Теплоснабжение средних и крупных потребителей

Журнал «Новости теплоснабжения» № 8, 2005 г., www.ntsn.ru

Д.т.н. В.П. Проценко, профессор, д.т.н. Е.Н. Бухаркин, Московский государственный открытый университет

В настоящее время теплоснабжение средних и крупных потребителей осуществляется, как правило, централизованно от котельных и от крупных теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). В эксплуатации находятся разветвленные тепловые сети (ТС), суммарная протяженность которых исчисляется сотнями тысяч километров. Срок службы многих сетей превышает нормативный ресурс трубопроводов, и многие из них находятся в аварийном или предаварийном состоянии. В качестве средств выхода из создавшегося положения предлагаются различные мероприятия, в частности, переход на децентрализованное теплоснабжение от местных котельных, замену стальных трубопроводов полимерными и др.

Повсеместно применяемое водяное отопление, как известно, имеет ряд недостатков: наличие отопительных приборов, загромождающих помещения, неравномерность тепловыделений по объему, опасность замораживания при морозах и др. Воздушное отопление лишено этих недостатков, вдобавок при нем совмещаются функции отопления и вентиляции помещений. Последнее обстоятельство особенно существенно в связи с широким внедрением герметичных пластиковых окон, препятствующих естественному притоку наружного воздуха в помещения. Особенностью воздушного отопления является сниженный температурный уровень теплоносителя (40-60 ОС вместо 70-95 ОС при водяном отоплении). Последняя особенность является привлекательной для теплонасосной технологии, использующей в качестве теплоносителя низкотемпературную обратную воду от теплопроводов ТЭЦ. Правилами использования тепловой энергии (ТЭ) [1] стимулируется дополнительный отбор тепла от обратных ТС ТЭЦ, что позволяет снизить температуру воды, поступающей в сетевые подогреватели ТЭЦ. В частности, в [1] записано: «Потребитель, осуществляющий мероприятия, направленные на более полное использование тепла, получаемое от ТЭЦ и снижающий тем самым температуру обратной сетевой воды ниже температуры, предусмотренной графиком, не оплачивает энергоснабжающей организации то количество тепловой энергии, которое он использует для такого снижения». Расчеты [2] показали, что использование тепла обратной сетевой воды в теплонасосных установках (ТНУ) может быть энергетически и экономичности оправданным.

В связи с вышеизложенным сравним показатели систем водяного отопления зданий от крышной котельной и воздушного отопления от ТНУ, с низкопотенциальным источником теплоты, которым является обратная сетевая вода ТЭЦ. Регулирование отопительной нагрузки осуществляется качественным способом с изменением температуры нагретого воздуха, подаваемого в помещения. Такой способ регулирования принят в связи с трудностью равномерного распределения нагретого воздуха при изменении его расхода при количественном способе, при котором температура нагретого воздуха постоянна и максимальна в течение всего отопительного сезона, и при котором энергетические показатели ТНУ ухудшаются.

Необходимо выбрать расчетную температуру воздуха tгв, подаваемого в помещение. Влияние величины tгв на показатели системы неоднозначно: например, при понижении tгв увеличивается расход воздуха и поперечное сечение воздуховодов, что ведет к удорожанию системы. В то же время снижение tгв благоприятно для ТНУ, т.к. позволяет уменьшить затраты энергии на привод компрессора и увеличить коэффициент преобразования.

В свою очередь повышение tгв дает уменьшение поперечного сечения воздуховодов, но увеличивает затраты энергии компрессором ввиду повышения степени сжатия. Дополнительным фактором, влияющим на выбор tгв, является наличие в отапливаемых зданиях систем горячего водоснабжения (ГВС), что для жилых зданий обязательно.

При действующей нормативной температуре горячей воды 55 ОС температура греющего теплоносителя должна быть как минимум на 5 ОС выше, т.е. быть равной 60 ОС. Если величина tгв меньше этого значения, то в варианте с ТНУ для догрева воды необходимо использовать дополнительный источник тепла. Такое решение возможно при использовании в системе ГВС бака-аккумулятора, который предусмотрен в составе оборудования крышной котельной. В этом случае ввиду стабильного режима подачи воды в бак со среднесуточным расходом может быть оправдано использование электронагревателя для догрева воды. Причем при наличии бака-аккумулятора, накапливающего воду в ночные часы электроэнергия оплачивается по льготному тарифу.

В связи с изложенным расчеты систем теплоснабжения с ТНУ производились для 2-х вариантов с tгв равной 40 и 60 ОС.

Сопоставляемые схемы теплоснабжения жилого дома от крышной котельной и от ТНУ, использующей тепло обратной воды ТС от ТЭЦ, показаны на рис. 1, 2.

Схема, согласно рис. 1, работает следующим образом: нагретая в котле 1 вода параллельными потоками распределяется в подогреватели отопления 2 и ГВС 3. Подогреватели 2 нагревают воду, циркулирующую в отопительной системе, а подогреватели 3 - водопроводную воду, которая после нагрева поступает в бак-аккумулятор 4 и далее в водоразборные стояки ГВС.

Работа схемы (рис. 2) осуществляется следующим образом: обратная вода ТС в испарителе ТНУ 4 генерирует пар хладоагента (рабочее тело ТНУ), который компрессором 5 сжимается и направляется в подогреватели отопления 6 и ГВС 7. В подогревателе 6 рабочее тело нагревает свежий чистый наружный воздух, нагнетаемый вентилятором 8, а в подогревателе 7 - воду для ГВС. Конденсат рабочего тела через редукционный клапан 9 возвращается в испаритель 4. Нагретый в подогревателе 6 воздух через коллектор 10 по патрубкам 11 распределяется по отапливаемым помещениям. Охлажденный до 18 ОС воздух по каналам 12 возвращается на всас вентилятора 8. Схемой предусмотрено удаление выделяющихся в системе вредностей продувкой не отработанного воздуха из помещений, как это обычно принято, а смеси рециркуляционного и наружного холодного. Через нагнетательный воздуховод 14 из системы удаляется объем воздуха, соответствующий вентиляционному расходу.

Это мероприятие дает снижение потерь тепла с удаляемым отработанным воздухом. При температуре нагретого воздуха tгв равной 40 и 60 ОС, температуры смешанного воздуха составляют соответственно 13,9 и 8,4 ОС. Уменьшение потерь тепла по сравнению с обычной схемой удаления отработанного воздуха с tуд=18 ОС применительно к реальным условиям воздушного отопления 12-этажного жилого дома при tсм=13,9 и 8,4 ОС даст соответственно 6,67 кВт и 15,7 кВт (2,46% и 5,8% от общего расхода тепла на отопление).

Наряду с некоторым уменьшением тепловых потерь при данной схеме имеет место сброс из циркуляционного контура воздуха с меньшей концентрацией вредностей, чем при обычной схеме, т.к. сбрасывается не только отработанный воздух, но и часть чистого свежего. Уменьшение концентрации сбросного воздуха происходит, как показали расчеты, примерно в таком же соотношении, как и уменьшение тепловых потерь. Для жилых помещений с небольшим выделением вредностей использование данной схемы не потребует изменения расхода воздуха на вентиляцию.

Отметим, что в данной статье рассматриваются вопросы экономии ТЭ при воздушном отоплении. Вопросы санитарно-гигиенического состояния воздушной среды отапливаемых помещений следует рассматривать дополнительно с учетом конкретных условий, имеющих место в помещениях.

Вода из водопровода поступает в водо-водяной подогреватель 15, в котором охлаждает обратную воду ТС, затем поступает в воздушный нагреватель 7. При нагреве воды до 55 ОС она по перемычке 16 направляется в бак 17, и далее по водоразборным стоякам потребителей. Если нагрев воды в подогревателе 7 недостаточен, догрев до нормы производится электронагревателем 13.

Рассмотренная схема применима и к вариантам, когда в качестве источника низкопотенциальной теплоты ТНУ используются тепловые выбросы расположенных вблизи промпредприятий.

В качестве примера приведем расчет системы отопления 12-этажного жилого дома с 96 квартирами, средняя площадь квартиры 35 м2, общая жилая площадь 3350 м2.

Расход тепла на отопление:

Qот=q0*F=81*3350=272*103 (Вт) = 272 кВт, где q0 -норма расхода тепла на отопление 1 м2 жилой площади, Вт/м2; F - жилая площадь, м2.

Расход тепла на нужды ГВС: Qгвс=m*n*(tгор. вод.-tхв)/24, где m - норма потребления горячей воды, л/сутки; n - число жителей; tгор. вод.., tхв - соответственно температуры горячей и холодной воды.

QГВС=120*3*96*(55-5)*1,16/24=83*103 Вт=83 кВт.

Температура воздуха на входе в конденсатор ТНУ из уравнения смешения наружного воздуха с рециркуляционным: tсм= (Uотtвн+Uвtнр)/(Uот+Uв), где Uот - объем воздуха на отопление; Uв - объем вентиляционного воздуха; tвн, tнр - соответственно температуры внутреннего и наружного воздуха.

Uв=0,5Uпом=0,5Fhпом=0,5*3350*2,7=4540(м3/ч),

где hпом - высота помещений, м.

Результаты расчета применительно к расчетной температуре наружного воздуха tнр приведены в таблице.

Показатели существующей системы теплоснабжения от крышной котельной с КПД η = 0,9 следующие: расход природного газа -Вг=40,10 м3/ч; расход воды в системе отопления - G=16,7т/ч; мощность водяного циркуляционного насоса - N=0,9 кВт; поверхность нагрева отопительных приборов - Fр=115 м2.

Таким образом, при расчетной tгв = 60 ОС ТНУ) может обеспечить потребности отопления, а при работе ГВС в накопительном режиме с баком-аккумулятором также и нужды ГВС. Величина коэффициента преобразования энергии, потребляемой компрессором, в тепловую энергию m, составляет 4,15. При расчетной tгв=40 ОС величина m выше (5,69), однако расход воздуха в 2 раза больше, чем при расчетной tгв=60 ОС. Вода для ГВС нагревается последовательно: обратной водой тепловых сетей ТЭЦ до 35 ОС, в конденсаторе ТНУ при tгв = 60 ОС до нормативной 55 ОС, при tгв=40 ОС до 38 ОС, окончательный нагрев до 55 ОС производится в электронагревателе.

Сравнение показателей теплоснабжения водяной системы отопления от крышной котельной и воздушного отопления от ТНУ показывает, что:

1. При существующих нормах расхода тепла на отопление энергетическая эффективность ТНУ значительно выше, т.к. коэффициент использования тепла (КИТ) топлива для теплоснабжающей системы в целом (ТЭЦ - потребители тепла) составит: КИТ= ηт*ηэл*μ=0,35*0,9*4,15=1,32, а для крышной котельной KMT= ηk=0,9, где ηт, ηэл, ηтк -соответственно КПД выработки электроэнергии на ТЭЦ или КЭС, линий электропередачи и крышной котельной. КИТ для крышной котельной снижается практически в 2 раза.

2. Использование воздушного отопления позволяет нормализовать и стабилизировать режим вентиляции помещений, сократить тепловые потери за счет снижения нерегулируемого притока холодного воздуха через окна. Уменьшение тепловых потерь здания при воздушном отоплении позволит еще больше повысить энергетическую эффективность воздушной системы отопления.

3. В связи с отсутствием выбросов вредных продуктов сгорания непосредственно рядом с жилым зданием система воздушного отопления экологически более благоприятна.

Литература

1. Правила использования электрической и тепловой энергии. М., Энергоиздат, 1982.

2. Проценко В.П., Зайцев А.А., Серебрянников Н.И., Седлов А.С., Маханьков А.К. Использование парокомпрессионных теплонасосных установок в теплофикационных системах. Деп. в ВИНИТИ, № 1084-В00, М.: МЭИ, 2000.