В работе [1] сделана первая попытка классифицировать «Системы 3Т» и приведены схемы термотрансформаторов. Из этой работы следует, что термотрансформаторы практически состоят из блоков: горячего водоснабжения; напольного обогрева; отопления; вентиляции. К каждому блоку предъявляются свои технические требования, которые рассчитываются на конкретные тепловые нагрузки. В связи с этим для широкого внедрения в практику «Cистемы 3Т» проектировщику, а также потенциальному потребителю необходимо иметь представление о размерах блоков, их комплектации, примерном оснащении системой автоматики. Именно этому посвящается настоящая статья. Все приводимые ниже данные рассчитаны для климатических условий г. Москвы. Горячее водоснабжение Исходные данные: ❏ расход горячей воды на одного жителя в современных квартирах по нормам — 115–120 л/сут; ❏ максимальный расход горячей воды через водоразборный прибор — 200 л/ч (0,2 л/с); ❏ пропускная способность подводящих к квартире труб (при скорости 1 м/с): ½˝ — 680 л/ч; ¾˝ — 1230 л/ч; 1˝ — 2000 л/ч. Суточный нормируемый расход горячей воды в зависимости от размеров квартиры составляет: 400; 600; 800; 900 л/сут, т.е. среднечасовой расход горячей воды соответственно — 17; 25; 34; 37,5 л/ч. Наиболее неблагоприятным является случай одновременного пользования в одной квартире двумя ванными. Объем ванны — около 200 л, продолжительность ее заполнения — 30–45 мин. При заполнении ванны водой с температурой 45 °С потребный расход теплоты составит 45 кВт, а потребный расход воды — 150 л/ч (t = 60 °С). Скоростной теплообменник должен подбираться из условий: ❏ одна ванна в квартире: расход горячей воды — 145–217 л/ч (33,4–50 кВт); ❏ две ванны в квартире: расход горячей воды — 290–435 л/ч (66,8–100 кВт). В случае ГВС с баком-аккумулятором принимаем, что бак установлен параллельно теплообменнику. Расход горячей воды на заполнение ванны складывается из равных расходов через теплообменник и бак, т.е. через бак расход равен 72,5–150 л/ч, и аналогичное количество воды поступает из теплообменника. Тепловая мощность теплообменника ГВС должна быть при одной ванне 20–25 кВт, а при двух — 40–50 кВт. Размер бака-аккумулятора должен составлять при наличии одной ванны — 100–120 л, а при наличии двух ванн — соответственно 200–240 л. Таким образом, блок горячего водоснабжения термотрансформатора должен обеспечивать тепловую мощность и расходы горячей воды без бака-аккумулятора: ❏ одна ванна — 145–217 л/ч, или 33,4–50 кВт; ❏ две ванны — 290–435 л/ч, или 66,8–100 кВт; с баком-аккумулятором: ❏ одна ванна — 72,5–150 л/ч, или 20–25 кВт, бак — 100–120 л; ❏ две ванны — 140–210 л/ч, или 33–50 кВт, бак — 200–240 л. Скоростной теплообменник для подогрева циркуляционной воды ГВС рассчитан на расход воды: без бака-аккумулятора — на 40–45 л/ч и подогрев на 10 °С, с баком-аккумулятором — на 20–25 л/ч и подогрев на 10 °С. Потребности блоков ГВС административных и общественных зданий колеблются от 24 до 62 кВт, что ниже аналогичных потребностей потребителей горячей воды жилых зданий, но разнообразнее. Учитывая, что потребителями горячей воды, так же как и термотрансформаторами, могут быть клиенты, то можно увеличить номенклатуру блоков ГВС термотрансформаторов, уменьшив их шаг. Циркуляционное водоснабжение. Для теплового расчета циркуляционного кольца ГВС и подбора оборудования принято, что циркуляционные трубы проложены открыто, температура ГВС 55 °С, температура окружающей среды 20 °С, теплопотери 1 п.м. трубы составляет для ½˝ — 24/32 или среднее 28 Вт/п.м., для трубы ¾˝ — 29/39 или среднее 34 Вт, для трубы 1˝ — 37/47 или среднее 42 Вт. Поскольку величина циркулирующей воды обусловливается тепловыми потерями труб, длина которых определяется архитектурно-планировочными решениями и может значительно отличаться друг от друга, то расчет теплопотерь трубопроводами ГВС и требуемые минимальные расходы циркуляционной воды при ее допустимом 10-градусном остывании сведены в табл. 1. При протяженности труб отличной от указанной в таблице теплопотери и расходы циркулирующей воды можно получить интерполяцией и экстраполяцией. Отопительные нагрузки помещений жилого назначения Климатические условия г. Москвы: расчетная температура наружного воздуха для отопления — 26 °С, средняя температура отопительного периода — 3,5 °С, продолжительностьотопительногопериода — 215 дней. Конструкции ограждений удовлетворяют требованиям СНиП «Строительная теплотехника и коэффициенты теплопередачи [Вт/(м2•°С)] для жилых зданий», равны: наружные стены — 0,317; покрытия и перекрытия над проездами — 0,213; перекрытия чердачные, над холодными подпольями и подвалами и покрытия — 0,241; окна, балконные двери — 1,852; фонари — 2,703. Высота этажа (от чистого пола до чистого пола следующего этажа) — 3,5 м. На 3 м наружной стены приходится в среднем одно окно размером 1,5x1,2 м. Глубина комнат не превышает 6 м. Ширина здания — 12 м. Рассмотрены одно-, двух- и трехкомнатные квартиры. Квартиры с большим количеством комнат, считаем, состоят из комнат меньших размеров. Каждая квартира имеет кухонный пролет 3 м. Потребность теплоты только на цели отопления по размерам квартиры изменяется на 1–1,5 кВт с увеличением размера квартиры на одну жилую комнату и составляет при расположении квартиры на промежуточном этаже и в середине дома 0,58–1,16 кВт (одно- и трехкомнатные квартиры), при расположении у торца здания — 1,16–2,32 кВт. Для квартир, расположенных на верхнем этаже, эти показатели соответственно составляют: 1,02–2,04 кВт; 1,6–3,2 кВт. С учетом необходимости нагрева инфильтрационного воздуха потребность в теплоте оценивается для промежуточного этажа и при расположении в середине здания 2,18–4,362 кВт, а для верхнего этажа — 2,62–5,24 кВт, если квартиры находятся в торце здания, то потребность в теплоте составляет соответственно для промежуточного этажа 2,76–5,52 кВт и 3,2–6,4 кВт. При обогреве элитных квартир, в которых комнаты и их размеры превышают стандартные (площадью от 210 м2), рассмотренная выше потребность в теплоте может достигать 19,2 кВт. Отопительные нагрузки общественных и административных зданий Расчеты выполнены на климатические условия г. Москвы. Конструкции ограждений удовлетворяют требованиям СНиП «Строительная теплотехника и коэффициенты теплопередачи [Вт/(м2•°С)] для общественных и административных зданий», равны: наружные стены — 0,370; покрытия и перекрытия над проездами — 0,278; перекрытия чердачные, над холодными подпольями и подвалами и покрытия — 0,328; окна, балконные двери — 2,222; фонари — 2,700. Высота этажа (от чистого пола до чистого пола следующего этажа) равна 3,5 м. На 3 м наружной стены приходится в среднем одно окно размером 1,5x2 м. Глубина помещений — 6 м. Ширина здания — 15 м. На одного персонал-человека приходится 6 м2 помещения. Удельные затраты теплоты на отопление 1 м2 площади в административных и общественных зданиях составляют: для помещений, расположенных на промежуточном этаже, — 31,35 Вт/м2, а для верхних — 56,2 Вт/м2. Общее количество теплоты для обогрева служебных помещений при площади 300–1000 м2 на промежуточном этаже равно 9,4–31,4 кВт, а для верхнего — 16,87–56,29 кВт. Тепловые нагрузки на обогрев полов. Системы обогрева полов по функциональным признакам применения могут быть подразделены на два типа. Это относится как к жилым помещениям, так и к помещениям общественных и административных зданий. Система обогрева полов выполняет функции: а) отопления помещений; б) комфортного обогрева полов в течении года. В первом случае система обогрева полов может рассматриваться как система отопления и соответственно указанные тепловые нагрузки и температурные параметры теплоносителя остаются такими, как для системы отопления (могут быть и иные случаи). Во втором случае система обогрева полов рассчитывается на поддержания комфортной температуры пола и она, как правило, остается постоянной в течение всего периода ее работы. Тепловыделение от полов при таком их применении является величиной постоянной, температура теплоносителя, подаваемого в змеевики пола, поддерживается также постоянной, поэтому при определении мощности отопительной системы величина тепловой нагрузки должна быть уменьшена на величину тепловыделения от полов. В квартирах обогрев полов принимают, как правило, комфортным и оборудуют ванны, туалетные кабины, кухни, прихожие, иногда спальни и т.д. В общественных и административных зданиях обогрев полов применяют для отопления помещений с большим остеклением, обогрева вестибюлей и других служебных помещений, не желая загромождать световые проемы. В рассмотренном варианте системы обогрева полов выполняют функции системы отопления и поэтому учитываются цифрами, относящимися именно к ним. Тепловые нагрузки на принудительную приточную вентиляцию жилых зданий. Если здание не оборудуется принудительной вентиляцией, то согласно СНиП поступление свежего приточного воздуха по условиям санитарных норм осуществляется за счет открытия фрамуг или форточек, а также за счет воздуха, поступающего в помещение, за счет неплотностей в оконных переплетах и дверных проемах(т.е. за счет инфильтрации). Нагрев поступившего приточного воздуха осуществляется системами отопления. Выше так и определены нагрузки на систему отопления. В случае оборудования жилых помещений принудительной приточной вентиляцией затраты теплоты на нагрев инфильтрующегося воздуха снимаются с системы отопления и перекладываются на систему вентиляции. При этом в зависимости от принятой схемы вентиляции, а в частности, наличия системы утилизации, тепловая нагрузка на систему вентиляции может быть сокращена до 55 %. Потребность в теплоте для подогрева приточного воздуха, поступающего в квартиру, оценивается 1,6–3,2 кВт и до 9,6 кВт для элитных квартир (площадью от 210 м2). Если вентиляция естественная, то это ложится нагрузкой на систему отопления (инфильтрация). При устройстве принудительной вентиляции эта теплота восполняется системой вентиляции и при оборудовании последней системой утилизацией тепловая нагрузка сокращается до 27–33 % и составляет 0,88–1,76 кВт (для 210 м2 — 5,28 кВт). Тепловые нагрузки на принудительную приточную вентиляцию общественных и административных зданий Расчет тепловой нагрузки на приточную механическую вентиляцию ведется из условия необходимости подачи на каждого работающего не менее 60 м3/ч наружного воздуха, на которого приходится 6 м2 рабочей площади. В зависимости от особенностей выполняемой работы на предприятии и конструктивных особенностей здания механическая вентиляция может устраиваться как прямоточной, так и с утилизацией теплоты вытяжного вентиляционного воздуха. Как правило, все административно-общественные помещения, особенно в жилых зданиях, оборудуются индивидуальными вентиляционными установками на блок помещений (подвесными и т.п.) При устройстве установок с утилизацией теплоты выбросного вентиляционного воздуха используются воздуховоздушные теплообменники, эффективность утилизации которых колеблется в пределах 0,45–0,55. В расчетах принята первая величина. Итак, предполагаемая потребность в теплоте, для подогрева приточного воздуха, подаваемого в рабочие помещения, системой механической вентиляции в зависимости от площади этих помещений колеблется в диапазоне 49–163,3 кВт. При использовании систем утилизации эта нагрузка может быть уменьшена до 27–89,8 кВт. Принципиальные схемы автоматизации Блок горячего водоснабжения и циркуляции (рис. 1) состоит из основного теплообменника ГВС 1, в котором холодная вода, подводимая по трубопроводу 2, подогревается до требуемой температуры 50–60 °С и по трубопроводу 3 подается к потребителю. Теплообменник 4 предусмотрен для подогрева циркуляционной остывшей воды. Циркуляция воды осуществляется насосом 5. Циркуляционная вода подводится из системы ГВС по трубопроводу 6. Воду в системе ГВС подогревают теплофикационной водой, подводимой по трубопроводам 7, 8. Причем вода в основном теплообменнике 1 подогревается специально приготовленным теплоносителем (70 °С) смещением теплофикационной воды из подающего 7 и обратного 8 трубопроводов в трехходовом клапане 9 и подачей насосом 10 в теплообменник. Такая система подачи теплоносителя в основной теплообменник обеспечивает максимальное использование для подогрева воды системы ГВС теплоносителя, использованного в других системах (отопление, вентиляция, напольного обогрева и т.д.), и понижение температуры теплофикационной воды, возвращаемой на ТЭЦ. Температура смещения поддерживается постоянной, по датчику 11. Охлажденная в теплообменнике теплофикационная вода возвращается в обратный трубопровод после всех потребителей. Теплообменник 4 подсоединен к подающему трубопроводу 7 перед всеми потребителями и параллельно. После теплообменника 4 теплофикационная вода смешивается с потоком, прошедшим параллельно теплообменнику, и эта смесь поступает к другим потребителям. Отбор теплофикационной воды для теплообменника регулируется по датчику температуры 12, воздействующим на регулятор 12р. Управлять работой циркуляционного насоса 13 можно по термостату. Возможно также использование в качестве циркуляционного насоса насос, в конструкции которого установлены датчик 14 и обратный клапан 15. Горячая вода регулируется клапаном 16, размещенном на трубопроводе холодной воды, и регулятором 17, установленным на обратном трубопроводе теплоснабжения основного теплообменника и соединенным с датчиком температуры горячей воды 18. Блок работает следующим образом: при начале водоразбора клапан 16 реагирует на начало движения воды, передает импульс на регулятор 17, который приоткрывается и регулирует количество теплоносителя, проходящего через теплообменник в зависимости, обеспечивая нагрев холодной воды, измеряемой датчиком 18. При прекращении разбора горячей воды перепад давления на клапане 16 исчезает, и в результате регулятор 17 закрывается. Поскольку при водоразборе горячей воды температура в циркуляционном кольце поднимается до требуемого значения, датчик 14 отключает циркуляционный насос 13. Со временем вода в трубах остывает, достигает минимально допустимой величины и датчик 14 включает циркуляционный насос 13. Начинается движение воды через теплообменник 4, циркулирующая вода в теплообменнике подогревается и при отсутствии водоразбора возвращается в теплообменник 4. Температура циркулирующей воды регистрируется датчиком12, который воздействует на регулятор 12р. Когда температура горячей воды в циркуляционном контуре поднимется до требуемого значения, датчик 14 отключит насос 5. Схема автоматизации блока отопления Блок отопления состоит из теплообменника 1, присоединенного к системе теплоснабжения через регулирующий клапан 2 с электроприводом 3, управляемыми датчиком температуры 4 теплоносителя, размещенным на выходе из теплообменника по отопительной системе и корректируемым по температуре наружного воздуха измеряемой датчиком 5. Работа циркуляционного насоса 6 системы отопления осуществляется при помощи трехходового клапана 7 с электроприводом 8, управляемыми от датчика температуры 9 отапливаемого помещения. В системе управления может быть использован универсальный регулятор температуры (на рис. не показан), который, в свою очередь, даст системе отопления возможность периодического понижения температуры воздуха в помещении, например в ночные часы, возможность автоматического отключения системы отопления летом, когда температура наружного воздуха превысит заданное значение. В этом режиме регулятор будет периодически включать насос для профилактики. Трехходовой клапан 7 с приводом 8 и циркуляционный насос 6 можно собрать из разрозненых устройств либо использовать малогабаритные комплекты или заказные насосные группы. Схема автоматизации блока вентиляции Блок вентиляции конструктивно ничем не отличается от блока отопления, поэтому и принципиальные схемы автоматизации в основном совпадают. Различие в схемах состоит в том, что датчик температуры 9 размещается либо в приточном воздуховоде, либо в вентилируемом помещении. Схема автоматизации блоков напольного отопления Принципиальные схемы автоматизации напольного отопления различаются в зависимости от назначения данных систем и, соответственно, выполняемых ими функции. По функциям системы можно подразделить на: ❏ систему обеспечивающих компенсацию тепловых потерь помещения практически весь отопительный сезон (напольное отопление); ❏ систему, которая обеспечивает поддержание температуры на гигиеническом уровне (напольный обогрев). Принципиальная схема автоматизации блоков напольного отопления практически совпадает с принципиальной схемой автоматизации блоков отопления. Единственное различие заключается в температурной настройки датчика температуры 9. Схема автоматизации блоков напольного обогрева При выполнении только одной функции — поддержания температуры пола постоянной на санитарно-гигиеническом уровне — достаточно, чтобы температура пола была соответствующей и постоянной. Для этого достаточно независимо от периода года держать постоянной температуру теплоносителя, обогревающего пол. Это достигается тем, что температура теплоносителя системы пола поддерживается при помощи датчика 1 и регулятора 2. Циркуляция теплоносителя вторичного контура осуществляется насосом 3. Трехходовым краном 4 (ручным) осуществляется эксплуатационная настройка. Схема автоматизации контрольноизмерительного блока Основное назначение контрольно-измерительного блока — обеспечить измерение количеств теплоты и холодной воды, потребленных потребителем, а также обеспечить нормальные гидравлические режимы работы оборудования термотрансформаторов. Это достигается тем, что на входе 1 и выходе 2 теплоносителя установлены запорные краны 3, 4. Запорный кран 6 установлен также на трубопроводе 5 холодного водоснабжения. После запорных кранов по ходу перемещаемой среды размещаются сетчатые фильтры 7, 8, а также регуляторы давления «после себя» 9 на водопроводе и регулятор перепада давления 10 на трубопроводах теплоносителя. Далее между отключающими кранами располагаются тепломеры 11, 12 и расходомер холодной воды 13. Все расходомеры соединены через теплосчетчики и интерфейс с регистратором параметров теплопотребления 14. Конструктивное выполнение блоков. Возможныегабаритные размеры. Номенклатура Конструктивное выполнение контрольно-измерительного блока термотрансформаторов (рис. 2). По конструктивным особенностям контрольно-измерительный блок термротрансформатора можно разделить на две составные части: 1 — тепловую, предназначенную для измерения расходов и температур подающего и обратного теплоносителя; 2 — водопроводную, для измерения количества потребления холодной воды. Для обеих частей необходимо применить стабилизационную автоматику, основное назначение которой — обеспечить поддержание в водопроводе постоянного давления перед водоразборными кранами, а в тепловой части — постоянного перепада давления между трубопроводами подающей и обратной линиями, для обеспечения благоприятного гидравлического режима работы всех блоков термотрансформатора и соответственно всех обслуживаемых им систем. Согласно «Правилам учета тепловой энергии и теплоносителя» (М., 1995 г.), выпущенным Главным управлением государственного энергетического надзора, теплосчетчики должны обеспечивать измерение тепловой энергии горячей воды с относительной погрешностью, не более, –5 % — при разности температур в подающем и обратном трубопроводах от 10 до 20 °С; –4 % — при разности температур в подающем и обратном трубопроводах более 20 °С. Водосчетчики должны обеспечивать измерение массы (объема) теплоносителя с относительной погрешностью не более 2 % в диапазоне расхода воды от 4 до 100 %. Для прибора учета, регистрирующего температуру теплоносителя, абсолютная погрешность измерения температуры, в градусах Цельсия, не должна превышать значений, определяемых по формуле ∆t = ±(0,6 + 0,004t), где t — температура теплоносителя. В связи с изложенным, теплосчетчики подбираем из условия, чтобы сопротивление счетчиков не превышал 1 м вод. ст. Этот расход теплоносителя принимаем за максимальный и по нему определяем тепловую нагрузку теплосчетчика в зависимости от температур теплоносителя в расчетный период. Водомер подбираем из условия обеспечения водой как системы холодного водоснабжения, так и системы ГВС. При этом сопротивление водомера не должно превышать 1 м вод. ст. При указанных ограничениях узлы учета могут комплектоваться — см. табл. 2. Конструктивное выполнение блоков отопления (вентиляции) термотрансформаторов (рис. 3). Конструктивное выполнение блоков, их габаритные размеры и основное оборудование в основном определяется принятой схемой теплоснабжения, тепловой нагрузкой, параметрами теплоносителя в первичной и вторичной системах, наличием смесительных устройств и т.п. Автором были просчитаны, подобрано основное оборудование, скомпанованы и определены габаритные размеры всей номенклатуры отопительных (вентиляционных) блоков. Результаты проделанной работы сведены в таблицы и рисунки. На рис. 3, а представлены габаритные размеры отопительного блока (вентиляционного) для закрытой системы теплоснабжения со смесительным насосом во вторичном контуре, с индивидуальным расширительным баком для температурных параметров теплоносителя в первичном контуре 150 и 95 °С, а во вторичном 90 °С. Проведена унификация габаритных размеров этих блоков. На рис. 3, б представлены аналогичные данные для случая, когда подпитка вторичного контура осуществляется теплофикационной водой первичного контура. Результаты проработки отопительного (вентиляционного) блока, изображенные на рис. 3, в, относятся к открытым системам со смесительным насосом во вторичном контуре. С основными техническими и габаритными данными отопительных (вентиляционных) блоков можно ознакомится на рис. 3, г. Конструктивное выполнение блоков напольного отопления термотрансформаторов (рис. 4). Для выявленного ранее возможного диапазона тепловых нагрузок блока напольного отопления термотрансформаторов выполнен комплекс работ, аналогичный проведенному для отопительного блока. Особенностью этого блока заключается в том, что для обогрева пола требуется теплоноситель с температурой 40–60 °С, а для выполнения функций комфортного обогрева — еще и постоянной температурой в течение всего года. Поэтому, как правило, эти блоки желательно выполнять с смесительным насосом. На рис. 4, а представлены габаритные размеры, компановка и основное комплектующее оборудование для закрытой системы. На рис. 4, б приведена информация для закрытой системы, но с системой подпитки вторичного контура из сети первичного контура. Открытая система теплоснабжения вторичного контура блока напольного отопления изображена на рис. 4, в.
1. Аничхин А.Г. «Система 3Т» — система теплоснабжения: отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и многофункциональных зданий ХХI века. Журнал «С.О.К.», №4/2006 г. 2. Аничхин А.Г. «Система снабжения здания теплом и холодной водой (Система 3Т)». Патент 2287743С1RU.
