Устойчивая тенденция роста числа крышных, встроенных, пристраиваемых и отдельно стоящих автономных котельных, обеспечивающих теплоснабжение отдельных зданий (реже группы зданий), тепловой мощностью от 30 кВт до 3,5 МВт, подтверждается на протяжении двух последних лет и может оцениваться для различных регионов значением 20–80% от тепловых мощностей, вводимых в жилищнокоммунальном хозяйстве.

Современная система децентрализованного теплоснабжения представляет сложный комплекс функционально взаимосвязанного оборудования, включающего автономную теплогенерирующую установку и инженерные системы здания (горячее водоснабжение, системы отопления различного назначения и вентиляции). Требования, предъявляемые потребителями теплоты современного здания к параметрам и характеристикам теплоносителя, условиям контроля и управления режимами отпуска теплоты, продолжительности функционирования, ставят целый комплекс теплотехнических задач перед теплогенерирующей установкой, существенно усложняя ее структуру.

Технические решения тепловых схем автономных источников должны учитывать особенности исходных условий: по виду используемого топлива; типу теплогенератора; качеству исходной воды; условиям потребления горячей воды; по конструктивному исполнению систем отопления (центральные, напольные, включая подогрев воды в бассейнах); по режимам работы систем вентиляции и др. Эти технические решения требуют тщательного обоснования выбора теплогидравлической схемы, анализа условий работы, обеспечения надежности функционирования и защиты оборудования от нерасчетных режимов эксплуатации.

Выпущенный Госстроем России Свод правил по проектированию СП 411042000 «Проектирование автономных источников теплоснабжения» в силу объективных факторов охватывает только основные требования к конструктивным решениям и не может содержать исчерпывающего объема рекомендаций для проектирования (в частности, р. 5 «Котлы и вспомогательное оборудование котельных», р. 6 «Водоподготовка и воднохимический режим»).

Целью публикации является дополнение рекомендаций нормативных документов [1–5] детальным рассмотрением перечисленных выше факторов в конкретных технических решениях принципиальных тепловых схем автономных источников теплоснабжения с использованием примеров расчета и комментариев, предоставляющих разработчикам схем теплоснабжения (или их узлов) информацию для обоснования проектных решений.

I. Системы горячего водоснабжения от автономных теплогенераторов
Автономные системы горячего водоснабжения в жилищнокоммунальном секторе имеют длительную историю развития как в малоэтажной застройке, так и в многоэтажных зданиях. Первыми теплогенераторами были водогрейные колонки. но уже в самом начале их использования они имели различную конструкцию в зависимости от вида используемого топлива (дровяные и газовые). Газовые водогрейные колонки – термоблоки – как элемент единой системы теплоснабжения (при централизованном отоплении) в настоящее время широко используются в газифицированных районах городской застройки. Развитие социальной сферы расширяет область применения и увеличивает мощность автономных источников в системах горячего водоснабжения объектов питания, гостиниц, спортивных сооружений, предприятий автосервиса и др.

Разделение автономной системы теплоснабжения на две функциональные структуры – систему горячего водоснабжения и систему отопления зданий – может быть рациональным только при использовании в качестве энергоносителя газообразного (природный и сжиженный газ) или жидкого топлива (в данном обзоре не анализируется электроэнергия), которые позволяют полностью автоматизировать работу теплогенераторов, что при использовании твердого топлива в автономных теплогенераторах представляется весьма дорогостоящим и проблематичным в комплексе технически наиболее сложных и трудоемких циклов топливоподачи и золоудаления с учетом необходимости обслуживания нескольких очагов горения.

Существенное влияние на технические решения и режимы работы автономной системы горячего водоснабжения оказывает тип теплогенераторов, которые можно классифицировать как проточные и емкостные.

I. Проточные теплогенераторы
базовой особенностью проточных автономных теплогенераторов является форсированный гидравлический режим водяного контура с движением теплоносителя со скоростью более 1,5 м/с. Такие гидравлические режимы работы теплогенератора реализуются за счет существенного уменьшения (по сравнению с емкостными теплогенераторами) объема теплоносителя в нем до 0,025–0,035 дм3 на 1 кВт теплопроизводительности. Малые объемы теплоносителя улучшают динамические характеристики теплогенератора, обеспечивая период релаксации по тепловому возмущению 0,5–2 с/°C, и позволяют создать компактные высокоэффективные теплообменники теплогенераторов при использовании со стороны продуктов сгорания развитых поверхностей нагрева с высоким ребром и большой степенью оребрения. В большинстве конструкций проточных теплогенераторов для теплообменников используется медь или нержавеющая сталь.

Проточные теплогенераторы имеют сравнительно высокое гидравлическое сопротивление, однако, их важным эксплуатационным качеством является устойчивость к отложению накипи в поверхностях нагрева, что объясняется явлением «смывания» отложений солей жесткости при значительной скорости потока (для меди – уже при скорости потока от 1 м/с, а при скорости 5 м/с – полное исключение отложений).

В технических решениях схемы гидравлической обвязки проточного теплогенератора важно обеспечить защиту теплообменника от низких температур теплоносителя на входе и, как следствие, возникновение внутренних механических напряжений в элементах конструкции теплообменника, и защитить горелочное устройство от попадания в него образующегося в этом случае конденсата, что наиболее характерно для систем горячего водоснабжения при подаче в холодный период года воды с температурой 5°C. Для исключения таких режимов работы необходимо обеспечить температуру поступающей в теплогенератор воды не ниже 40°C за счет рециркуляции горячей воды (схемы I.1.1б; I.1. , соответствующей обвязки трубопроводами баковнакопителей (схемы I.1.2; I.1. или подбора поверхности теплообменников (схемы I.1.4; I.1.5; I.1. .

Простейшая схема горячего водоснабжения от проточного водонагревателя (схема I.1.1а), тупиковая без циркуляционной линии, используется в малопротяженных квартирных системах, оснащенных теплогенераторами мощностью до 30 кВт, в которых для предварительного подогрева воды перед основным оребренным теплообменником и для защиты атмосферной горелки от конденсата достаточно часто используется экранирование топочной камеры листовой медью с внешним змеевиком большого шага из медной трубы.

В ряде случаев главным фактором при выборе схемы горячего водоснабжения является принцип. возможность регулирования мощности горелочного устройства, а следовательно, и теплогенератора. При позиционном регулировании мощности проточного теплогенератора (Q/Qн=0–1 или Q/Qн=0–0,5– использование схемы горячего водоснабжения без накопительной емкости (схемы I.1.1; I.1. требует установки оборудования, подбираемого по максимальному «пиковому» теплопотреблению в системе, что в совокупности приводит к существенным колебаниям температуры подаваемой воды. Поэтому при использовании теплогенераторов с позиционным регулированием мощности следует отдавать предпочтение схемам I.1.2; I.1.3; I.1.5; I.1.6 с аккумуляцией горячей воды, для которых номинальная мощность теплогенератора подбирается с учетом емкости баканакопителя (емкостного водонагревателя) по величине среднечасовой за сутки нагрузки горячего водоснабжения.

Использование проточных теплогенераторов, оснащенных модулируемыми горелочными устройствами с хорошей глубиной регулирования (Q/Qн=0,2–1, в схемах I.1.1 и I.1.4, обеспечивает стабильные технические и эксплуатационные показатели работы системы горячего водоснабжения без применения накопительных емкостей.

Необходимо отметить, что недопустимо применение в системе горячего водоснабжения оцинкованных стальных труб с теплогенераторами, оснащенными медными теплообменниками.

Качество и долговечность работы проточных теплогенераторов в системе горячего водоснабжения во многом определяются техническим обоснованием решения по надежному обеспечению гидравлического режима и защите теплогенератора.

I. Емкостные теплогенераторы
Особенности работы проточных теплогенераторов должны учитываться и при использовании емкостных теплогенераторов (схемы I.2.1; I.2. в тех случаях, когда объем воды в емкостном теплогенераторе менее 5 дм3 на 1 кВт мощности.

Для емкостных теплогенераторов систем горячего водоснабжения (схемы I.2.1; I.2. и для вторичных контуров схем с независимым подключением проточных теплогенераторов (схемы I.1.4; I.1.5; I.1. необходимо учитывать ряд важных моментов:

предусматривать защиту оборудования от отложений накипи умягчением воды в установках ее химической обработки (наиболее остро необходимость обработки воды становится при ее общей жесткости 4,5 мгэкв/л и более);

обеспечить защиту емкостейаккумуляторов от внутренней коррозии (в большинстве случаев путем антикоррозионной обработки поверхностей емкости и электрохимической защитой, преимущественно с магниевым анодом);

системой управления работой емкостных водонагревателей, баковаккумуляторов обеспечивать периодический (один раз в 5–8 дней) нагрев воды в емкости до 90°C с целью уничтожения бактерий легионелл.

Необходимо также учитывать, что схемы I.2.1, I.2.2 с емкостными теплогенераторми обладают значительной тепловой инерцией в периоды запуска и больших водоразборов и могут приводить к существенным колебаниям температуры воды у потребителя.

При обосновании числа установленных теплогенераторов и их единичной мощности необходимо руководствоваться суточным графиком потребления горячей воды, значениями часовой неравномерности потребления, максимальным и среднечасовым расходами в системе, наличием баковаккумуляторов, типом теплогенераторов (емкостные или проточные) и их параметрическим рядом (по мощности). При применении схем без баков – аккумуляторов горячей воды суммарная мощность устанавливаемых теплогенераторов подбирается по максимальному «пиковому» потреблению горячей воды, при использовании баковаккумуляторов (емкостных нагревателей) все оборудование первичного контура схемы горячего водоснабжения (включая теплогенераторы) подбирается по среднечасовой нагрузке горячего водоснабжения:

где Gi – расход горячей воды за iй час.

Во всех случаях использования двух и более котельных агрегатов для работы в системе горячего водоснабжения (схемы I.1.1–I.1. рек. производить обвязку теплогенераторов по приведенным схемам с индивидуальными для каждого теплогенератора питательными насосами и запорнорегулирующей арматурой.

При каскадном регулировании мощности параллельно включенных теплогенераторов для исключения перетока холодной воды в режимах работы одного теплогенератора рек. устанавливать клапан «отсечки» потока (схема I.1 – А)

Пример расчета
В качестве примера приведены результаты расчета схемы горячего водоснабжения (схема I.1.1б) с непосредственным водоразбором от проточного теплогенератора.

Тепловая мощность установки рассчитывалась по максимальному «пиковому» расходу теплоты на горячее водоснабжение /СП 411042000 п. 3.13 г./, в примере Qmaxгв =540 кВт. К установке принят проточный водогрейный котел R18154 фирмы WolfRendomax с модулируемой горелкой, номинальной теплопроизводительностью Qномк =558 кВт. Расход теплоносителя через котел согласно паспортным данным Gк=47 м3/ч=13,06 кг/с, гидравлическое сопротивление котла DPк=46 кПа.

Тепловая схема рассчитывалась для четырех характерных режимов:

зимний с максимальной нагрузкой Qmaxгв =540 кВт;

зимний со среднечасовой нагрузкой горячего водоснабжения Qгвср=225 кВт;

зимняя с частичной нагрузкой Qгв=0,5 Qгвср=112,5 кВт;

летняя с максимальной нагрузкой Qmaxгв =354 кВт /СП 411042000/.

Среднечасовая нагрузка Qгвср рассчитывалась по рекомендациям /СП 411042000, п. 3.1 г./ исходя из величины максимальной нагрузки Qmaxгв =2,4 Qгвср кВт.

Расход воды в циркуляционном трубопроводе принимали Gц=0,1 Gгвср .

I. Схемы и комментарии: горячее водоснабжение (ГВС) для проточных теплогенераторов (ПТГ)
Схемы и комментарии: горячее водоснабжение (ГВС)
для емкостных теплогенераторов (ЕТГ)
Обозначения:
Qтг; Qто – тепловая мощность теплогенератора, теплообменника;

Gтг – расход через теплогенератор;

Gнп; Gхв – подача питательного насоса; холодного водосн.;

Pнп; Pнхв – напор питательного насоса; холодного водосн.;

Pгс – гидростатический напор в системе ГВС;

DPтг – гидравлическое сопротивление теплогенератора;

DPIк – гидравлическое сопротивление первичного контура;

DPIIк – гидравлическое сопротивление вторичного контура;

DPпк – гидравлическое сопротивление промежуточного контура;

DPто – гидравлическое сопротивление теплообменника;

ТГ – теплогенератор;

ЕН – емкостной нагреватель;

ТО – теплообменник;

РС – расширительный сосуд;

БН – бакаккумулятор;

ГВ – горячая вода;

ХВ – холодная вода;

НП – насос питательный;

НЦ – насос циркуляционный ГВ;

НПК – насос промежуточного контура;

НХВ – насос холодной воды.

Литература
СП 41104200 Проектирование автономных источников теплоснабжения.

СНиП II3576*. Котельные установки.

СНиП 2.04.0185*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

СНиП II3476*. Горячее водоснабжение.

Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см , водогрейных котлов и водонагревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115°C).