Малозатратное решение по ликвидации перетопов в системах отопления

В.К. Ильин, Заслуженный энергетик России, директор НП «Группа Тепло», г. Москва

Введение

На сегодняшний день в России принята централизованная система теплоснабжения, при которой тепло вырабатывается на ТЭЦ или в котельных, а преобразование его к нужным параметрам для сетей отопления и горячего водоснабжения (ГВС) производится в тепловых пунктах. Максимальная температура в тепловых сетях может достигать 130^150 О С, минимальная не может быть ниже 70-80 О С. Системы отопления в домах допускают максимальную температуру не выше 95 (105) О С, а минимальная температура должна снижаться до 18^20 О С. Для снижения температуры большинство зданий подключается к тепловым сетям через смесительные устройства - элеваторные узлы. К достоинствам элеваторов относится низкая стоимость, абсолютная надежность, отсутствие затрат на эксплуатацию и потребности в электроэнергии. Недостатком элеватора является невозможность оперативного изменения коэффициента смешения, что приводит к осенне-весенним перетопам, когда температура в тепловой сети превышает расчетную для систем отопления на 30 - 40 О С. Для примера в г Москве период перетопа составляет 40% отопительного сезона, и на перетоп уходит 10-15% годового расхода тепла на отопление.

Системы отопления зданий гидравлически очень неустойчивы и требуют постоянного по величине расхода воды. Изменение расхода ведет к гидравлической разрегулировке системы, когда теплоноситель прекращает поступать в отдельные стояки и отопление подключенных к ним квартир просто прекращается. Отсюда следует, что регулировать (сокращать) подачу тепла на отопление зданий в целом можно только изменением температуры теплоносителя, но не расходом.

Регулируемый элеваторный узел

Предлагаемое техническое решение - регулируемый элеваторный узел (рис. 1) - позволяет полностью ликвидировать перетопы, но при этом сохраняет все достоинства элеваторного узла, не вносит возмущений в работу системы отопления и требует минимальных затрат на внедрение и обслуживание.


Основные особенности:

? сокращение расхода тепла на отопление в осенне-весенний период;

? постоянный расход теплоносителя в системе отопления во всех режимах работы;

? безаварийная работа системы отопления при перебоях в подаче электроэнергии или выходе из строя оборудования;

? минимальное потребление электроэнергии в режиме регулирования;

? минимальный набор оборудования;

? график отпуска тепла - любой, включая программное регулирование.

Схема включает в себя существующие на вводе в здание элеватор (Э) и регулятор располагаемого напора перед элеватором (РПД).

Дополнительное оборудование: перемычка, параллельная элеватору; подмешивающий насос (ПН) с частотно-регулируемым электроприводом (ЧРП); обратный клапан (ОК); контроллер, управляющий работой системы; датчики температуры на отопление Т3 и наружного воздуха Тнв.

Работа регулируемого элеваторного узла

При соблюдении температурного графика на вводе в здание подмешивающий насос отключен, и элеватор работает в штатном режиме. Обратный клапан предотвращает перетекание теплоносителя из подающего теплопровода в обратный. При завышении температуры на отопление Т3 относительно графика, включается подмешивающий насос, который постепенно наращивает обороты, выходя в режим подмеса обратной воды G^^ в подающую линию, температура перед элеватором снижается, температура теплоносителя на отопление Т3 приводится в соответствие с отопительным графиком. Одновременно прикрывается регулятор располагаемого напора, сокращая расход воды из теплосети G1. Суммарный расход воды через сопло элеватора G-i и расход воды в системе отопления G3 остаются постоянными.

При пропадании электроэнергии подмешивающий насос отключается, и элеватор работает в штатном режиме. Автоматического регулирования при этом не происходит, но аварийным режим исключается.

Область работы регулируемого элеватора: периоды осенне-весенней срезки отопительного графика (для всех зданий); снижение температуры на отопление в ночное время и выходные дни для административно-общественных зданий. На рис. 2 показан график регулирования для жилых домов и административных зданий, где зона регулирования показана зеленым цветом. Конкретный закон регулирования задается автоматическим регулятором.

При модернизации существующего элеваторного узла система может быть дополнена теплосчетчиком с устройством сбора и передачи данных по каналам связи, позволяющим контролировать и управлять работой системы с диспетчерского пункта.

Стендовые испытания

Критерий нормальной работы регулируемого элеваторного узла - соблюдение постоянного расхода воды в системе отопления G3 при изменении расхода воды, подмешиваемой насосом, от 0 до расчетного с одновременным уменьшением расхода G1 от расчетного до 0. Это соответствует изменению температуры воды перед элеватором от Т1 до Т4 или расходу тепла на систему отопления от расчетного до нулевого.

До установки на объект регулируемый элеватор был испытан на гидравлическом стенде, схема которого показана на рис. 3.

Стенд представляет из себя замкнутое кольцо с сетевым насосом (СН), имитирующим располагаемый напор в тепловой сети. В кольцо врезаны элеватор, регулятор располагаемого напора (РПД), подмешивающий насос (ПН) с регулируемым электроприводом (ЧРП), обратный клапан (ОК). Регулирующий клапан (РК) имитирует сопротивление системы отопления. Стабильный гидравлический режим поддерживается устройством подпитки (УП).

Измерялись и фиксировались следующие параметры.

1. Расход:

? сетевой воды G1 ;

? воды через сопло элеватора G-i;

? воды в системе отопления G3 ;

? воды на подмесе элеватора G4 sm ;

? воды, подмешиваемой насосом G4нас ;

2. Давление:

? сетевое Р1 ;

? перед элеватором Р-[;

? в обратной линии Р2 ;

? после подмешивающего насоса Рн .

? Условия работы: ?P=Р1-Р2=const; G?=G1+G4нас=const; G3=G1?+G4эл=const; G4нас=var; G1=var.

? Располагаемый напор перед элеватором ?Р задавался регулятором РПД. Расход воды, подмешиваемой насосом, задавался изменением частоты вращения насоса.

? Результаты гидравлических испытаний приведены на рис. 4.

? При частоте электрического тока на ЧРП от 0 до 41 Гц напор, развиваемый насосом, ниже располагаемого напора перед элеватором (Рн <Р1) и подмеса воды не происходит. При частоте 41 Гц открывается обратный клапан, насос начинает подмешивать обратную воду в подающую. При подмесе давление перед элеватором Р1 увеличивается, регулятор РПД прикрывается, расходы воды через сопло элеватора G1 и в системе отопления G3 остаются неизменными.

При частоте 44 Гц РПД полностью закрывается и расход G1 падает до 0, в системе циркулирует только обратная вода. При снижении частоты процесс повторяется в обратном порядке.

Таким образом, для данного объекта (стенда) в зоне от 41 до 44 Гц расход сетевой воды G-i изменяется от расчетного до нуля, расход подмешиваемой воды G^ изменяется от нуля до расчетного, расходы воды на подмес элеватора G4 sm и в системе отопления G3 остаются постоянными, т.е. схема полностью соответствует заданным условиям.

Первый опыт

К началу периода весеннего перетопа регулируемый элеватор был установлен на системе отопления 6-этажного здания с расчетной отопительной нагрузкой 0,67 Гкал/ч. В неавтоматизированном режиме были сняты тепловые и гидравлические характеристики системы отопления с элеватором (рис. 5-6).

Как следует из рис. 5, изменяя частоту вращения подмешивающего насоса, мы можем менять температуру перед элеватором от Т1 до Т4. при этом, соответственно заданному коэффициенту смешения, меняется температура в системе отопления Т3 от расчетной Т1 до минимальной Т4. По такому же закону меняется расход тепла на отопление от расчетного (для Т1 =72 О С) и практически до нуля.

Гидравлические характеристики (рис. 6), полученные на объекте, полностью идентичны полученным на стенде (с учетом гидравлического различия стенда и объекта).

В зависимости от частоты вращения насоса, расход сетевой воды G1 уменьшается от расчетного до нулевого, расход подмешиваемой воды G4нас увеличивается от нулевого до G3, располагаемый напор ?Р=Р1?–P2, см. рис. 3) и расход воды в системе отопления G3 остаются постоянными.

В начале апреля 2010 г. система отопления административного здания была переведена в автоматический режим.

Характеристики здания:

? расчетная нагрузка на отопление - 0,67 Гкал/ч;

? расход воды на отопление - 26,5 м 3 /ч;

? расход сетевой воды на отопление - 8,3 м 3 /ч;

? гидравлическое сопротивление - 2 м в.ст.;

? система была подключена через элеватор № 5, диаметр сопла 10,5 мм, расчетный напор перед элеватором - 28,7 м в.ст.

Использованное оборудование:

? моноблочный насос малошумный КМ 40-32- /180а/2-5,7: G=8,8 м 3 /ч, H=40 м в.ст. N=2,2 кВт;

? регулятор перепада давления РА-М: Ку=16 м 3 /ч, ?Рpег =1^4 кгс/см 2 ;

? преобразователь частоты FR^740-080^0 мощностью 3 кВт;

? регулирующий прибор «ЭЛТЕКО».

Задачи испытаний:

1. Проверка работоспособности автоматизированной системы отпуска тепла;

2. Регулирование температуры воды на отопление в период срезки температурного графика Тот=ПТнв);

3. Поддержание стабильного расхода воды в системе отопления во всем диапазоне регулирования.

Условия испытаний: температура наружного воздуха Тнв менялась от -5 до +15 °C; температура сетевой воды Ттс стабильна 70^75 ^.

Автоматизированная система регулирования отработала фактически весь месяц и показала высокую надежность и стабильность работы. При низких ночных температурах система автоматически отключалась, и элеватор работал в штатном режиме, при повышении температуры наружного воздуха система включалась и выходила в режим поддержания температурного графика, при температурах выше +15 ^ подача сетевой воды на здание практически полностью прекращалось.

На рис. 7-8 приведены графики работы системы в период с 18 по 21 апреля 2010 г

Экономическая эффективность

Расчетная экономическая эффективность:

? затраты на оборудование регулируемого элеваторного узла для жилого здания на 200 квартир, расчетная отопительная нагрузка которого 0,5 Гкал/ч, составляют 200 тыс. руб.;

? расчетное сокращение расхода тепла на отопление составляет 10% годового расхода тепловой энергии, что составляет 125 Гкал или 161,38 тыс. руб.; расчетный срок окупаемости составляет 1,5 отопительных сезона (осень, весна, осень);

? для административно-общественных зданий такой же мощности дополнительная экономия за счет снижения расхода тепла в нерабочее время - 15%, что составляет 190 Гкал или 245,1 тыс. руб.; расчетный срок окупаемости составит 0,8 отопительного сезона (осень, половина весны).

Фактическая эффективность для данного здания.

Согласно счетам, выставленным теплоснабжающей организацией, в марте 2010 г. расход тепла на ЦТП составил 210 Гкал, в апреле 2010 г

- 90 Гкал. Ежемесячно 35 Гкал расходуется на нужды ГВС, следовательно, на отопление ушло в марте 2010 г. 175 Гкал, в апреле 2010 г. 55 Гкал. Подающая температура в теплосети в марте 2010 г. была 93,05 О С, в апреле 2010 г. 73,3 О С, расчетный перепад температур на отопление для Т1 =93 О С составляет 13 О С, а для Т1 =73 О С составляет 8 О С, расход теплоносителя в системе отопления не менялся. Следовательно, при отсутствии автоматического регулирования расход тепла в апреле должен был составить: Qапр=(Qмарт/?Tмa рт).?Ta? р=(175/13).8=107,6 Гкал. Фактический расход тепловой энергии на отопление в апреле 2010 г. составил 55 Гкал.

Таким образом, за счет регулирования расхода тепла на отопление сэкономлено 52,6 Гкал, что при тарифе 1291 руб./Гкал составило 67,9 тыс. руб.

Затраты на оборудование автоматизированного элеваторного узла в данном случае составили 100 тыс. руб. следовательно на этом объекте система окупит себя за 2 месяца работы или за один отопительный сезон (весна+осень).

Выводы

1. Проведенные стендовые и натурные испытания автоматизированного элеваторного узла полностью подтвердили работоспособность системы и ее эффективность при регулировании расхода тепла на отопление зданий.

2. Систему отличает высокая надежность оборудования, низкая стоимость комплектующих, минимальные трудозатраты на дооборудование существующего элеваторного узла, быстрая окупаемость.

3. С учетом вышесказанного система может быть рекомендована к массовому внедрению в жилых и административно-общественных зданиях с зависимым присоединением систем отопления как одно из эффективных мероприятий по энергосбережению в ЖКХ.

По материалам сайта: http://www.rosteplo.ru