Горячая вода для систем горячего водоснабжения может быть получена в
местных водонагревателях, либо подаваться централизовано от теплового
пункта. В местных системах горячего водоснабжения применяют газовые,
либо электрические водонагреватели. Такие системы остались в старых
зданиях с централизованным отоплением. При реконструкции этих зданий
системы горячего водоснабжения также делают централизованными. Системы
с тепловыми насосами для приготовления горячей воды, несмотря на их
высокую энергоэффективность, в зданиях с централизованным
теплоснабжением имеют единичное применение из-за значительных
капиталовложений и отсутствия государственной поддержки на их развитие
[25]. Такие системы оправдывают себя в зданиях с системами
кондиционирования, работающими в теплый период года, а также в зданиях,
для которых надежность обеспечения горячего водоснабжения превышает
возможности системы централизованного теплоснабжения [20].
Выбор схемы присоединения системы централизованного горячего
водоснабжения определяют, прежде всего, принятой при проектирова-нии
источника теплоснабжения системой теплоснабжения - открытой или
закрытой. В открытой системе теплоснабжения установки горячего
водоснабжения присоединяют через смесители. В закрытой - через
поверхностные подогреватели по одной из принципиальных схем:
• с непосредственным водоразбором;
• с последовательным присоединением водоподогревателя;
• с параллельным присоединением водоподогревателя;
• с двухступенчатым смешанным присоединением водоподогревате-
лей I и II ступени;
• с двухступенчатым последовательным присоединением водоподо-
гревателей I и II ступени.
При непосредственном водоразборе из теплосети подключают систему
горячего водоснабжения через смеситель (рис. 2.21, а). Он пропускает
воду либо из подающего трубопровода теплосети, либо из обратного
трубопровода теплосети, либо смешивает воду из этих трубопроводов до
заданной температуры. Для предотвращения перетекания воды из подающего
трубопровода в обратный через смесительный клапан при отсутствии
водоразбо-ра устанавливают обратный клапан на ответвлении к обратной
магистрали.
Обязательным требованием к узлам с непосредственным водоразбо-ром из
теплосети является установка двух расходомеров: на подающем
трубопроводе теплосети перед ответвлением трубопровода горячего
во-доснабжения и на обратном трубопроводе теплосети. Основным услови-ем
допустимости применения таких узлов, является соответствие воды в
системе теплоснабжения требованиям, предъявляемым к
хозяйственно-питьевой воде, что в значительной мере ограничивает их
применение.
Наибольшее распространение получили узлы присоединения систем горячего
водоснабжения через рекуперативные теплообменники (водо-подогреватели).
Холодная вода под напором городского водопровода В 1 (либо
дополнительных повысительных насосов) поступает в теплообменник,
нагревается сетевой водой и поступает в распределительный трубопровод
системы горячего водоснабжения ТЗ. При этом применяют одну либо две
ступени нагрева, соответственно один или два теплообменника. Количество
ступеней и схема их присоединения к трубопроводам теплосети
регламентируется нормой [3].
Последовательную одноступенчатую схему (рис. 2.21,6) присоедине-ния
теплообменника системы горячего водоснабжения, называемую так же
предвключенной, в настоящее время не применяют. Основное ее зна-чение
состояло в подтверждении возможности расчета наружных тепло-вых сетей
при закрытой схеме теплоснабжения не на максимальную, а на среднюю
нагрузку горячего водоснабжения [27]. Сетевая вода, поступающая из
теплосети для отопления и горячего водоснабжения, проходит через
теплообменник, а затем несколько охлажденной поступает в смесительный
узел системы отопления. Задвижка на перемычке (на рис. выделена серым
цветом) перекрыта. Клапан РР (регулятор расхода), установленный на
перемычке теплообменника, получая командный импульс от измерительной
диафрагмы открывается обратнопропорционально закрытию клапана РТ
(регулятор температуры) и компенсирует недостающий расход теплоносителя
для системы отопления. При этом гидравлический режим системы отопления,
в отличие от теплового, остается постоянным. Безусловно, такой
гидравлический режим не присущ современным двухтрубным системам
отопления с переменным гидравлическим режимом. В теплый период года,
когда не работает система отопления, открывают запорный клапан (на рис.
выделен серым цветом) и направляют теплоноситель после теплообменника в
теплосеть, минуя контур системы отопления.
На рассматриваемых схемах РТ расположен после теплообменника. Возможен
вариант расположения перед теплообменником, если такое решение
предусмотрено техническим описанием. Преимущественным яв-ляется первый
вариант, позволяющий уменьшить вероятность образова-ния кавитации и
улучшить условия работы регулятора.
В параллельной одноступенчатой схеме при соблюдении
теплогид-равлического режима теплосети работа системы горячего
водоснабжения не влияет на систему отопления, (рис. 2.21,в). Сетевая
вода поступает в теплообменник системы горячего водоснабжения и
возвращается в обратный трубопровод теплосети. Расход сетевой воды
зависит от ее температуры и изменяется при работе клапана РТ. Поскольку
работа параллельно подключенного теплообменника не зависит от работы
системы отопления, как и в предыдущей схеме, пуск и регулировку системы
горячего водоснабжения осуществляют при отключенной системе отопления.
Одноступенчатые схемы подключения систем горячего водоснабже-ния имеют
преимущество в системе теплоснабжения небольшого радиуса действия,
подключенной к районной котельной. Принято считать, что при увеличении
мощности и радиуса действия системы теплоснабжения двухступенчатые
схемы присоединения систем горячего водоснабжения становятся более
экономичными, способствуя уменьшению диаметров трубопроводов теплосети
[28]. Однако параллельную одноступенчатую схему следует оценить с
современных позиций энергосбережения. По сравнению с двухступенчатой,
она обеспечивает меньшие гидравличес-кие потери, меньшие теплопотери и,
что немаловажно, она гораздо про-ще. Двухступенчатые схемы, с
использованием теплоты из обратного трубопровода системы отопления,
обеспечивают работу в примерно рас-четном режиме очень короткий
промежуток времени (до 10 %), тогда как в остальное время требуют
значительных затрат на перекачку теплоноси-теля.
В двухступечатой смешанной схеме присоединения системы горячего
водоснабжения водоподогреватель разделен на два теплообменника (рис.
2.21,г). Первый теплообменник подключен последовательно к системе
отопления, а второй - параллельно. Вода из городского водопровода В1
поступает в теплообменник первой ступени, где подогревается за счет
остаточной теплоты воды в обратном трубопроводе теплообменника второй
ступени и в обратном трубопроводе Т2 системы отопления. Затем вода
поступает в теплообменник второй ступени, где догревается до тре-буемой
температуры за счет теплоты сетевой воды и направляется в тру-бопровод
ТЗ системы горячего водоснабжения. В летний период времени подогрев
воды осуществляют аналогично. Отличие состоит лишь в том, что система
отопления отключена и в первую ступень поступает теплоно-ситель только
со второй ступени подогрева. При наличии циркуляцион-ного трубопровода
системы горячего водоснабжения его подключают между первой и второй
ступенями нагрева.
Отличие двухступенчатого последовательного присоединения
тепло-обменников (рис. 2.21,д) от смешанного (рис. 2.21,г) состоит в
том, что теплоноситель со второй ступени поступает в систему отопления
анало-гично предвключенному теплообменнику (рис. 2.21,6).
Двухступенчатая последовательная схема присоединения теплообменников
системы горя-чего водоснабжения требует наличия повышенного
температурного гра-фика центрального регулирования по суммарной
нагрузке, в котором специальная температурная надбавка обеспечивает
постоянство расхода сетевой воды на уровне расхода для системы
отопления. Такая схема по-зволяет выравнивать суточный расход воды и
теплоты на горячее водо-снабжение за счет заимствования от системы
отопления, а также покры-вать среднюю нагрузку горячего водоснабжения
за счет повышения температуры сетевой воды. Это способствует снижению
стоимости на-ружных тепловых сетей. Однако при всех преимуществах
данной схемы, осуществлять ее наладку и корректировку значительно
сложнее, чем при параллельной и смешанной, а повсеместное несоблюдение
графика температур теплоносителя лишает ее всех преимуществ.
Наибольшее распространение получили следующие схемы присоеди-нения теплообменников системы горячего водоснабжения [29]:
• параллельная с зависимым присоединением системы отопления;
• двухступенчатая смешанная с ограничением максимального расхо
да сетевой воды и зависимым присоединением системы отопления;
• двухступенчатая смешанная с ограничением максимального расхода
сетевой воды и независимым присоединением системы отопления.
В принимаемых схемах подключения систем горячего водоснабже-ния нормировано количество устанавливаемых теплообменников в сту-пенях подогрева [3]. Так, необходимо принимать два параллельно вклю-ченных в каждой ступени водоводяных подогревателя, рассчитанных на 50 % теплового потока каждый. При максимальном тепловом потоке на горячее водоснабжение до 2 МВт следует предусматривать в каждой сту-пени подогрева один водоподогреватель горячего водоснабжения, кроме зданий, не допускающих перерыва в подаче теплоты на горячее водо-снабжение.
В промышленных и сельскохозяйственных предприятиях установка двух параллельно включенных водоподогревателей горячего водоснаб-жения для хозяйственно-бытовых нужд может предусматриваться только для производств, не допускающих перерывов в подаче горячей воды. Кроме того, в системах горячего водоснабжения промышленных пред-приятий для выравнивания сменного графика потребления воды объек-тами, имеющими сосредоточенные кратковременные расходы воды на горячее водоснабжение, должны предусматриваться баки-аккумуляторы. Для объектов промышленных предприятий, имеющих отношение сред-него теплового потока на горячее водоснабжение к максимальному тепловому потоку на отопление меньше 0,2, баки-аккумуляторы не устанавливают.
Схема узла присоединения к тепловой сети системы горячего водо-снабжения с нижним баком-аккумулятором показана на рис. 2.21,е. Аккумулирование теплоты осуществляется следующим образом: при отсутствии водоразбора в системе горячего водоснабжения или при водоразборе, не превышающем расчетного значения, вода циркулирует по аккумуляционному контуру: из теплообменника в бак-аккумулятор и обратно в теплообменник. С достижением заданной температуры воды на датчике температуры в баке-аккумуляторе и отсутствии водоразбора циркуляция прекращается. При остывании воды в баке-аккумуляторе циркуляция возобновляется. При водоразборе, превышающем расчетный расход, одна часть воды из водопровода В1 направляется насосом аккумуляционного контура в теплообменник, а вторая, из-за низкой подачи насоса, поступает в нижнюю часть бака-аккумулятора и вытесняет горячую воду из его верхней части в трубопровод ТЗ водоразборного контура. При уменьшении водоразбора ниже расчетного значения процедура зарядки бака-аккумулятора возобновляется. Такой подход позволяет уменьшить теплообменник и в момент максимального водоразбора не заимствовать недостающую теплоту у системы отопления.
Для зданий, высотой более 50 м (свыше 16 этажей) следует предусматривать разделение сис-тем централизованного горячего водоснабжения на зоны по вер-тикали с самостоятельными теп-лообменниками в тепловом пункте, с самостоятельными раз-водками и отдельными стояками для каждой зоны (рис. 2.22). Это вызвано ограничением допускае-мого давления воды перед запорной и водоразборной арматурой до 0,6 МПа [30; 31]. Для жилых зданий это значение снижено до 0,45 МПа [32]. Кроме того, перед теплообменниками верхней зоны на подводке холодной воды предусматривают повыси-тельный насос.
Узлы присоединения абонентов в Западной Европе имеют аналогич-ные схемные решения. Например, в Скандинавии чаще всего применяют двухступенчатую смешанную схему присоединения системы горячего водоснабжения с рекуперативными теплообменниками. В Германии -схему с баками-аккумуляторами, позволяющими реализовать множество гидравлических сопряжений. При этом используют не только накопи-тельные схемы (бак без встроенного теплообменника), но и аккумулиру-ющие схемы (бак со встроенным теплообменником) [33], а их подключе-ние осуществляют как к трубопроводам теплосети, так и к трубопроводам системы отопления [34].
В рассмотренных узлах присоединения систем горячего водоснабже-ния циркуляционные насосы расположены на циркуляционном трубо-проводе Т4, т. е. до теплообменника. Так поступают при достаточном давлении в водопроводе В1 для работы системы горячего водоснабжения. В противном случае, когда давление в водопроводе без повысительного насоса либо при его наличии не-достаточно, циркуляционный на-сос устанавливают на подающем трубопроводе (на рис. 2.23 пока-зан пунктиром), располагая за теплообменником. Иногда при максимальном водоразборе в сис-теме образуется значительная оста-точная циркуляция, что является недопустимым. В этом случае ранее устраивали перемычку (на рис. 2.23 показана пунктиром) от циркуляци-онного к распределительному тру-
Рис. 2.23. Устранение остаточной бопроводу вокруг подогревателя циркуляции в системе второй ступени теплообменника горячего волоснабжения при двухступенчатой схеме или части подогревателя при одноступенчатой схеме. Диаметр перемычки рассчитывали по методике [30], при необходимости уменьшая давление в трубопроводе холодной воды и увязывая сопротивление перемычки с сопротивлением теплообменника таким образом, чтобы при максимальном водоразборе часть циркуляционной воды проходила по ней, минуя теплообменник, а при малом водоразборе булыпая часть циркуляционной воды проходила через теплообменник вследствие более значительного сопротивления перемычки.
В рассмотренных схемах применен трубопровод циркуляционной воды Т4. Допускается не предусматривать циркуляцию горячей воды в системах централизованного горячего водоснабжения с регламентированным по времени потреблением горячей воды, если температура ее в местах во-доразбора не снижается в это время ниже нормируемой [31].
Циркуляционный трубопровод предназначен для циркуляции воды в системе горячего водоснабжения, обеспечивающей компенсацию тепло-потерь в трубопроводах. Циркуляционный расход горячей воды рассчитывают по [31] с учетом остывания воды в трубопроводах на 8,5 либо 10 °С в зависимости от гидравлических условий в системе. В высотных зданиях этого перепада температур воды зачастую бывает достаточно для обеспечения циркуляции за счет гравитационного давления. Использование гравитационного давления позволяет отказаться от применения циркуляционных насосов, но с обязательным применением напорных баков аккумуляторов, что рекомендовалось ранее, как энергосберегающее решение [17], основывающееся на отсутствии насоса. В настоящее время такие решения также реализуют [35]. Однако в современных системах горячего водоснабжения применяют иные технические подходы по обеспече-нию энергосбережения при повышении качества данной коммуналь-ной услуги.
Современные системы оснащают терморегуляторами на циркуляционных трубопроводах со встроенной функцией термической дезинфекции при температуре 70 °С. Для этого обеспечивают цикличный температурный и гидравлический режим работы системы. Осуществить его возможно только с насосной циркуляцией воды. Следует также отметить, что указанные ранее перепады температуры воды вследствие ее остывания в трубопроводах в два раза выше, чем в зарубежных системах. Причиной тому является недостаточная теплоизоляция трубопроводов и наличие полотенцесушителей, что приводит к увеличению циркуляционного расхода воды и снижению энергоэффективности системы. Улучшния энергоэффективности системы горячего водоснабжения достигают присоединением полотенцесушителей к системе отопления либо применением электрополотенцесушителей.
Температурный режим теплообменников в отечественной практике проектирования нормирован [3]. При расчете поверхности нагрева водо-водяных подогревателей для систем горячего водоснабжения в подающем трубопроводе теплосети следует принимать температуру в точке излома графика температур воды или минимальную температуру воды, если отсутствует излом графика температур. При расчете поверхности нагрева водоподогревателей горячего водоснабжения температуру нагреваемой воды на выходе из водоподогревателей в систему горячего водоснабжения следует принимать равной 60 °С [3]. Температуру воды в местах водоразбора необходимо обеспечивать [31]:
а) не ниже 60 °С - для систем централизованного горячего тепло
снабжения, присоединяемых к открытым системам теплоснабже
ния;
б) не ниже 50 °С - для систем централизованного горячего теплоснаб
жения, присоединяемых к закрытым системам теплоснабжения;
в) не выше 75 °С - для всех систем, указанных в подпунктах “а” и “б”;
г) не выше 37 °С - для помещений детских дошкольных учреждений.
Для скоростных секционных водо-водяных водоподогревателей следует принимать противоточную схему потоков теплоносителей, при этом греющая вода из теплосети должна поступать в межтрубное пространство. Кроме скоростных водоподогревателей допускается применять водо-подогреватели других типов, имеющие технические и эксплуатационные характеристики не ниже, чем у скоростных, в том числе и пластинчатые [3].