ПРИМЕРЫ ВОЗМОЖНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ОДНОТРУБНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Академией коммунального хозяйства совместно с проектной организацией Гипрокоммунэнерго в 1956 г. по поручению городских организаций г. Махачкалы была проработана схема теплофикации города использованием имеющейся вблизи города горячей воды нефтяных скважин.

Вопрос о возможности использования такой воды для целей отопления и горячего водоснабжения города был предварительно весьма детально изучен Дагестанским филиалом Академии наук GGCP (канд. техн. наук С. А. Джамалов). В результате проработки этого вопроса как Дагенстансюим филиалом Академии наук СССР, так и Академией коммунального хозяйства совместно с Гипрокоммунэнерго городскими организациями была принята открытая двухтрубная система тепловых сетей с расчетной температурой теплоносителя 130° С.

По этой схеме горячая вода нефтяных скважин, температура которой по данным Дагестанского филиала Академии наук была принята 60°С, подавалась на Махачкалинскую ТЭЦ, догревалась там до температуры, необходимой для систем отопления по принятому температурному графику, и подавалась в город. В городе эта вода в зимний период использовалась как для отопления, так и для горячего водоснабжения по схеме непосредственного водоразбора. Остаток воды возвращался на ТЭЦ; В летний период (67,2 %продолжительности года) предполагалось, что будет работать только одна труба для целей горячего водоснабжения с температурой воды 60° С, обеспечиваемой, нефтяными скважинами; следовательно, вторая труба, а вместе с нею половина всех затрат на теплофикацию города оставались бы при осуществлении этого варианта в течение большей части года неиспользуемыми.

Вместе с тем такая схема использования горячей воды нефтяных скважин для целей теплофикации города хотя и обеспечивала годовое покрытие (57% потребности города) в тепле, однако почти не давала возможности использовать это тепло для целей отопления зданий.

Осуществление принятого варианта потребовало бы больших денежных и материальных затрат, которые по подсчетам, произведенным Гипрокоммунэнерго, составляли бы 1,5 млн. руб. и около 1 300 т труб.

Применение для теплофикации г. Махачкалы однотрубной системы тепловых сетей, естественно, может эти затраты в значительной степени снизить, однако для этого необходимо было бы расход воды в тепловых сетях для целей отопления привести в соответствие с возможным расходом воды на горячее водоснабжение.

Максимально-расчетное количество тепла на 1 чел. в сутки может быть определено приближенно по уже ранее приводившейся формуле.

В соответствии с нормами и техническими условиями проектирования горячего водоснабжения в жилых зданиях квартирного типа можно принять среднюю норму в размере 87,5 л на одного жителя в сутки. Однако с учетом того, что средняя температура потребляемой воды равняется 40? С, общая потребность в воде в системе горячего водоснабжения будет определяться величиной

Полученный результат показывает, что если расчетный температурный перепад теплоносителя принять 100° С, то даже в расчетных условиях можно уравнять расход воды на отопление с расходом воды на горячее водоснабжение.

Наиболее целесообразной была бы температура 40° С после систем отопления, так как более низкая уже непригодна для горячего водоснабжения. Кроме того, эта температура должна устанавливаться по возможности в пределах, не вызывающих удорожания абонентских систем отопления. В этом смысле эта температура должна увязываться с допустимым верхним пределом температуры воды в системах отопления.

В соответствии с соображениями, приведенными ранее, верхний предел температуры воды в системах отопления г. Махачкалы мог быть принят 110° С. Тогда во избежание удорожания обычных абонентских систем отопления можно было бы рекомендовать для системы теплофикации г. Махачкалы следующие параметры теплоносителей: с=150°С; Zi = 110°C и =50° С.

Поддержание таких температур необходимо лишь при расчетных температурах наружного воздуха и при расчетном расходе воды в системе горячего водоснабжения.

При повышении температуры наружного воздуха и расхода воды в системе горячего водоснабжения параметры теплоносителя будут соответственно снижаться.

По полученным формулам можно построить температурный график (рис. 16), из которого видно, что во всем диапазоне наружных температур температура воды после систем отопления колеблется в пределах возможного ее использования в системе горячего водоснабжения. Определение температуры наружного воздуха, при которой температура воды после систем отопления достигает 40° С, может быть выполнено решением последнего равенства, в котором заданной следует считать температуру воды (t2) и искомой—температуру наружного воздуха.

Решение такого равенства при n= 1 (постоянный расход воды) приводит к результату tu = — 1°С.

При этом температура воды в тепловых сетях из уравнения (16) будет /с/ ~100°С.

Следовательно, с температуры наружного воздуха — 1°С и выше при процедурах, требующих <воду с температурой С и выше, необходимо к воде от систем отопления добавлять воду непосредственно из тепловых сетей.

Приведенный на рис. 16 график предусматривает наличие в тепловых сетях относительно высоких температур воды, что, однако, не обусловливает ни повышенного расхода тепла ТЭЦ на отопление, ни пониженного использования тепла воды скважин.

Повышение температуры теплоносителя в тепловых сетях обусловливается малым расходом воды в них. Количество же тепла воды скважин, используемое в системах отопления, зависит от количества воды, поступающей в эти системы, и от конечной ее температуры. Поскольку в данном графике эта температура ниже исходной температуры воды скважин (60° С) и поскольку в рекомендуемых схемах присоединения потребителей к тепловым сетям дается возможность использования в системе горячего водоснабжения такой воды, степень использования тепла воды скважин в данном варианте будет выше, чем это предусматривалось первоначальным проектом.

Расход тепла станцией при любой температуре наружного воздуха может быть определен по формуле

Полученный результат показывает, что в то время как по первоначальному проекту вся потребность в тепле систем отопления покрывалась за счет Махачкалинской ТЭЦ, в предлагаемой системе, даже в расчетных условиях, 10% этой потребности могло бы быть покрыто за счет тепла горячей воды скважин. С повышением температуры наружного воздуха и соответственным понижением температуры теплоносителя этот процент увеличивается.

Действительно, уже при tH=—5° С по температурному графику (рис. 16) при сохранении расхода воды постоянным эта величина увеличивается в 2,5 раза, поскольку в этом случае tc= 110,7° С; 4к=60°С и = 43,2° С; Qo.ck=0,25.

Аналогичным образом нетрудно эту долю определить и для других температур наружного воздуха.

В г. Махачкале средняя температура отопительного периода составляет примерно +2° С. Следовательно, в соответствии с приведенными данными предлагаемая однотрубная схема тепловых сетей могла бы обеспечить покрытие тепла, потребного для систем отопления, за счет подземных горячих источников примерно в размере 60% общей их потребности.

Ранее было указано, что присоединение системы горячего водоснабжения по схеме на рис. 7 дает возможность использовать в этой системе не только воду с температурой 60° С, но и воду с более низкой температурой, непосредственно выходящую из системы отопления. Это обстоятельство позволяет значительно увеличить удельное количество воды в тепловых сетях и соответственно уменьшить ее температурный перепад, что дает возможность при относительно невысоких температурных параметрах теплоносителя уравнять расход воды в тепловых сетях с расходом воды в системе горячего водоснабжения даже в расчетных условиях теплофикации г. Махачкалы при температуре наружного воздуха —16° С.

Из графика на рис. 16 видно, что температура воды, поступающей в систему отопления, держится выше обычно принимаемой (95° С) только лишь в диапазоне наружных температур от —16 до —10° С.

Как показывает график на рис. 17, продолжительность стояния температуры ниже —10° С в г. Махачкале в среднем бывает не более 3 дней в году.

Определение температуры наружного воздуха, при которой температура теплоносителя достигает 60° С, может быть выполнено решением уравнения (16), в котором температуру теплоносителя следует приравнять к 60° С и затем найти искомую температуру наружного воздуха. При этом оказывается, что при Щс=60°С +8° С.

При повышении температуры наружного воздуха во избежание повышения внутренней температуры в отапливаемых зданиях выше установленной нормы при поддержании температуры воды, поступающей, в систему отопления, на одном и том же уровне (60° С) расход воды в отопительных системах должен быть, соответственно уменьшен.

Полученный результат показывает, что при уменьшении расхода воды на 9% системы отопления могут работать круглосуточно без перегрева зданий.

Температурный график (рис. 16) построен на заданный постоянный суточный расход воды в системе отопления и горячего водоснабжения, который, естественно, в практических условиях эксплуатации может не иметь места. При изменении этого расхода должна изменяться и температура теплоносителя; в частности, при увеличении расхода воды в системе горячего водоснабжения эта температура должна понижаться, а при уменьшении его — повышаться.

Температура воды, поступающей в тепловые сети, и температура воды после систем отопления могут быть найдены решением уравнений (16), в которые необходимо подставить соответствующие значения вместо tH и п.

Аналогичным образом можно определить температуру теплоносителя при любом расходе воды в системе горячего водоснабжения и для любой температуры наружного воздуха, при которых вся вода, прошедшая систему отопления и нагревшая здание до требуемой температуры, будет затем без остатка использована в системе горячего водоснабжения.

Для выявления преимуществ и возможностей применения однотрубных тепловых сетей Академией коммунального хозяйства (инж. В. Н. Артамонова) был дополнительно проработан расчет использования такой системы в одном из районов Москвы.

В качестве объекта для расчета был выбран район Богородска г. Москвы. Поскольку в этом районе предполагается. осуществить тепловые сети с непосредственным отбором воды для целей горячего водоснабжения (открытые тепловые сети), было решено просчитать по этому району вариант тепловых сетей со значительным уменьшением диаметра обратных труб, а если окажется возможным по балансу, то и с полным отказом от обратных труб.

Главная цель данного расчета заключалась в том, чтобы на базе конкретной планировки, предусматривающей постройку не только жилых домов, »о и общественных, которые потребляют горячую воду в незначительных размерах, а в некоторых случаях не потребляют ее совершенно, сопоставить возможный баланс расхода сетевой воды как для целей отопления, так и для целей горячего водоснабжения.

В качестве источника тепла в этом районе принята районная тепловая электростанция мощностью 150— 220 Гкал/ч.

Расчетные параметры системы с=160°С; г=50оС; —26° С; tB= 18° С.

Данные по застройке района Следующие: жителей 65210 чел.; жилая площадь 598 607 м2; жилая площадь на 1 чел. — 9 м2. Удельная кубатура 60 м3/чел. Общая кубатура жилых зданий 3 912 600 м3. Тепловая характеристика жилых зданий 0,34 ккал/м3. Удельный расход тепла на 1 чел. 900 ккал/ч. Суммарный расход тепла на отопление 58,69 Гкал/ч. Суммарный расход сетевой воды по жилым домам 533,5 т/ч.

В соответствии с приведенными данными был произведен полный расчет расхода тепла и воды для целей отопления и горячего водоснабжения. По отдельным объектам района результаты произведенных расчетов приведены в табл. 3.

Из рассмотрения приведенной таблицы видно, что при принятых расчетных параметрах теплоносителя (ISO—50° С) разность (избыток) между суммарными по всему району расходами воды на отопление и на горячее водоснабжение составляет всего 37,7 т/сутки, что по сравнению с общим суточным расходом воды составляет всего 0,2%.

Если рассматривать расходы воды на отопление и водоснабжение по отдельным категориям потребителей, то оказывается, что такие потребители, как школы, детские сады, ясли и пр., имеют расход воды на отопление, во много раз больший, чем на горячее водоснабжение. С другой стороны, такие потребители, как столовые и бани, расходуют воды на горячее водоснабжение значительно больше, чем на отопление.

Поскольку все потребители приведенной выше таблицы размещаются в непосредственной близости друг от друга, вполне возможно избыток воды на отопление одних потребителей направить к тем потребителям, где его не хватает, и тем сбалансировать в возможной мере расходы воды на отопление и горячее водоснабжение по всему району в целом.

Однако наиболее целесообразным было бы решение, при котором у таких основных потребителей, как жилые дома, остатка воды не было бы вообще. Это возможно, если несколько поднять начальную (расчетную) температуру теплоносителя. Выше эта температура была принята 160° С. Новая расчетная температура теплоносителя, при которой расход воды на отопление жилых зданий будет равен расходу воды в них на горячее водоснабжение, определится из равенства

Полученный результат показывает, что в жилых домах расход воды на отопление сравнивается с расходом воды на горячее водоснабжение при температуре теплоносителя 170° С, но и при этой температуре в школах, детских садах, яслях остаток воды все равно сохраняется. Однако он будет составлять не более 0,1%, так что становится целесообразным вернуть его в однотрубную тепловую сеть.

Однако и этот вариант не является наилучшим.

Значительно целесообразнее было бы у рассматриваемых потребителей (школы, детские сады, ясли) установить полупроводниковые кондиционеры.

Поскольку к. п. д. этих установок и, в частности, расход ими электроэнергии в значительной степени зависят от температуры и рода греющей среды (вода, воздух), использование воды систем горячего водоснабжения могло бы получиться наиболее благоприятным, а капитальные затраты могли бы, очевидно, окупиться в срок не более 1 года.

Расход воды в тепловых сетях по сравнению с обычным расчетом мог бы быть сокращен почти в 2 раза при полном упразднении обратной трубы.

Экономические преимущества такого варианта очевидны.

Анализ приведенного примера показывает, что даже в московских условиях при расчетной температуре наружного воздуха —26° С возможно применение однотрубных тепловых сетей, причем для этого не требуется большого завышения начальной температуры теплоносителя (достаточно 170° С).

Найденный итог получен при условии, что температура воды после систем отопления будет 50°С и что системы горячего водоснабжения имеют баки-аккумуляторы.

Как известно, в Ленинграде и Москве начато строительство описанных ранее однотрубных систем отопления с нижней разводкой разводящих магистралей, которые могут работать с повышенным температурным перепадом теплоносителя.

Представляется интересным проанализировать, как должна была бы работать система теплоснабжения рассмотренного выше района при отсутствии в системах горячего водоснабжения баков-аккумуляторов.

Поскольку расход воды в системах горячего водоснабжения не является равномерным, тогда как системы отопления требуют более или менее равномерного режима, в рассмотренном примере вторая (обратная) труба будет необходима.

Для определения максимального расхода воды в системах горячего водоснабжения зданий различного назначения были построены графики, данные которых приведены в табл. 4.

Максимальные часовые расходы воды на горячее водоснабжение

В приведенной таблице принято, что.бани и столовые не будут испытывать недостатка в воде, поскольку они всегда могут иметь баки-аккумуляторы.

Как видно из таблицы, расход воды в системах горячего водоснабжения в часы максимумов почти в 2 раза (1,82) может превысить расход воды :в системах отопления.

Это значит, что подающие трубы тепловых сетей должны быть рассчитаны в этих условиях на несколько больший расход, воды и, кроме того, элекстростанция должна располагать в часы максимума более мощными сетевыми насосами. Если рассчитать подающие трубы на обычный температурный перепад (80°С), то дополнительного напора сетевых насосов для преодоления максимума даже не потребуется, так как в этом случае расхода воды в обратных трубах не будет.

В ночные часы расход воды в системах горячего водоснабжения может полностью отсутствовать, в то время как системы отопления не могут прекратить своей работы.

Если в ночные часы потребителю должно быть отпущено не менее 80% тепла и при атом без повышения параметров теплоносителя, то диаметр обратной трубы может быть определен решением следующих уравнений :

Аналогичным образом может быть решена задача и для любых других комбинаций. Полученный результат показывает, что ,в заданных условиях диаметр обратной трубы должен быть рассчитан на 62% расчетного расхода воды на отопление. Вместе с тем несколько более целесообразным является вариант с аккумуляторами, но с полным отсутствием обратных труб.

Как видно из табл. 4, расход воды в системе горячего водоснабжения столовых и бань очень велик. Это значит, что при проектировании тепловых сетей эти объекты по возможности следует делать конечными, чтобы к ним могла быть направлена та вода, которая почему-либо окажется не использованной у других потребителей.

При схеме тепловых сетей с обратной трубой представляет большой интерес рассмотрение варианта использования обратной трубы в качестве второй подающей в вечерние часы прохождения максимума расхода воды на горячее водоснабжение. Для такого использования обратной трубы необходимо было бы в этот период поддерживать давление в ней выше статического, получающегося в жилых домах, и соответственно перестроить режим работы сетевых насосов.

Однотрубные системы тепловых сетей. Сборник статей под редакцией Громова Н. К. 1962