Блог об энергетике

Системы теплоснабжения

В этой статье я расскажу о том, какими бывают системы теплоснабжения.

Википедия дает следующее определение термина «теплоснабжение»:

Теплоснабжение — система обеспечения теплом зданий и сооружений, предназначенного для обеспечения теплового комфорта для находящихся в них людей или для возможности выполнения технологических норм.

Любая система теплоснабжения состоит из трех основных элементов:

1. Теплоисточник. Это может быть ТЭЦ или котельная (при централизованной системе теплоснабжения), либо просто котел, расположенный в отдельном здании (местная система).
2. Система транспортировки тепловой энергии (тепловые сети).
3. Потребители тепла (радиаторы отопления (батареи) и калориферы).

Классификация

Системы теплоснабжения подразделяются на:

• Централизованные
• Местные (их еще называют децентрализованными).

Они могут быть водяными и паровыми. Последние используются в наши дни не часто.

Местные системы теплоснабжения

Здесь все просто. В местных системах источник тепловой энергии и ее потребитель находятся в одном здании или очень близко друг к другу. Например, в отдельном доме установлен котел. Нагретая в этом котле вода в последствии используется для удовлетворения нужд дома в отоплении и горячей воде.

Централизованные системы теплоснабжения

В централизованной системе теплоснабжения источником тепла служит ТЭЦ или котельная, которая вырабатывает тепло для группы потребителей: квартал, район города или даже весь город.

При такой системе тепло транспортируется к потребителям по магистральным тепловым сетям. От магистральных сетей теплоноситель подается в центральные тепловые пункты (ЦТП) или индивидуальные тепловые пункты (ИТП). От ЦТП тепло уже по квартальным сетям поступает в здания и сооружения потребителей.

По способу подключения системы отопления системы теплоснабжения подразделяются на:

• Зависимые системы — теплоноситель от источника тепловой энергии (ТЭЦ, котельная) поступает непосредственно к потребителю. При такой системе в схеме не предусмотрено наличие центральных или индивидуальных тепловых пунктов. Выражаясь простым языком, вода из тепловых сетей поступает напрямую в батареи.

• Независимые системы — в этой системе присутствуют ЦТП и ИТП. Теплоноситель, циркулирующий по тепловым сетям, нагревает воду в теплообменнике (1й контур — красные и зеленые линии). Нагретая в теплообменнике вода циркулирует уже в системе отопления потребителей (2 контур — оранжевые и синие линии).

С помощью подпиточных насосов восполняются потери воды через неплотности и повреждения в системе и поддерживается давление в обратном трубопроводе.

По способу присоединения системы горячего водоснабжения системы теплоснабжения подразделяются на:

Потребление тепловой энергии

Системы теплоснабжения потребляют колоссальные объёмы энергии и при этом происходят не менее колоссальные потери тепла и энергии. Давайте рассмотрим, что из себя представляет система теплоснабжения, где происходят наибольшие потери тепловой энергии.

1. Какие преимущества у открытого типа подачи теплоносителя?
2. Какие основные источники возникновения непроизводительных потерь тепловой энергии на объектах?
3. Для чего необходимо проводить тепловой аудит?

Системы теплоснабжения

Теплоснабжение – система подачи тепла в здания, для поддержания комфортных температур в помещениях в холодное время года. Система теплоснабжения состоит из следующих составляющих: предприятие, вырабатывающее тепло (котельная, электростанция); трубопроводы для транспортировки тепловой энергии (теплосети); потребители тепла (радиаторы, установленные в помещениях).

Классифицировать системы снабжения теплом можно:

• по источнику приготовления тепла (централизованные, децентрализованные);
• по способу подключения к системе теплоснабжения (зависимые, независимые);
• по способу подачи воды на горячее водоснабжение ГВС (открытые, закрытые);
• по режиму потребления (сезонные, круглогодичные);
• по числу трубопроводов (однотрубные, многотрубные);
• по способу обеспечения потребителей тепловой энергией (одноступенчатые, многоступенчатые);
• по способу регулирования отпуска тепла (централизованное качественное, местное количественное).

Централизованные и децентрализованные виды теплоснабжения:

В централизованных системах один источник тепловой энергии снабжает несколько зданий. В децентрализованной системе каждое здание или группа домов, отдельные помещения вырабатывают тепло самостоятельно. Классификация децентрализованных типов теплоснабжения, подразделяет их на индивидуальные, когда каждая квартира отапливается самостоятельно, и местные, где источник тепла обогревает весь многоквартирный дом.

Зависимые и независимые системы снабжения теплом:

Как правило, во всех теплопотребляющих установках, используемых для нужд вентиляции и кондиционирования, кроме систем отопления и ГВС используется вторичный теплоноситель, проходящий через второй контур теплообменника, то есть эти теплопотребляющие установки всегда работают по независимой схеме подключения к тепловой сети. Поэтому правильнее было бы говорить, как это принято в теплоснабжении, не об открытой (закрытой), зависимой (независимой) системе теплоснабжения, а об открытой (закрытой) системе ГВС и зависимой (независимой) системе отопления. Кстати, в новых правилах речь идёт как раз о таких системах – это видно из размещения точек измерений при учёте количества тепловой энергии и теплоносителя.

Закрытые и открытые системы теплоснабжения

Плюсы закрытой схемы:

• для горячего водоснабжения подключается чистая водопроводная вода, в отличие от открытой схемы, соответствующая всем санитарно-гигиеническим нормам без примесей и неприятных запахов;

• нет необходимости устанавливать на теплоснабжающих предприятиях дополнительные насосы и приборы автоматического контроля параметров, так как давление в тепловой сети постоянное и не зависит от расхода горячей воды;
• на котельных и других источниках теплоснабжения не нужно устанавливать дополнительные установки водоподготовки, потому что циркулирующая жидкость, уже обессоленна и содержит минимальное количество примесей;
• энергосберегающий эффект достигается за счёт регулировки нужной температуры подачи тепла на тепловых пунктах, выполняемой в автоматическом режиме.

Недостатки закрытой схемы:

• для устройства пунктов обмена энергией, где регулируется температура нагрева водопроводной воды, необходимы дорогое оборудование и автоматика;
• высокие температуры теплоносителей в магистральных теплотрассах приводят к высоким потерям тепла. Этот недостаток теперь потерял свою актуальность из-за применения технологии теплоизоляции труб пенополиуретаном, которая обеспечивает прочность изоляционного покрытия и эффективную защиту от тепловых потерь.

Для удешевления закрытой системы теплоснабжения на несколько домов или микрорайон устанавливают центральный тепловой пункт (ЦТП). ЦТП представляет собой помещение с теплообменниками, насосами и автоматическими устройствами для регулировки подачи воды. К ЦТП подводятся трубопроводы водоснабжения и тепловые сети.

Водопроводная вода проходит через теплообменники, и, нагреваясь, подаётся в круговую систему горячего водоснабжения, где циркулирует по контуру и по мере необходимости расходуется потребителями.

ВАЖНО! Использование ЦТП позволяет экономить расходы на строительство тепловых пунктов.

Укрупнение теплообменной установки на несколько кварталов или микрорайон уменьшает затраты на покупку и монтаж оборудования и автоматики по сравнению с установкой теплового пункта в каждом доме.

Из определения открытой системы следует, что в данной системе масса теплоносителя непостоянна и теплоноситель может расходоваться как на нужды ГВС, так и на другие технологические нужды. Однако непонятно, что это за другие нужды. Если система теплоснабжения работает в штатном режиме, то теплоноситель расходуется только на нужды ГВС, а если система работает в нештатном режиме (несанкционированный водоразбор, утечки теплоносителя через неплотности в запорно-регулирующей арматуре и трубопроводах), то в этом случае, кроме производительных потерь теплоносителя на нужды ГВС, возникают и непроизводительные потери теплоносителя на несанкционированные утечки.

Поэтому лучше было бы говорить о производительных (на нужды ГВС) потерях и непроизводительных (утечки) потерях.

Преимущества открытого типа подачи теплоносителя:

• минимум оборудования, так как не требуется применение теплообменников;
• из-за того, что температура воды ниже, потери при транспортировке по теплотрассам на большие расстояния меньше, чем в закрытой системе.

Недостатки открытой схемы:

• Грязная вода. Из-за большой протяжённости теплотрассы, поступающая в трубопроводы горячего водоснабжения жидкость, содержит большое количество грязи, ржавчины, которые она собирает по пути от котельной до потребителя. Из-за большой протяжённости трубопроводов теплоснабжения вода в кране может иметь неприятный запах и цвет и не соответствовать санитарным нормам. Установка же водоподготовительных устройств в каждом доме потребует существенных денежных затрат.
• Высокая потребность в горячей воде в часы пик приводит к ощутимому падению давления в трубопроводах. Из-за чего вынуждает ресурсоснабжающие предприятия устанавливать дополнительные подкачивающие насосы и автоматику для контроля величины давления в системе. Иначе падение давления приведёт к меньшему количеству теплоносителя, проходящему через теплообогреватели в квартирах, и как следствие, снижению температуры воздуха в помещениях. Высокие потери жидкости из тепловой системы вынуждают ставить на котельных, ТЭЦ и других производящих энергию предприятиях массивные установки для водоподготовки, которые очищают от солей и других примесей речную воду.

Сезонные и круглогодичные тепловые нагрузки

Сезонные

Величина и характер изменения сезонной нагрузки зависят главным образом от климатических условий: температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности воздуха и др. Основное влияние на величину тепловой нагрузки оказывает наружная температура. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки.

Расчёт тепловых нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение теплопотребителей, присоединенных к источникам (ТЭЦ, котельная), предшествует тепловому расчёту источников систем теплоснабжения и гидравлическому расчёту тепловых сетей. Точность расчёта тепловых нагрузок будет определять достоверность результатов расчёта системы теплоснабжения в целом.

Круглогодичные

В промышленности технологические аппараты нередко потребляют тепло в больших количествах и весьма разнообразно во времени. Это, например, различные сушильные и выпарные установки, пропарочные камеры, варочные котлы, гальванические ванны, ректификационные аппараты и др. Такое оборудование потребляет тепловую энергию круглый год, а величина и характер тепловой нагрузки зависит от технологических циклов предприятия.

Однотрубные, многотрубные системы теплоснабжения

Однотрубные системы теплоснабжения. Теплоноситель полностью используется потребителем и не должен возвращаться в районную котельную или ТЭЦ (пример –централизованное снабжение горячей водой на бытовые цели).

Двухтрубные системы теплоснабжения. Системы, состоящие из двух теплопроводов (подающего и обратного), являются самыми распространенными. Пригодны для теплоснабжения однородных потребителей, то есть потребителей с отоплением и вентиляцией, работающих на одинаковых режимах.

Трёхтрубные системы теплоснабжения. В них двухтрубная система теплоснабжения на нужды отопления и вентиляции соединена с однотрубной системой горячего водоснабжения. Либо состоят из двух подающих труб на отопление и горячее водоснабжение и общей обратной.

Четырёхтрубные системы теплоснабжения. Система горячего водоснабжения имеет два теплопровода, второй применяется как вспомогательный для создания циркуляции с целью устранения остывания воды при малом водоразборе плюс два теплопровода на отопление и вентиляцию.

Эффективность работы систем теплоснабжения

Для оценки эффективности работы системы теплоснабжения, используется обобщенный физический показатель, – коэффициент полезного действия (КПД). Физический смысл КПД – отношение величины полученной полезной работы (энергии) к затраченной. Последняя, в свою очередь, представляет собой сумму полученной полезной работы (энергии) и потерь, возникающих в системных процессах. Таким образом, увеличения КПД системы, а значит и повышения её экономичности, можно достигнуть только снижением величины непроизводительных потерь, возникающих в процессе работы.

Основной же проблемой, возникающей при решении этой задачи, является выявление наиболее крупных составляющих этих потерь и выбор оптимального технологического решения, позволяющего значительно снизить их влияние на величину КПД. Всякий раз, когда речь заходит о повышении экономичности работы теплоэнергетического оборудования (например, системы отопления), перед принятием решения в пользу использования какого-нибудь технологического новшества, необходимо обязательно провести детальное обследование самой системы и выявить наиболее существенные источники потерь энергии. Разумным решением будет использование только таких технологий, которые существенно снизят наиболее крупные непроизводительные составляющие потерь энергии в системе и при минимальных затратах значительно повысят эффективность её работы.

Рассмотрим наиболее характерные проблемы существующих тепловых объектов, наиболее существенные источники непроизводительных потерь в них тепловой энергии.

Источники потерь в системах теплоснабжения

Как говорилось выше, любую теплоэнергетическую систему с целью анализа можно условно разбить на 3-х основных участка. Каждый из приведённых участков обладает характерными непроизводительными потерями, снижение которых и является основной функцией энергосбережения. Рассмотрим каждый участок в отдельности.

Участок производства тепловой энергии (котельная)

На участке производства тепловой энергии при нормальной работе котлоагрегата всегда существуют три вида основных потерь: с недожогом топлива и уходящими газами (обычно не более 18 %), потери энергии из-за обмуровки котла (не более 4 %); потери с продувкой и на собственные нужды котельной (около 3 %). Эти цифры тепловых потерь приблизительно близки для нормального ненового отечественного котла (с КПД около 75 %). Более совершенные современные котлоагрегаты имеют реальный КПД около 80–85 % и эти стандартные потери у них ниже.

Участок транспортировки тепловой энергии потребителю (трубопроводы тепловых сетей)

Обычно тепловая энергия, переданная в котельной теплоносителю, поступает в теплотрассу и следует на объекты потребителей. Величина КПД данного участка обычно определяется следующим:

• КПД сетевых насосов, обеспечивающих движение теплоносителя по теплотрассе;
• потерями тепловой энергии по длине теплотрасс, связанными со способом укладки и изоляции трубопроводов;
• потерями тепловой энергии, связанными с правильностью распределения тепла между объектами-потребителями, т. н. гидравлической настроенностью теплотрассы;
• периодически возникающими во время аварийных и нештатных ситуаций утечками теплоносителя.

Обычно потери тепловой энергии в теплотрассах не должны превышать 5–7 %. Но фактически они могут достигать величины в 25 % и выше!

Участок потребления тепловой энергии (отапливаемый объект)

Наиболее существенными составляющими тепловых потерь в теплоэнергетических системах являются потери на объектах-потребителях. Наличие таковых может быть определено только после появления в теплопункте здания приборов учёта тепловой энергии, т. н. теплосчётчика. Установив приборы учёта тепловой энергии на объекте можно понять общую картину потребления тепла, проанализировать сложившуюся ситуацию и выбрать наиболее эффективный способ использования тепловой энергии. Основные источники возникновения непроизводительных потерь тепловой энергии на объектах:

• связанные с неравномерным распределением тепла в системах отопления по объекту и нерациональностью внутренней тепловой схемы объекта (5–15 %);
• связанные с несоответствием характера отопления текущим погодным условиям (15–20 %);
• из-за отсутствия рециркуляции горячей воды в системах ГВС теряется до 25 % тепловой энергии;
• из-за отсутствия или неработоспособности регуляторов горячей воды на бойлерах в системах ГВС (до 15 % нагрузки ГВС);
• в трубчатых (скоростных) бойлерах по причине наличия внутренних утечек, загрязнения поверхностей теплообмена и трудности регулирования (до10–15 % нагрузки ГВС).

При эксплуатации систем теплоснабжения технической службе предприятия необходимо продумать алгоритм действий, который максимально снизит потери тепловой энергии в зоне эксплуатационной ответственности. Для этих целей разрабатывают «План мероприятий по снижению потребления энергоресурсов и внедрения эффективных энергосберегающих мероприятий».

Подпитка и утечки теплоносителя

Подпитка – теплоноситель, дополнительно подаваемый в систему теплоснабжения для восполнения его технологического расхода и потери при передаче тепловой энергии.

Утечки теплоносителя – потеря воды через неплотности технологического оборудования и теплопотребляющих установок.

Как и любая другая инженерная сеть, система отопления требует постоянного обслуживания и проверок. В противном случае нормально функционировать она не будет. К примеру, в систему отопления периодически нужно подливать воду. Общие потери жидкости способны оказывать значительное отрицательное воздействие на показатели работоспособности отопительной системы.

Рабочий объём теплоносителя в отопительной сети может уменьшиться из-за ряда причин:

• В результате утечек, вода может вытекать из контура в местах стыка труб при их разгерметизации.
• При критическом повышении давления в системе и срабатывании аварийного клапана. В этом случае часть теплоносителя просто-напросто сбрасывается из труб.
• В открытых системах — из-за испарения из расширительного бачка. Такие элементы системы отопления в наше время делают не полностью открытыми.

Их конструкция просто предусматривает контакт с атмосферой. Но все равно в бачках этого типа испарение воды обычно происходит достаточно интенсивно.

• Из-за срабатывания воздухоотодчиков. При удалении скопившихся пузырей воздуха из контура, например, через краны Маевского, наружу также выходит часть теплоносителя (в виде пара).
• Через фильтры грубой очистки. Такие приспособления требуют периодической промывки. Во время этой процедуры может теряться и некоторая часть теплоносителя из контура.
• Во время проведения аварийного или планового ремонта.

Утечка в системе отопления

Аварийные ситуации в коммуникациях частного дома случаются нередко. Даже самое качественное оборудование и новые трубы выходят из строя под действием различных факторов. Утечка в системе отопления — явление неприятное, но решаемое, главное вовремя обнаружить проблему и принять необходимые меры.

Причины утечки

Важно не только обнаружить протечку теплоносителя в системе отопления, но и понять по каким причинам она возникла. Ситуации, по которым манометр может показывать низкое давление

• нарушение герметичности соединений в результате коррозии труб, износа прокладок или ослабления резьбовых соединений;
• термическое расширение и сужение фитингов. Когда теплоноситель достигает определённой температуры, металлические части расширяются, но стоит воде остыть, как металл фитингов сужается и начинает пропускать жидкость;
• смена теплоносителя в трубах. Если сначала использовалась вода, а потом решили влить в систему антифриз, уплотнители могут расшириться, затем подсохнуть;
• избыточное давление в системе отопления из-за слишком маленького расширительного бака. Это может привести к трещинам в трубах.

Кроме этого утечка возникает в результате неправильного монтажа или эксплуатации. Особенно это касается металлопластиковых магистралей, которые чувствительней к любым нарушениям технологии монтажа.

Какие участки и элементы могут протекать?

Наиболее распространена утечка в металлических трубах. Элементы, которые могут подвергаться разрушению:

• места соединений труб, переходников и швов;
• цельная труба;
• радиатор;
• под контргайкой;
• в контуре теплого пола;
• место между секциями батарей.

Чаще всего нарушению целостности подвержены дешёвые полимерные трубы. Они ломаются, текут, вздуваются. Также подвержены утечкам металлопластиковые трубы, если они были неправильно подобранны. Есть специальные изделия для системы отопления. Если же в неё устанавливаются трубы для холодной воды, то под действием высоких температур они деформируются и прорываются.

Диагностика утечки

Каждая система отопления должна быть оснащена манометрами, которые и укажут на утечку. Если давление в системе снижается, показатели на приборах также будут отклоняться в меньшую сторону. Рекомендуется устанавливать манометры на каждый контур и прослеживать наличие разгерметизации на каждом из них.

Диагностировать утечку под землей или в отделке могут только специалисты с применением специальных приборов.

• Влагомеры определяют подтекающую трубу в стенах или в теплых полах. Не используются для проверки подземных коммуникаций.
• Тепловизоры помогают найти утечку, если трубы спрятаны неглубоко и теплоноситель высокой температуры. В случае холодной воды и зарытых на глубине коммуникаций, работать тепловизор не сможет.
• Акустические приборы определяют протечку благодаря улавливанию звуков.

Утечка в системе отопления

Утечку в системе отопления можно найти при помощи тепловизора.

Признаки критической нехватки теплоносителя

Даже, если схема отопления спланирована и смонтирована правильно, иногда не удается избежать потери теплоносителя. Уменьшение объёма воды можно зафиксировать визуально, но бывают случаи, когда потери незаметны для глаз.

Далеко не все отслеживают техническое состояние водяного отопления, работает – и ладно. Когда образуется скрытая протечка, система продолжает функционировать некоторое время, пока количество теплоносителя не снизится до критического уровня. Этот момент отслеживается по следующим признакам:

1. В открытой системе сначала опорожняется расширительная емкость, затем наполняется воздухом основной стояк, поднимающийся от котла. Результат: холодные батареи при перегреве подающего трубопровода, включение максимальной скорости циркуляционного насоса не помогает.
2. Недостаток воды при самотёчной разводке проявляется аналогичным образом, вдобавок слышно бульканье воды в стояке.
3. На газовом топливе (открытая схема) наблюдаются частые запуски / включения горелки — тактование, ТТ-котел перегревается и кипит.
4. Нехватка теплоносителя в закрытой (напорной) схеме отражается на манометре – давление постепенно снижается. Настенные модели газовых котлов автоматически останавливаются при падении ниже порога 0.8 Бар.
5. Напольные энергонезависимые агрегаты и твёрдотопливные котлы продолжают исправно греть остатки воды в закрытой системе, пока освобожденный теплоносителем объём не заполнится воздухом. Циркуляция остановится, возникнет перегрев, сработает предохранительный клапан.

Режимы подпитки теплового носителя отопительной системы

Самой главной задачей подпитки является возможность дополнения недостающей части теплового носителя в отопительную систему, что позволит нормализовать показатели рабочего давления.

Рассмотрим два варианта восполнения объёма утраченного теплового носителя:

• Ручное управление наиболее удобно при обслуживании небольшой отопительной системы, в которой есть возможность самостоятельно осуществлять контроль уровня давления строго в соответствии с показателями манометра. В этом случае поступление теплового носителя происходит посредством самотёка или при помощи подпиточного насосного оборудования.
• Автоматический режим подпитки самостоятельно включается при падении уровня давления внутри системы ниже установленных пределов. В этом случае происходит срабатывание клапана на подпитку системы отопления и открытие проточного отверстия с принудительным поступлением теплового носителя. Клапан закрывается после выравнивания показателей давления, а также производится стандартное выключение насосного оборудования.

Минусы ручной подпитки:

• Объём жидкости в трубах требует постоянного контроля. Придётся постоянно заглядывать в расширитель открытой системы и следить манометром, если бак закрытый.
• Количество воды для подпитки также требует регулировки.

При открытых системах лучше добавлять воду сразу в расширительный бак. Это упростит уход, так как не придется постоянно взбираться на чердак для контроля. Этого можно достичь путём приваривания к баку 3 вспомогательных труб.

Минусы автоматической подпитки:

Несмотря на удобство второго варианта, очень важно помнить, что автоматический режим подпитки предполагает обязательное включение в систему дополнительного элемента, нуждающегося в электрическом снабжении. При частых перебоях с электроснабжением целесообразно продублировать автоматическое управление рычагом ручной подпитки.

Источник: «Журнал главного инженера», 2019, №12

Источник https://energoworld.ru/blog/sistemy-teplosnabzheniya/

Источник http://gl-engineer.com/articles/potreblenie-teplovoy-energii

Источник

Источник