Современный метод реализации энергоресурсосберегающих схем в задачах горячего водоснабжения (ГВС) на предприятиях и коммерческих объектах — вопрос актуальный. Потребителям горячей воды известна реальная цена потребляемой энергии, они уже умеют ценить и экономить энергию, однако зачастую ограничены уже выданными лимитами на энергоноситель и вынуждены оставаться в заданных рамках.
Как раз для этих потребителей горячей воды (для технологии или собственных нужд персонала предприятия) важно знать, какими установленными мощностями можно реализовать свои потребности в горячем водоснабжении. Хватит ли уже отпущенных тепловых мощностей? И если нет, каким образом получить дополнительные лимиты, можно ли использовать другой источник энергии? Для разрешения этих вопросов предлагается применение правильно выбранного типа децентрализованно установленных коммерческих водонагревателей, т.е. приближенных к месту потребления горячей воды.
Это очень простой энергосберегающий подход, позволяющий сократить потери, связанные с передачей горячей воды по очень длинным магистралям. Приблизить производство горячей воды к потребителю — условие не всегда выполнимое, но, тем не менее, если возможно, это надо делать по вышеуказанным экономическим причинам. Использование коммерческих водонагревателей будет результативным также в случае, когда существующий тепловой узел ГВС (ТУ ГВС) и магистрали имеют большой процент износа и требуется скорейшая реконструкция объекта.
В этой ситуации необходимо анализировать уже имеющийся опыт различных технических решений и внимательно отнестись к выбору компонентов теплового узла ГВС. Энергосберегающие технологии и схемы на основе коммерческих водонагревателей — нестандартный подход к решению вопросов ГВС. Самый простой способ получения горячей воды в нужном объеме знает практически каждый человек, который приобрел электрический накопительный водонагреватель в свой дом на время отключения тепловых сетей на период планово-предупредительных ремонтов.
Точно так же можно решать задачи ГВС на предприятии, только вместо бытовых накопительных (аккумулирующих) электрических водонагревателей придется использовать коммерческие объемом от 1000 до 10 000 л, которые можно объединять в серию из нескольких штук в параллельной или последовательной обвязке в зависимости от поставленных задач. Это один из самых распространенных методов резервного горячего водоснабжения.
Отметим также, что водонагреватели накопительного действия самые распространенные в линейке коммерческих водонагревателей. Чуть ниже мы внимательно рассмотрим причины успеха накопительных нагревателей (с технической и с экономической точек зрения). Необходимо рассмотреть разновидности коммерческих водонагревателей хотя бы для того, чтобы понимать, какие из них годятся для организации конкретного теплового узла ГВС. Все тепловые узлы горячего водоснабжения можно разделить по их назначению на основные и резервные.
Использование проточных водонагревателей для строительства и реконструкции ТУ ГВС.
Водонагреватели называются проточными, т.к. необходимое количество горячей воды они подают на проток, и их тепловая мощность, подогревающая расходную сетевую воду, рассчитана на максимально возможное потребление. Проточные водонагреватели компактнее накопительных, но их основной недостаток — большая установленная мощность. Достоинство заключается в неинерционном нагреве. Базовый элемент проточного водонагревателя — теплообменник нужной мощности.
Он имеет площадь и конфигурацию, зависящие прежде всего от типа нагрева (с использованием горячей воды, электричества, любого жидкого топлива или газа). Принцип теплообмена в них при всем богатстве способов нагрева всегда одинаков — нагреватель передает тепло движущейся по теплообменнику воды.
Если для нагрева используется горячая вода или пар из теплоцентрали, то современный проточный водонагреватель представляет собой простой пластинчатый двухконтурный теплообменник с изолированными друг от друга контурами: замкнутым контуром нагрева и контуром расходной воды, которая от нагревателя отправляется к потребителям. Если для проточного водонагревателя используется не вода или пар, а энергоноситель (газ, жидкое топливо или электричество), то контур, по которому движется вода, нагревается сгоревшим топливом, электричеством или газом.
Если необходимы большие объемы, то к пластинчатому теплообменнику проточного водонагревателя добавляется котел. Если сделать отопительный контур котла разомкнутым для водоразбора, агрегат становится проточным водонагревателем. Использовать котел подобным образом непрактично, поскольку постоянная подпитка котла свежей водой приводит к быстрой коррозии всех элементов, соприкасающихся с постоянно обновляющейся водой.
Подогревая через пластинчатый теплообменник расходную воду, а также используя замкнутый контур водяного котла, можно добиться оптимальной схемы промышленного проточного водонагревателя. Такие схемы хорошо реализуются на предприятиях, где реконструировался весь энергетический комплекс, в результате чего для каждого потребителя тепла и воды использовалась своя децентрализованная система отопления и ГВС.
В этих системах энергоноситель подводится к объекту, где нужны тепло и вода, а затем без промежуточного теплоносителя подогревается воздух помещения или вода для технологических или бытовых нужд. Первое преимущество данных схем — отсутствие потерь на транспорт тепла до объекта. Второе — полная независимость каждого потребителя тепла от другого, высокий процент резервирования мощностей.
Но необходимо отметить, что в связке «проточный водонагреватель–котел» желательно использовать дополнительно накопительный водонагреватель небольшого объема: поскольку котел не может мгновенно выйти на полную мощность, то в процессе достижения им заданных параметров используется заранее подогретая вода из накопительного водонагревателя. В этом случае объем водонагревателя должен обеспечивать половину пикового водопотребления, если выход котла на заданную мощность не превышает получаса.
Пример совместного использования электрического котла и накопительного водонагревателя.
Описанная выше схема принята инженерами для резервного узла ГВС гостиниц в Москве. Были использованы электрический 15-ступенчатый котел Varmeteknikk (Норвегия) мощностью 300 кВт и пластинчатый теплообменник, рассчитанный на полную пиковую мощность котла, параллельно с накопительным водонагревателем OSO 17S 3000 (Норвегия) объемом 3000 л. Мощности котла и теплообменника достаточно для обеспечения потребителя горячей водой в момент максимальной пиковой нагрузки.
В этом случае пара «котел–теплообменник» используется как проточный водонагреватель, а накопительный — для сглаживания первого получасового пика потребления. Далее котел выходит на заданную мощность, и необходимая горячая вода, подготавливаемая в теплообменнике, поступает через накопительный бак потребителям. В непиковое время электрический котел обеспечивает небольшое потребление воды и успевает подготовить горячую воду в накопительном баке для следующего пикового водопотребления.
Такая схема применяется для многих резервных узлов ГВС гостиниц. Проточный нагрев воды использовался и на тех предприятиях, где реконструировалась вся система теплоснабжения по схеме децентрализации и газового отопления без промежуточного теплоносителя.
Пример совместного использования газового котла и накопительного водонагревателя.
На Ухтинском машиностроительном заводе (республика Коми) полностью была реконструирована система теплоснабжения. К каждому цеху подведен газ. В цехах установлены газовые системы нагрева (тепловентиляторы или инфракрасные газовые системы). При этом вода для технологии и собственных нужд (АБК, душевые, столовые) готовится напрямую от газовых бытовых котлов небольшой мощности (конденсационные котлы пульсирующего горения Pulsatoire, всего 40 кВт), установленных прямо в местах потребления воды.
Использовался как проточный тип водонагревателей (на пластинчатых теплообменниках), так и комбинированный (с накопительными водонагревателями со встроенными в них теплообменниками). В таких децентрализованных схемах реализуется принцип энергосбережения: экономичное использование энергоносителя и уход от избыточных потерь на транспортировку горячей воды к потребителю. Из проточных водонагревателей наиболее распространены электрические.
Из них 80 % составляют бытовые компактные мощностью не более 24 кВт. Их максимальная производительность составляет 680–700 л воды температурой не выше 40 °C в час. Понятно, что такой вариант приемлем для загородного жилья среднего уровня, небольшого коммерческого объекта (кафе, ресторан) или производственных душевых, состоящих не более чем из 4-5 кабинок. Для большего объема при проточном нагреве необходимы котлы, работающие в паре с проточными пластинчатыми теплообменниками.
Использование накопительных водонагревателей для строительства и реконструкции ТУ ГВС.
Если при реконструкции теплового узла предприятия хватает отпущенных мощностей, то использование проточного теплообменника вполне целесообразно. Если же ТУ ГВС не только износился физически, но и имеет недостаточную мощность для обеспечения вновь вводимых потребителей горячей воды, необходимо рассматривать реконструкцию ТУ ГВС на основе накопительных водонагревателей.
Как правило, пиковое водопотребление носит циклический характер с интервалом от одного до восьми часов — в это время можно уменьшить мощность, что позволит повысить аккумулирующую составляющую горячей водоподготовки. Именно в подобных ситуациях (а их большинство) используются коммерческие накопительные водонагреватели. Но, конечно, только после выяснения всех параметров ГВС. Накопительные водонагреватели при всем их многообразии устроены одинаково.
В аккумулирующий внутренний бак водонагревателя встроен сам нагреватель, внутренний бак помещен в эффективную изоляцию, и уже вся эта конструкция закрыта внешним кожухом, который имеет более или менее приличный дизайн, отвечающий промышленному или коммерческому назначению. Необходимо рассмотреть и нагреватели, встроенные в накопительный водонагреватель: это топливная горелка, трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы) или паровые и водяные теплообменники, а также комбинация из вышеперечисленных устройств.
Есть аккумулирующие водонагреватели без встроенной системы нагрева, используемые при наличии внешнего пластинчатого теплообменника (по сути, это аккумулирующие баки, а не водонагреватели). Практически все производимые сейчас накопительные водонагреватели снабжены группой безопасности по превышению давления и температуры и, конечно же, встроенными температурными регуляторами.
Если кратко обозначить базисный принцип энергосберегающего подхода в решении задач по ГВС с помощью накопительных водонагревателей, то он звучит так: точный расчет необходимой накопленной воды с применением «бесплатного» или «низкотарифного» тепла. Если точный расчет накопления горячей воды более-менее знаком людям, которые занимаются аккумулирующими бойлерами, то вторая часть принципа, касающаяся применения «бесплатного» или «низкотарифного» тепла для нагрева воды — это редко применяемая методика: пока энергоносителей хватает.
Однако долго ли так продлится? Как правило, проектировщики до сих пор пользуются методиками, которые базировались на расчете обеспечения максимального часового расхода при прямом нагреве. Выбор мощности нагрева при этом показан красным пунктиром мощность водонагревателя (электронагревателя или теплообменника), которая обеспечивает максимальный часовой расход. В данном случае — это мощность, обеспечивающая расход 12 м3/ч.
Обычно для выбора нагревательной части аккумулятора дают именно эту цифру. Хорошо, если расчетный объект имеет такие лимиты по энергоносителю. При такой энергообеспеченности объекта в аккумуляторных бойлерах нет нужды. Необходимую мощность посчитать несложно, ведь одна килокалория — это количество тепла, потребное для подогрева одного литра воды на 1 °C. Попробуем решить эту же задачу по ГВС на аккумулирующих электрических водонагревателях небольшой мощности, которые могут к моменту пиковой нагрузки накопить необходимое количество горячей воды.
Первый пиковый час приходится на утро, значит, всю воду можно накопить в ночное время, когда тариф на электроэнергию ниже в три раза. Понятно, что горячая вода будет дешевле. Еще раз подчеркнем, если есть энергоноситель (тепло от сетей, газ, электричество) в нужном объеме и присутствуют средства для оплаты таких мощностей, то можно решать задачу и такими консервативными методами.
Если же требуется высвободить мощности для дополнительных целей, то лучше всего поручить эту задачу специалистам, обладающим методикой и опытом. Для решения задач ГВС с использованием накопительных (аккумулирующих) бойлеров рекомендуется использовать достаточно простую методику. Необязательно знать подробный график потребления горячей воды, достаточно иметь информацию о времени пиковых потреблений горячей воды, максимальный расход в этот период и средний внепиковый расход.
Тогда мощность нагревательной части должна обеспечивать средний расход воды во внепиковый период плюс дополнительный нагрев для накопления горячей воды для подготовки пикового расхода.
Распространенные методики энергосбережения в схемах ГВС.
В настоящее время существуют разные методики энергосбережения в схемах ГВС. Достаточно широко используется «бесплатное тепло» — теплая вода от систем охлаждения кондиционеров, рекуперационное тепло использованной дренажной воды, тепло горячей воды от солнечных батарей, тепловые насосы. На хорошо энерговооруженном объекте, как правило, можно всегда найти «бросовое» тепло, которое можно использовать для частичного подогрева воды.
Для предварительного подогрева на первой ступени ГВС можно использовать накопительные бойлеры с встроенным теплообменником, где подогрев осуществляется от рекуперации тепла других потребителей, а дальше подогревать его основным энергоносителем (тепловые сети, газ, электричество). Пример использования накопительных водонагревателей по двухступенчатой схеме нагрева. Для одного из вводимых в действие объектов Москвы найдено хорошее решение по рекуперации тепла от холодильных машин.
Выделяемое тепло в пределах 1,63 Гкал при температуре теплоносителя +45 °C поступает на первую ступень подогрева ГВС — встроенные в бак-аккумулятор теплообменники. Для этого использованы аккумулирующие водонагреватели OSO модели 17S 2000 с встроенными в них теплообменниками. Источником догрева при подготовке большого пикового водопотребления являются встроенные в аккумуляторы электрические нагреватели (по 20 кВт в каждом, всего 80 кВт).
Если бы вода готовилась только при помощи прямого электронагрева, то пришлось бы использовать электрическую мощность в пределах 450–650 кВт для подготовки пикового водопотребления за два-три часа. При решении задачи технологического нагрева воды с использованием аккумулирующих водонагревателей необходимо знать точный график водопотребления и понимать, что технологическая горячая вода имеет зачастую термоконстантную характеристику, т.е. она всегда постоянной температуры и объема, определенных технологией.
Пример использования накопительных водонагревателей для технологических нужд.
На заводе подготовки сырья для стекольной промышленности в Клинском районе (село Спасский Заулок) была необходима технологическая вода для реактора подготовки сырья. Внимательно изучив цикличность конвейера и технологию, специалисты пришли к выводу, что вполне будет достаточно 60 кВт установленной электрической мощности, которая за время отстоя между циклами будет готовить в накопительных водонагревателях около 2500 л воды необходимой температуры.
Без аккумуляторов на прямоточный нагрев понадобилось бы 150 кВт, которых в лимите, увы, не предусматривалось. Техническое решение было таковым: использовать четыре аккумулирующих водонагревателя OSO серии 17R 600 л с группой ТЭНов по 15 кВт в каждом. Но для того чтобы вода гарантированно была нужной температуры, использовалось не параллельное их соединение, а последовательное — выход горячей воды бака соединялся со входом холодной воды следующего бака, т.е. использовался последовательно-поступенчатый нагрев воды. Такая же схема технологического нагрева была применена и на московском производстве известной парфюмерной фирмы L’Oreal.
Рекомендации по выбору накопительного водонагревателя.
Практический опыт эксплуатации коммерческих водонагревателей аккумулирующего типа показал, что кроме реальной экономии, есть еще и сопутствующая, связанная с низкими эксплуатационными затратами. Чтобы получить надежную систему ГВС на долгий срок с минимальными ремонтными издержками, при выборе аккумулирующего нагревателя необходимо обратить внимание на следующее:
- баки должны быть тестированы на давление не ниже 16 атм;
- внутренний бак накопительных водонагревателей должен быть цельнометаллическим (из нержавеющей стали или меди на пластичной стали) — какое-либо покрытие нежелательно, поскольку при быстрых циклах «нагрев–охлаждение» из-за разного температурного расширения стали и покрытия образуются микротрещины, которые впоследствии будут источником коррозии бака;
- предусмотрена надежная гидравлическая группа безопасности по превышению температуры и давления.
Этих условий при выборе водонагревателя будет достаточно, чтобы забыть о ремонтных издержках на долгий срок.
