Реклама: Р-Климат | ИНН 7706739893 | ERID: 2VtzqvyKdmr

Выбор узлов регулирования для различных потребителей теплоты в системах теплоснабжения

Жданов Антон Сергеевич, ГИП “ИнжТермо” ООО, ассистент кафедры “промышленная энергетика” НовГУ им. Ярослава Мудрого

Аннотация

Данная статья написана в ответ на публикацию [1] и последовавшую за ней публикацию [2] в журнале «АВОК», в которых авторы обсуждают необходимость использования насосов, двух- или трехходовых клапанов в узлах обвязки калориферов приточных установок. Не совсем корректным является то, что авторы не приводят описания принципов действия рассматриваемых ими схем регулирования. А ведь на базе двух- и трехходовых клапанов можно построить большое количество разнообразных узлов, каждый из которых обладает особыми свойствами, преимуществами в одних случаях и недостатками в других. Грамотный выбор можно осуществить при комплексном анализе ситуации, для которой предлагается та или иная схема обвязки. Цель данной статьи – показать многообразие вариантов узлов регулирования различных потребителей теплоты в системах теплоснабжения и определить случаи их рациональной установки.
В конце данной статьи рассмотрены ошибочные, с моей точки зрения, утверждения, встречающиеся в публикациях [1] и [2].

Любая схема системы теплоснабжения представляет собой комплекс установок, различного инженерного оборудования источника теплоты и ее потребителей, находящихся в постоянно изменяющейся тепловой и гидравлической связи и оказывающих взаимное влияние друг на друга. При этом различные системы потребителей в эксплуатационных условиях в значительной мере различаются между собой по параметрам используемого теплоносителя (температура, давление, расход) и пределам их изменения, а также по продолжительности периода их функционирования. В тоже время к параметрам и качеству используемого теплоносителя предъявляет различные требования оборудование, устанавливаемое как на источнике теплоты, так и у ее потребителей.
При выборе узлов регулирования для обвязки систем теплопотребления основная задача заключается в том, чтобы в изменяющихся условиях эксплуатации выполнить требования как источника теплоснабжения, так и систем теплопотребления, а также защитить их от аварийного повышения параметров теплоносителя.
Рассмотрим подробнее требования, предъявляемые к параметрам теплоносителя со стороны генераторов теплоты (табл. 1). Частично этот вопрос затронут автором в статье [2], в табл. 1 список типов источников теплоснабжения несколько расширен.

Таблица 1. Требования к параметрам теплоносителя со стороны источника теплоты

Тип источника теплоты	Возможные требования к параметрам теплоносителя
1. Водогрейные котельные на базе «традиционных» котлов*	1. Требование к минимальной температуре теплоносителя на входе в котельный агрегат. Является условием защиты поверхностей нагрева от образования коррозионно-активного конденсата со стороны дымовых газов. 2. Требования к минимальному расходу теплоносителя, циркулирующего через котел. Является условием защиты теплообменных поверхностей от перегрева. Данные требования не являются обязательными для всех котлов данной категории и зависят от их конструктивного исполнения, типа сжигаемого топлива и других факторов и устанавливаются производителем данного оборудования
2. Водогрейные котельные на базе конденсационных котлов	В отличие от котлов “традиционного” исполнения в данном случае наиболее выгодным является подача теплоносителя в котельный агрегат с возможно меньшей температурой с целью создания необходимых условий для образования конденсата и соответственно повышения КПД использования топлива
3. ТЭЦ	Требование к максимальной температуре теплоносителя, возвращаемого на ТЭЦ. Также как и в случае использования конденсационных котлов, со снижением температуры теплоносителя, возвращаемого на ТЭЦ, КПД станции возрастает

* Под “традиционными” понимаются котлы, не использующие теплоту конденсации водяных паров отходящих дымовых газов.

Характеристики различных систем теплопотребления, тепловых нагрузок сведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристика систем теплопотребления**

Система теплопотребления, тепловая нагрузка	Характеристика
1. Система вентиляции	1. Максимальная температура греющего теплоносителя ограничена техническими характеристиками устанавливаемого оборудования. 2. Основная проблема при выборе узла регулирования – обеспечить защиту калорифера приточной установки от замерзания теплоносителя. В холодный период при подаче наружного воздуха с отрицательной температурой недопустимо снижение расхода или температуры греющего теплоносителя, подаваемого на воздухоподогреватель вентустановки, ниже определенного значения
2. Тепловые завесы	Характер теплопотребления аналогичен системе вентиляции. Однако вероятность замерзания теплоносителя в данном случае несколько ниже, т. к. воздух, подаваемый на тепловую завесу, забирается из помещения, температура в котором, как правило, выше температуры наружного воздуха
3. Система радиаторного отопления	1. Температура греющего теплоносителя зачастую ограничена (согласно [3] для жилых, общественных и административно-бытовых помещений не более 95 °С для двухтрубных систем отопления и не более 105 °С для однотрубных систем отопления). 2. В отличие от системы вентиляции, возможно снижение температуры или расхода вплоть до полного прекращения подачи греющего теплоносителя. В данном случае наружные поверхности отопительных приборов, трубопроводов контактируют с воздухом внутри помещения, а из-за теплоаккумулирующих свойств строительных ограждений “выхолаживание” помещений происходит в течение достаточно длительного промежутка времени. Время, в течение которого допустимо снижение тепловой нагрузки на систему отопления, определяется в каждом случае индивидуально
4. Система напольного отопления	Характер теплопотребления аналогичен системе радиаторного отопления. Отличительной особенностью является ограничение максимальной температуры подаваемого теплоносителя, которая, как правило, не превышает 50 °С.

** Системы горячего водоснабжения в рамках данной статьи не рассмотрены.

Теперь, когда приведены требования к параметрам теплоносителя со стороны источников теплоты и основные характеристики систем теплопотребления, можно рассмотреть разнообразные схемы узлов регулирования (рис. 1), а определив принцип их действия и степень влияния на систему теплоснабжения в целом, сформулировать рекомендации по их применению в различных случаях (табл. 3).

Рис. 1. Принципиальные схемы узлов регулирования систем теплопотребления
1 – система теплопотребления; 2 – циркуляционный насос; 3 – трехходовой клапан; 4 – двуходовой клапан; 5 – обратный клапан; 6 – балансировочный клапан

Таблица 3. Узлы регулирования систем теплопотребления

Схема узла регулирования	Принцип действия, рекомендации по применению
Рис. 1а, б	При полностью открытом трехходовом клапане весь теплоноситель из тепловой сети поступает потребителю (Gист = Gпот, Т1 = Т3). При изменении положения регулирующего клапана происходит подмешивание части теплоносителя из обратного трубопровода в подающий, при этом температура сетевой воды, подаваемой потребителю, уменьшается (Т3 < Т1), расход теплоносителя через теплообменный аппарат не изменяется (Gпот = const), а расход из тепловой сети (Gист) снижается вплоть до нуля при полностью закрытом трехходовом клапане. Та как при работающей системе давление в подающем трубопроводе больше, чем в обратном, на величину гидравлического сопротивления теплообменного аппарата, арматуры, подводящих трубопроводов, то подмешивание теплоносителя возможно только при наличии циркуляционного насоса. За счет обеспечения постоянного расхода (Gпот) через теплообменный аппарат насос выполняет также функцию “активной” защиты от замерзания воды. Данный узел широко применяется при обвязке калориферов вентустановок, т. к. обладает наиболее эффективными средствами защиты от замораживания Отличие схем (a) и (б) заключается только в принципе действия трехходовой клапана, в первом варианте он работает на смешение, во втором – на разделение потоков. Выбор зависит от конструктивного исполнения данного клапана.
Рис. 1в, г	Если расчетный расход теплоносителя в контуре потребителя (Gпот) всегда превышает расход в контуре источника (Gист) (рис. 1в), возможна установка байпаса для разгрузки трехходового клапана. При использовании данной схемы регулирующий клапан рассчитывается на меньший расход Gист. Подобный вариант широко используют при обвязке системы напольного отопления. В случае, если недопустимо снижение расхода до нуля в контуре источника теплоснабжения (Gист), возможна установка байпаса (рис. 1г) для перепуска воды из подачи в обратку при полностью закрытом регулирующем клапане. Данный узел повышает температуру возвращаемого теплоносителя (Т2).
Рис. 1д	Принцип действия аналогичен схеме «a». Узел обеспечивает постоянный расход теплоносителя через теплообменный аппарат (Gпот = const) при качественном регулировании его температуры, расход сетевой воды в контуре источника (Gист) изменяется. Отличительная особенность – нет возможности перекрыть направление потока теплоносителя по перемычке (Т3 < Т1 при любом положении двухходового клапана). Схема применяется при необходимости снижения температуры теплоносителя, поступающего из тепловой сети (Т1) в систему теплопотребления (Т3), во всех режимах ее работы. В качестве средств защиты от замораживания данная схема имеет явный недостаток по сравнению с узлом «а», т. к. смешение потоков приводит к снижению температуры теплоносителя, подаваемого на калорифер установки (Т3 всегда меньше Т1)
Рис. 1е	Узел обеспечивает регулирование тепловой нагрузки при переменном расходе теплоносителя (Gист) как в контуре источника, так и в теплообменном аппарате потребителя. Схема часто используется в обвязке теплообменника при независимом подключении системы отопления
Рис. 1ж, з	В отличие от схем «а» и «б» узлы работают не на смешение потоков теплоносителей, а на разделение, при этом изменяется расход теплоносителя в системе теплопотребления (Gпот) при неизменном расходе в контуре источника (Gист = const). Данный узел повышает температуру возвращаемого теплоносителя (Т2). Применяется при необходимости сохранения постоянного расхода на источнике теплоты. Отличие схем «ж» и «з» заключается только в принципе действия трехходового клапана, работа на смешение или разделение

Из данных табл. 3 видно, что узел регулирования в обвязке системы теплопотребления одновременно оказывает влияние и на источник теплоты. Обеспечить требуемые параметры (температура, расход) теплоносителя одновременно и для потребителей, и для генератора теплоты только выбором схемы обвязки первых не всегда возможно. Например, схемы «а», «б» отлично решают задачу по защите от замораживания калориферов приточных установок, однако при регулировании снижают расход воды в тепловых сетях (Gист), что недопустимо для некоторых типов котлов, предъявляющих требования к минимальному расходу теплоносителя. Не всегда удается контролировать температуру возвращаемого теплоносителя (Т2), что принципиально для многих типов теплогенераторов. В таких случаях проблема решается применением различных схем обвязки самих котельных агрегатов (использование гидравлических разделителей, подмешивающих насосов и др.).
В заключение следует отметить, что список узлов регулирования на рис. 1 и рекомендаций в табл. 3 не является полным. Существует большое количество многообразных схем, каждая из которых является наиболее эффективной в определенных случаях. Грамотное же решение всегда остается за проектировщиком и возможно только при комплексном всестороннем анализе ситуации.

Анализ ошибочных, с моей точки зрения, утверждений, встречающихся в публикациях [1] и [2]

Цитата из публикаций [1], [2]	Возражение
“В обвязке калориферов регулирующие клапаны должны быть только двухходовые”	Схема с использованием двухходового клапана для обвязки калорифера приточной установки (рис. 1e) является менее эффективной с точки зрения защиты от замораживания. Данная схема может снижать расход, а следовательно, и скорость движения теплоносителя через трубки воздухоподогревателя вплоть до нуля при прекращении подачи теплоносителя от источника теплоснабжения. При остановке теплоносителя время его замерзания очень незначительно для принятия каких-либо действий с целью предотвращения аварийной ситуации. Схема «а» с трехходовым клапаном всегда обеспечивает через калорифер постоянный расход теплоносителя. С помощью насоса циркуляция сохраняется даже при прекращении подачи воды из тепловой сети
“Насос в обвязке калорифера ни на подающем трубопроводе, ни на обратном устанавливаться не должен и тем более не должен постоянно работать” (цитата относится к схеме на рис. 1б)	При использовании схем типа «а», «б», «д» насос необходим как минимум для обеспечения подмешивания теплоносителя из обратного трубопровода в подающий
“Если работает насос, к горячей воде из теплового пункта подмешивается охлажденная вода из обратного трубопровода. Следовательно, в калорифер поступает теплоноситель с температурой значительно ниже, чем 130 °С (около 100 °С). В этом случае, чтобы поддерживать температуру приточного воздуха 20 °С, потребуется калорифер с большей поверхностью теплоотдачи…”	При использовании схем типа «а», «б» калорифер с большей поверхностью теплоотдачи не потребуется, т. к. его подбор выполняется для условий при полностью открытом трехходовом клапане (перемычка закрыта). При эксплуатации подмешивание осуществляется только в том случае, если температура приточного воздуха выше заданного значения
“Угроза замораживания при работающей приточной вентсистеме может наступить лишь в том случае, когда одновременно и низкая температура воздуха перед калорифером, и низкая температура обратного теплоносителя”	Система автоматики, как правило, выводит вентустановку в аварию, если любая из температур (воздух, обратный теплоноситель) превышает установку. На примере можно показать, почему возможно замерзание воды в трубках калорифера даже при высокой температуре обратной воды. Калорифер представляет собой совокупность параллельно соединенных оребренных трубок, внутри которых движется теплоноситель. Если одна из этих трубок забивается, то локально в ней уменьшается скорость движения теплоносителя, температура воды в ней снижается и может достигнуть критического значения (вплоть до замерзания). Однако общая температура теплоносителя при смешении от всех трубок в выходном коллекторе теплообменника сохраняется высокой. В данном случае на угрозу замерзания может среагировать только воздушный термостат, “локально отследив по температуре воздуха переохлаждение воды”
“…при применении трехходовых клапанов повышается температура обратной воды…”	В данном случае непонятно, о каких узлах регулирования идет речь. Узлы на базе трехходовых клапанов «а», «б», «в» не повышают температуру обратной воды, схемы «г», «ж», «з» повышают температуру обратной воды
“Однако это не имеет принципиального значения при теплоснабжении от современных автоматизированных индивидуальных котельных, для которых более важны стабильные гидравлические режимы, которые обеспечивают трехходовые клапаны, так же как и в системах холодоснабжения”	Если под стабильными гидравлическими режимами подразумевается условие постоянства расхода, то опять непонятно, о каких узлах идет речь. Узлы на базе трехходовых клапанов типа «а», «б» изменят расход в контуре источника теплоты, схемы «ж», «з» сохраняют постоянным расход в контуре источника. Не все типы водогрейных котлов предъявляют требования по минимальному расходу теплоносителя. Современные конструкции жаротрубных котлов позволяют избежать данных проблем

Литература
1. Степанов И. Д. Автоматизация инженерных систем. Комплектные приточные вентиляционные системы // АВОК. 2009. № 2.
2. Комментарий М. Г. Тарабанова к статье [1] // АВОК. 2009. № 2.
3. СНиП 41-01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
4. Махов Л. М. Использование гидравлического разделителя при децентрализованном теплоснабжении // АВОК. 2000. № 4.
5. СНиП 41-02–2003. Тепловые сети.
6. СП 41-101–95. Проектирование тепловых пунктов.
7. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. М., 1999.
8. Тепло- и холодоснабжение отопительно-вентиляционных установок: пособие Danfoss. http://www.danfoss.spb.ru/selectionguide.html
9. Применение средств автоматизации Danfoss в тепловых пунктах систем централизованного теплоснабжения: пособие Danfoss. http://www.danfoss.spb.ru/selectionguide.html