УСТРОЙСТВО СИСТЕМ
Системы горячего водоснабжения предназначены для подачи потребителям горячей воды, температура которой не ниже 50 °С. При пользовании горячей водой потребитель имеет возможность снижать температуру воды до необходимой величины 7—42 °С, смешивая горячую воду с холодной в смесителях, устанавливаемых в местах водоразбора.
В систему горячего водоснабжения входят следующие элементы (рис. 1.1):
устройство для нагрева воды, которым может служить котел (в системах с собственным источником тепла) или теплообменник (в системах, подсоединяемых к центральным тепловым пунктам — ЦТП);
подающая трубопроводная сеть, состоящая из разводящего трубопровода и водоразборных подающих стояков;
циркуляционная сеть, состоящая из сборного циркуляционного трубопровода и циркуляционных стояков; водоразборная, регулирующая и запорная арматура; циркуляционный или циркуляционно-повысительный насос.
Водоразборные стояки могут присоединяться непосредственно к подающему разводящему трубопроводу квартальной сети, проходящему последовательно через ряд зданий, либо к самостоятельному подающему трубопроводу здания, подключаемому к квартальной сети в одной точке (рис. 1.2). В первом случае на устройство систем горячего водоснабжения расходуется меньше металла, но при устройстве самостоятельных трубопроводов в зданиях системы удобнее в эксплуатации, так как при необходимости позволяют производить отключение отдельных частей системы, не останавливая работу всей квартальной сети.
Циркуляционные стояки и сборный циркуляционный трубопровод служат для транспортирования охлажденной в системе воды обратно к водонагревателю (или котлу) для подогрева до необходимой температуры.
Циркуляционный или циркуляционно-повысительный насосы устанавливаются в системе для постоянного побуждения циркуляции (при малом водоразборе и без него) и поддержания в любой точке системы температуры не ниже заданной; циркуляционно-повысительный насос выполняет функции дополнительного, повысительного насоса. Для обслуживания одного здания, когда протяженность трубопроводов невелика и циркуляция может обеспечиваться за счет разности в плотности нагретой и охлажденной поды, возможно использовать системы без циркуляционного насоса, так называемые системы с естественной или гравитационной циркуляцией.
Полотенцесушители в большинстве случаев являются составной частью систем горячего водоснабжения. Возможны два варианта присоединения их к системе — к подающим водоразборным или к циркуляционным стоякам. Присоединение полотенцесушителей к водоразборным стоякам позволило существенно изменить конструкцию внутридомовых систем путем объединения водоразборных стояков в группы (секционные узлы) и обслуживать каждую такую группу одним циркуляционным стояком. В связи с этим в системах появился новый элемент — кольцующая перемычка (рис. 1.3, а). Значительная часть жилых зданий, построенных в 60—70 годах, имеет системы горячего водоснабжения с секционными узлами, в которых в качестве циркуляционных используется один из водоразборных стояков (рис.1.3,б). Такое конструктивное решение нельзя признать удовлетворительным, так как при активном водоразборе в циркуляционно-водоразборные стояки вода часто подается только из циркуляционного трубопровода сети с пониженной температурой.
Запорную арматуру устанавливают на ответвлениях к секционным узлам, отдельным зданиям или сооружениям, у основания подающих и циркуляционных стояков в зданиях высотой три этажа и более, также на ответвлениях в каждую квартиру или помещение, t которых имеются водоразборные приборы. Для предотвращения движения воды в обратном направлении по циркуляционному трубопроводу перед местом его подключения к водонагревателю предусмотрен обратный клапан.
При необходимости в системах горячего водоснабжения применяют установки водоподготовки и аккумуляторные баки горячей воды. Водоподготовка предусматривается в тех случаях, когда трубопроводную сеть необходимо защищать от коррозии или накипеобразования в зависимости от качества используемой водопроводной воды. Баки-аккумуляторы служат для выравнивания неравномерности потребления теплоты системой горячего водоснабжения при ограниченной мощности источника теплоснабжения, оптимизации давления в трубопроводах сетей горячего и холодного водоснабжения и повышения устойчивости их работы.
Системы с принудительной циркуляцией
Наиболее простой из рассматриваемых является система с принудительной циркуляцией (рис. 1.4). В этой системе циркуляция поддерживается только по разводящим трубопроводам сети, от которых в виде тупиковых ответвлений отходят водоразборные стояки. Недостатком этих систем является то, что горячая вода постоянно находится только у оснований стояков, а в самих же водоразборных стояках она остывает, и чтобы получить горячую воду, потребитель должен сначала слить всю остывшую воду из стояка. Недостатком таких систем является также и то, что в их схемы не входят полотенцесушители, которые могли бы выполнять функции отопительных приборов в ванных комнатах. При централизованном теплоснабжении это частично восполняется тем, что для отопления ванных комнат устанавливаются нагревательные приборы, подсоединенные к системе отопления. Однако эти приборы работают только в течение отопительного сезона, а в осенне-весенний и летний периоды ванные комнаты не отапливаются. Такое решение может быть приемлемым только для IV климатической зоны страны с очень жарким летом, в остальных же зонах это решение лишает жилища комфортности. В связи с повышением требований к благоустройству жилых зданий СНиП не допускают проектирования таких систем в новом строительстве. Исключение составляют только административные и некоторые общественные здания, где не требуется установка полотенцесушителй.
Опытную эксплуатационную проверку проходят в настоящее время системы горячего водоснабжения, сооруженные по тупиковой схеме, но совместно с системой отопления ванных комнат круглогодичного действия (рис. 4, а). В этих системах разводящие подающие трубопроводы сети и водоразборные стояки имеют общую изоляцию с трубопроводами системы отопления ванных комнат. Поскольку вода в трубопроводах не остывает, в этих системах можно отказаться от циркуляционных трубопроводов и циркуляционных насосов.
Наиболее распространенными являются системы горячего водоснабжения, имеющие постоянную циркуляцию по разводящим трубопроводам и стоякам. Трассировка разводящих сетей может быть различной в зависимости от конфигурации квартала, так же как и различны схемы прокладки стояков и подсоединения их к разводящим сетям в зависимости от типа обслуживаемых зданий.
В некоторых зданиях до настоящего времени применяют системы горячего водоснабжения с индивидуальными циркуляционными стояками у каждого водоразборного стояка. Эта схема внутридомовых систем может иметь удовлетворительные качественные показатели только в небольших системах, обслуживающих одно здание или очень небольшую группу компактно расположенных зданий. Встречаются также проекты систем горячего водоснабжения, в которых полотенцесушители на каждом этаже присоединены и к водоразборному и к циркуляционному стоякам. Применение таких схем приводит к значительным осложнениям для службы эксплуатации, так как невозможно организовать в них более или менее равномерное распределение циркуляции по стоякам.
Все большее значение приобретают крупные системы с большой протяженностью трубопроводов, обеспечивающие водоснабжение целых городских микрорайонов, но при сооружении системы с большим числом циркуляционных колец, сопротивления которых значительно отличаются друг от друга, трудно добиться равномерного распределения циркуляции по стоякам. Наиболее эффективным конструктивным решением для обеспечения расчетного распределения циркуляции по всем стоякам системы являются секционные узлы с повышенным сопротивлением циркуляционных стояков (см. рис. 1.3,а). Секционные узлы позволяет сократить в несколько раз число циркуляционных колец в системе микрорайона, так как группа водоразборных стояков узла, параллельно присоединенных к одному циркуляционному стояку, может рассматриваться как одно кольцо в общей системе. Уменьшение числа циркуляционных колец и повышение их гидравлического сопротивления позволяют более равномерно распределить циркуляцию по стоякам, а следовательно, и обеспечить хорошую прогреваемость всех подающих трубопроводов системы без проведения наладочных работ или при минимальном их объеме.
Комбинированные системы горячего водоснабжения
Развитие горячего водоснабжения началось с систем, в которых циркуляция воды осуществлялась за счет разностей объемных плотностей нагретой и охлажденной воды. При централизованном теплоснабжении эти системы уступили место системам с принудительной (насосной) циркуляцией. Однако МНИИТЭП и АКХ им. К. Д. Памфилова предпринимали попытки применения систем горячего водоснабжения с естественной циркуляцией в современных многоэтажных жилых и общественных зданиях. МНИИТЭПом исследовалась система горячего водоснабжения, присоединяемая к тупиковому подающему разводящему трубопроводу микрорайона, по которому горячая вода подавалась во внутридомовые системы из центрального теплового пункта. Каждая внутридомовая система имеет собственный напорный бак-аккумулятор, работающий по принципу вытеснения (рис. 1.5). Горячая вода из водонагревателя поступает по разводящему трубопроводу в баки-аккумуляторы внутридомовых систем, откуда по главному стояку че- рез верхнюю кольцевую перемычку она попадает в водоразборные стояки. При активном водоразборе горячая вода может подаваться в стояки и из нижней кольцующей перемычки, соединенной с главным стояком. При отсутствии водоразбора вода в водоразборных стояка остывает быстрее, чем в главном стояке (покрытом тепловой изоляцией), и в системе устанавливается направленная циркуляция из главного стояка в водоразборные стояки. Вода из водоразборных стояков опускается в нижнюю кольцующую перемычку и по циркуляционному трубопроводу подается в бак-аккумулятор. Наличие перемычки способствует уменьшению интенсивности понижения температуры воды в системе при отсутствии водоразбора. При этом в главный стояк подмешивается охлажденная вода из перемычки. Вместимость бака-аккумулятора выбирается из расчета, чтобы к началу утреннего водоразбора температура воды в нем была не ниже 40 °С. Утренние процедуры в таких зданиях совершаются только одной горячей водой без подмешивания холодной. В баках-аккумуляторах происходит замена воды с пониженной температурой горячей водой. Эти системы работают удовлетворительно с индивидуальным тепловым пунктом. В жилом микрорайоне при последовательно подключенных секционных узлах к тупиковому подающему трубопроводу в двух-трех последних узлах наблюдались значительные сливы воды в канализацию из-за ее остывания, так как зарядка баков-аккумуляторов производилась остывшей водой в подающем трубопроводе большой протяженности. В результате по этому микрорайону был дополнительно проложен циркуляционный трубопровод и установлен циркуляционный насос, что позволило поддерживать постоянно нормальную температуру горячей воды во всем подающем трубопроводе.
При необходимости прокладки циркуляционного трубопровода рационально использовать схемы более простые по конструкции и менее металлоемкие, например систему с кольцевой однотрубной магистралью (рис. 1.6,а). Особенностью схемы является то, что в ней, как и в схеме на рис. 1.4,6, имеется одно магистральное кольцо, циркуляция воды в котором обеспечивается циркуляционным насосом. Стояки в этом случае присоединены к магистрали по однотрубной схеме, т. е. они либо попарно закольцованы, либо объединены в группы, но обслуживаются еще и главным стояком. Однако все стояки присоединены к одной магистрали. Преимущество такой системы заключается в ее простоте и повышенной гидравлической устойчивости. Благодаря наличию только одного внешнего циркуляционного кольца к основаниям стояков всегда может быть обеспечена подача воды с заданной температурой за счет установки соответствующего циркуляционного насоса, и наладка практически не требуется. Вертикальные циркуляционные контуры таких систем состоят либо из пар закольцованных между собой водоразборных стояков, либо из секционных узлов. Как показывает опыт эксплуатации, в Зданиях высотой 9 этажей и более гравитационное давление, возникающее в стояках при остывании воды, как правило, достаточно для создания необходимой циркуляции.
Несмотря на удовлетворительное качество работы пары закольцованных стояков, такое решение имеет недостатки:
охлаждение воды в контуре при нормальных температурах воды в магистрали достаточно велико (не менее 10 °С), вследствие чего в квартиры нижних этажей, обслуживаемых опускным стояком, поступает вода с температурой 50—40 °С;
включение водоразборных точек приводит к остановке или опрокидыванию циркуляции, которая восстанавливается в течение длительного времени.
В зданиях высотой 12—16 этажей с целью снижения потерь напора в стояках при водоразборе целесообразно кольцевать более двух стояков.
Таким образом в системах с кольцевыми однотрубными магистралями рациональнее использовать секционные узлы (см. рис. 1.6,6). Для более устойчивой циркуляции узел выполняют с дополнительным холостым стояком, который присоединяется нижним основанием к однотрубному разводящему трубопроводу, а верхним — к кольцующей перемычке, объединяющей водоразборные стояки. Вода в секционном узле циркулирует под действием гравитационного давления. При включении водоразборной арматуры на стояках часть воды проходит и по холостому стояку. При этом в нем всегда сохраняется направление движения воды снизу вверх. Благодаря меньшей протяженности холостого стояка и, следовательно, уменьшенным теплопотерям, температура воды в нем всегда выше, чем в водоразборных стояках, поэтому при прекращении водоразбора действием гравитационных сил всегда восстанавливается циркуляция воды в секционном узле. Под действием гравитационного давления во да из подающего трубопровода поднимается по холостому стояку и, проходя через перемычку, опускается по водоразборным стоякам. Минимальное гидравлическое сопротивление холостого стояка (из-за отсутствия местных сопротивлений, меньшей длины и увеличенного диаметра) обеспечивает минимальные потери давления, в результате чего создается более интенсивная циркуляция. Температура воды, поступающей в верхние точки водоразборных стояков, незначительно (на 2—3°С) отличается от температуры воды в магистрали, так как холостой стояк имеет сплошную тепловую изоляцию. В моменты усиленного водоразбора незагруженные водоразборные стояки могут работать параллельно с холостым, снижая тем самым общие потери давления в секционном узле в 4—10 раз (в зависимости от числа закольцованных водоразборных стояков).
Несмотря на преимущества, обусловленные более простой схемой, указанная система не получила широкого распространения из-за того, что для рационального ее использования необходимо замкнуть магистральное кольцо. Для этого требуется полностью завершить нулевые циклы всего микрорайона до пуска в эксплуатацию отдельных зданий, что практически трудно осуществимо.
