Ориентируясь при выборе источника тепла на ночные тарифы на электроэнергию, необходимо иметь в виду, что тарифы эти могут со временем повышаться. Повышение ночных тарифов может произойти, например, после сооружения гидроаккумулирующей электростанции. Сооружение нескольких крупных зданий с теплоаккумулирующим отоплением может снять остроту ситуации с ночными провалами графика электропотребления, что повлечет за собой очередное повышение ночных тарифов. После появления электромобилей ночные тарифы вообще будут отменены. Вероятно, это произойдет нескоро, но ведь и жилые дома строятся на века. Вместе с тем, пока ночные тарифы действуют, их надо использовать, подключая к сетям электроснабжения различного рода электронагреватели.
4.1.3.2. Квартирные емкостные водонагреватели
Применение квартирных емкостных электрических водонагревателей имеет много преимуществ по сравнению с централизованной системой горячего водоснабжения. Главное из них — сокращение потребления горячей воды. В Украине все еще действует изобильная норма потребления жителями горячей воды — 130 литров на человека в сутки при приготовлении горячей воды в тепловом пункте. Эта чрезмерная норма не намного превышает фактическое потребление, в то время как норма суточного потребления воды, подогревающейся в квартирных газовых колонках, составляет всего 85 литров на человека. В европейских странах действуют еще более скудные нормы.
Можно ожидать, что при подогреве воды в электрических водонагревателях каждый житель будет расходовать не более 70 литров в сутки. В этом случае, используя ночной тариф, можно понизить уровень платежей за горячую воду по сравнению с централизованной подачей.
Задача шестая. Семья из четырех человек оплачивает ежемесячные счета за централизованную подачу горячей воды на сумму 48 грн. Требуется оценить возможные затраты семьи после установки квартирного емкостного электрического водонагревателя, потребляющего электроэнергию по ночному тарифу, который установлен на уровне 30 % от обычного и составляет 0,047 грн./(кВт . ч).
Суточное потребление горячей воды, подогретой в электрическом водонагревателе, не превысит 70 литров на человека или 280 литров на всю семью. Для того, чтобы подогреть столько воды на 50 °С потребуется 280 . 50/860 = 16,3 кВт . часа электрической энергии в сутки. В течение месяца электрический счетчик насчитает 16,3 . 30 = 489 кВт . часов, а сумма платежа за горячую воду составит 489 . 0,047 = 23 грн. Таким образом, сумму платежа можно сократить на 25 грн./месяц.
Квартирный электрический водонагреватель будет выгоден, даже если ночной тариф будет установлен на уровне 50 % от обычного. Поэтому при проектировании нового жилого дома этот вариант рекомендуется предложить заказчику, который сможет оценить предложение с учетом сопоставления стоимостей квартирных водонагревателей и централизованной системы горячего водоснабжения. Нужно при этом иметь в виду, что для возможности использования ночного тарифа в квартирах должны устанавливаться более дорогие электросчетчики.
При установке одного миллиона квартирных электрических водонагревателей можно сократить потребность в природном газе примерно на один млрд м3/год.
4.1.3.3. Ночные электрокотлы
Можно сэкономить природный газ и деньги жителей, если в дополнение к обычному оборудованию газовой котельной или теплового пункта установить электрокотел для работы ночью по льготному тарифу.
Задача седьмая. Крышная газовая котельная жилого дома тепловой мощностью 200 кВт потребляет 60 тыс. м3 природного газа в год, в том числе 14 тыс. м3 в ночные часы. Требуется оценить целесообразность установки в котельной дополнительного электрокотла для работы в ночное время. Природный газ отпускается по цене 105 долларов за 1000 м3, а электроэнергия — по тарифу, который установлен на уровне 30 % от обычного и составляет 0,047 грн./(кВт . ч).
При сжигании 14 тыс. м3 природного газа с теплотворной способностью 8000 ккал/м3 в современных котлах, коэффициент полезного действия которых не ниже 92 %, в систему теплоснабжения жилого дома поступает 14000 . 8000 . 0,92 = 103 . 106 ккал. Для выработки такого количества тепловой энергии в электрокотле нужно израсходовать 103 . 106/860 = 120 тыс. кВт . часов электроэнергии. При оплате этого количества по ночному тарифу сумма платежей составит 120 . 103 . 0,047 = 5640 грн./год. Стоимость платежей за природный газ при валютном курсе 1 USD = 5,05 грн. составила бы 14 . 105 . 5,05 = 7423 грн.
Таким образом, экономия затрат составит 7423 - 5640 = 1783 грн. в год.
Задача восьмая. Тепловой пункт здания мощностью 800 кВт потребляет 1500 Гкал/час в год, в том числе 400 Гкал в ночные часы. Требуется оценить целесообразность установки в ИТП электрокотла для работы в ночное время. Тепловая энергия отпускается по цене 90 грн. за 1 Гкал, а электроэнергия — по тарифу, который установлен на уровне 30 % от обычного и составляет 0,047 грн./кВт . ч. При выработке 400 Гкал в электрокотле будет израсходовано 400 . 106/860 = 465 . 103 кВт . часов, а сумма платежей составит 465 . 103 . 0,047 = 21850 грн. Стоимость платежей за тепловую энергию составит 90 . 400 = 36000 грн. Экономия составит 36000 - 21850 = 14150 грн./год.
Примеры показывают, что при тарифах, действовавших в начале 2006 года, применение ночных электрокотлов бесспорно выгодно. Еще выгоднее это будет тогда, когда природный газ начнут отпускать по мировым ценам, а ко времени, когда газ исчезнет из газопроводов, электрокотлы, заранее установленные в газовых котельных и тепловых пунктах, присоединенных к централизованным системам теплоснабжения от газовых котельных, послужат смягчению кризисной ситуации. Нужно лишь обеспечить невозможность их включения днем, чтобы исключить аварии в системах электроснабжения. При установке ночных электрокотлов мощностью 1 млн кВт можно сократить потребность в природном газе на 250 млн м3/год.
4.1.3.4. Теплоаккумулирующий пол с кабельным подогревом
Установлено [9], что тепловая инерция должным образом устроенного пола при кабельном его подогреве в течение семи ночных часов может оказаться достаточной для круглосуточного отопления помещения, температура которого при этом будет колебаться в допустимых диапазонах. Колебания температур в каждом помещении должны быть рассчитаны в процессе проектирования.
Расчетами должно быть также установлено, что температура поверхности пола к 6 часам утра не превысит нормативного уровня 27 °С.
4.2. Рассеянная энергия, преобразованная в тепловых насосах
4.2.1. Роль тепловых насосов в энергетике ближайших лет
В результате быстрого и для многих неожиданного превращения природного газа в топливо дорогое и ненадежное складывается совершенно новая энергетическая ситуация. Мировая цена на природный газ в течение первых пяти лет XXI века удвоилась и продолжает стремительно расти, что объективно свидетельствует об ограниченности его запасов в недрах планеты. После того, как его цена вырастет до уровня 350 долларов за 1000 м3, его покупать для целей теплоснабжения в Украине никто не станет, потому что газ станет дороже электроэнергии. Системы централизованного теплоснабжения придется переводить на уголь, торф и биомассу. Жилые дома, находящиеся вне этих систем, смогут обогреваться только электрической энергией, поскольку перспектива возвращения к дровяным и угольным квартирным топкам ни у кого не вызывает энтузиазма. Электроэнергии станет недостаточно, она станет еще дороже.
В этой ситуации единственной экономически приемлемой альтернативой станут тепловые насосы, использующие рассеянную энергию окружающей среды и тепловых отходов.
4.2.2. Коэффициент преобразования
Для привода компрессионных* тепловых насосов используется электроэнергия. Мощность электропривода N связана с тепловой мощностью Q теплового насоса зависимостью:
где — коэффициент преобразования теплового насоса.
В компрессионных тепловых насосах, так же как и в холодильных машинах, используется обратный круговой процесс со сжатием холодильного агента в компрессоре, его конденсацией в конденсаторе и кипением в испарителе. Величина коэффициента преобразования зависит от разности температур конденсации и кипения холодильного агента.
Коэффициент преобразования тем выше, чем ниже температура конденсации и чем выше температура кипения хладагента. Поэтому системы отопления, получающие тепло от тепловых насосов, должны быть низкотемпературными, а источник рассеянного тепла должен иметь максимально возможную температуру.
Ориентировочные значения коэффициентов преобразования компрессионных тепловых насосов, передающих теплоту от жидкого теплоносителя в испарителе к жидкому теплоносителю в конденсаторе, приведены в
табл. 3.
Задача девятая. Для низкотемпературной системы отопления односемейного жилого дома тепловой мощностью 12 кВт с температурами теплоносителя 40-35 °С предполагается использовать тепловой насос, отнимающий теплоту грунта посредством охлажденного до температуры минус 6 °С водного раствора этиленгликоля. Определить мощность двигателя теплового насоса. По табл. 3 определяем, что коэффициент преобразования теплового насоса при температуре воды на выходе из конденсатора 40 °С не должен быть ниже значения = 3,2. Максимальная электрическая мощность, вычисленная по формуле 7, дает значение
N = 12/3,2 = 3,75 кВт.
Коэффициент преобразования является определяющим критерием эффективности теплового насоса. Условной границей энергетической эффективности считается = 3. При меньших значениях суммарный расход первичной энергии, затраченной на выработку электроэнергии на электростанции и на преобразование рассеянной энергии в тепловом насосе, превысит значения, характерные для традиционных генераторов тепла.
Для оценки экономической эффективности теплового насоса нужно рассчитать величины единовременных и эксплуатационных затрат для двух сопоставимых вариантов теплоснабжения.
В стремлении поднять величину коэффициента преобразования теплового насоса иногда прибегают к искусственным приемам, используя, например, теплоту воды из обратного трубопровода системы теплоснабжения. Нужно иметь ввиду, что тепловой насос только тогда энергетически эффективен, когда он использует тепловую энергию, имеющуюся в природе, или тепло техногенного происхождения, выбрасываемое в окружающую среду.
4.2.3. Рассеянная энергия, пригодная для преобразования
4.2.3.1. Воздух
Воздух атмосферы легко доступен, и энергия его безгранична, но температурный уровень этой энергии недостаточен для ее эффективного использования в отопительных тепловых насосах в климатических условиях Украины. Исключением можно считать южный берег Крыма, где воздушные конденсаторы реверсивных холодильных машин систем кондиционирования могут в зимний период при температуре до минус 10 °С выполнять функции испарителей, отнимая энергию от наружного воздуха. На остальной территории Украины воздух атмосферы можно использовать в летнее время в качестве источника тепла для системы горячего водоснабжения.
На
рис. 21 представлена схема теплового пункта общежития аспирантов КиевЗНИИЭП, где с 1998 года [10] вода зимой подогревается в водоподогревателях, присоединенных к тепловой сети, а летом — в тепловом насосе.
В зимний период теплоноситель поступает из тепловой сети, а вода для системы горячего водоснабжения подогревается в двухступенчатом водоподогревателе 5. Подогретая вода равномерно накапливается в баках-аккумуляторах 7, откуда она поступает в систему 3 соответственно потребности.
В летний период система горячего водоснабжения полностью отключена от тепловой сети, и в качестве источника теплоты используется тепловой насос 6. Нагреваемая в конденсаторе теплового насоса вода постоянно циркулирует между конденсатором и бакамиаккумуляторами, в то время как в контуре испарителя теплового насоса циркулирует вода, подогретая в атмосферном теплоприемнике 8, установленном на кровле.
При температуре наружного воздуха +25 °С тепловой насос подогревает воду до +50 °С, вырабатывая 25,5 кВт тепловой энергии при потребляемой мощности 6,2 кВт. Коэффициент преобразования в этом режиме равен 4,1. Тепловой насос эксплуатируется с конца мая до начала сентября при среднем за этот период коэффициенте преобразования около 3,3. Возможность накопления тепла в закрытых баках-аккумуляторах позволяет тепловому насосу относительно небольшой мощности обеспечить летние потребности в горячей воде 68-квартирного общежития с душами в каждой квартире.
Литература1. ДБН В2.2-15-2005. Жилые здания. Основные положения.2. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование, с изм. 1 и 2.3. СНиП II-3-79. Строительная техника, с изм. 1.4. Пособие по проектированию систем водяного отопления к СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование. — изд. КИЕВЗНИИЭП. — 2001.5. Альбом рекомендаций по применению современного эффективного оборудования в системах отопления и горячего водоснабжения зданий при централизованном теплоснабжении. — изд. КИЕВЗНИИЭП. — 2003.6. Гершкович В.Ф. Почему не состоялось энергосбережение // Новости теплоснабжения. — Москва. — 2004. — № 7 (47).7. СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация, с изм. 1.8. Рекомендации по применению теплообменников ТТАИ в тепловых пунктах жилых и общественных зданий. — Изд. КиевЗНИИЭП. — 2005.9. ДБН В.2.5-24-2003. Электрическая кабельная система отопления.10. Первый опыт горячего водоснабжения от теплового насоса. // Энергосбережение в зданиях. — 1998. — № 3 (7).11. Viessman. Системы тепловых насосов. Инструкция по проектированию. 5829 122-2 GUS 2/2000.12. Heizung und Klimatechnik 97/98 R. — Oldenbourg Verlag. — Munchen, Wien. — 1997.
