ЗАКРЫТЫЕ И ОТКРЫТЫЕ СХЕМЫ ТЕПЛОСНАВЖЕНИЯ
Системы теплоснабжения, в которых в качестве теплоносителя применяется горячая вода, могут работать по различным схемам присоединения потребителей. Основные применяемые на практике схемы теплоснабжения разделяются по следующим признакам.
1. По способу присоединения местных систем горячего водоснабжения, обеспечивающих санитарно-бытовые и технологические нужды:
а) закрытые схемы;
б) открытые схемы.
2. По способу присоединения местных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха:
а) зависимые схемы;
б) независимые схемы.
В закрытой схеме теплоснабжения теплоноситель используется только для транспортирования тепла. Теплоноситель не расходуется и не отбирается из сети (не считая нормированных потерь — утечек и аварийных случаев).
В открытой схеме теплоснабжения теплоноситель (т. е. горячая вода) служит не только для транспортирования тепла, но также отбирается из сети потребителями для горячего водоснабжения санитарно-бытовых и технологических нужд производства.
Выбор закрытой или открытой схем теплоснабжения потребителей существенно влияет на технологическую Схему, стоимость строительства и эксплуатацию отдельных элементов системы теплоснабжения и связанных с ней объектов.
В наибольшей степени это влияние сказывается на:
1) источнике тепла, стоимости его строительства и эксплуатационных затратах;
2) габаритах, оборудовании, строительных и эксплуатационных затратах тепловых пунктов потребителей;
3) числе и диаметрах трубопроводов тепловой сети;
4) капитальных затратах и эксплуатационных расходах потребителей тепла в связи с различиями в габаритах и технологических схемах тепловых пунктов в закрытой и открытой схемах;
5) количестве эксплуатационного персонала, обслуживающего систему теплоснабжения в целом, а также отдельных ее элементов;
6) работе и стоимости хозяйственно-питьевого водопровода города.
На рис. 4-13 схематически изображены закрытая и открытая схемы теплоснабжения (при закрытой или открытой схемах присоединения потребителей),
Капитальные вложения в строительство и эксплуатационные расходы источника тепла для закрытых схем меньше, чем у открытых вследствие упрощения химической водоочистки и отсутствия крупных баков — аккумуляторов горячей воды. В ходе эксплуатации таких источников тепла химической очистке подвергается только относительно небольшое количество воды, идущей на возмещение потерь теплоносителя в системе источника тепла и теплоснабжения. Основное удобство и простота эксплуатации источника тепла в закрытой схеме заключаются в том, что от него не требуется обеспечения местных систем горячего водоснабжения потребителей горячей водой питьевого качества. Это означает, что теплоноситель— горячая вода, циркулирующая в системе теплоснабжения при закрытой схеме, может по цвету, запаху или вкусу не соответствовать воде питьевого качества. Единственное требование, предъявляемся к воде, служащей для пополнения системы, состоит в том, что она должна быть деаэрирована и умягчена во избежание кислородной коррозии и накипеобразования в системе теплоснабжения.
Тепловые сети при закрытой схеме могут подать потребителю несколько меньшее количество тепла, чем сети того же диаметра, работающие при открытой схеме. При горячем водоснабжении потребителей с применением одноступенчатых параллельно присоединяемых водоводяных подогревателей подача тепла потребителям снижается на 15—18% по сравнению с открытой схемой. При решении задачи горячего водоснабжения тех же потребителей тепла по схеме двухступенчатого присоединения водо-водяных подогревателей при параллельном присоединении подогревателя второй ступени подача тепла уменьшится на 3—9% по сравнению с открытой схемой.
Увеличение подачи тепла по тепловым сетям в открытой схеме теплоснабжения объясняется формулой G = —Q/At следующим образом:
При открытой схеме теплоснабжения расчетная разность температур At, принимаемая для расчета расхода теплоносителя в подающем трубопроводе на горячее водоснабжение, равна 60°С.
В обратном трубопроводе при открытой схеме в любом расчетном случае Сг.в=0. Это означает, что в момент расхода горячей воды потребителями по подающему трубопроводу поступает большее количество теплоносителя, чем возвращается по обратному трубопроводу:
Количество циркулирующего в сети теплоносителя при закрытой схеме независимо от схемы включения подогревателя горячей воды одинаково в подающем и обратном трубопроводах.
Тепловые пункты потребителей при закрытых схемах теплоснабжения занимают помещения с большими площадями. Минимальные размеры ТП составляют в длину 6—7 м, в ширину 3—4 м в зависимости от числа ступеней водо-водяных подогревателей, количества и диаметра отдельных секций. При необходимости умягчения или деаэрации питьевой или технической воды у потребителя ТП занимают еще большие площади (до 12X12 м в плане и более).
При закрытых схемах теплоснабжения холодная вода питьевого качества для нужд горячего водоснабжения поступает из городского водопровода в ТП, где она нагревается. В процессе нагрева вода приобретает некоторые качества, которыми не обладала холодная вода. Эти качества заслуживают подробного рассмотрения.
1. Малоактивный кислород, содержащийся в растворенном в холодной воде воздухе, при нагреве воды до 40—65°С становится весьма агрессивным по отношению к железу. Трубопроводы местных систем горячего водоснабжения зданий могут быстро корродировать, вследствие чего поступающая к потребителям горячая вода будет содержать растворенные окислы железа, окрашивающие воду при малых расходах в красный цвет; при этом срок службы сокращается. Опыт теплоснабжения Москвы и многих других городов доказывает, что при высоком содержании кислорода в холодной воде питьевого качества системы горячего водоснабжения, смонтированные из неоцинкованных стальных труб, изнашиваются в течение 2—6 лет. Срок службы систем горячего водоснабжения, смонтированных из сварных оцинкованных труб, удлиняется до 6—15 лет. Слабым местом этой системы трубопроводов являются сварные швы, в которых повреждается защитное цинковое покрытие. Срок службы систем, собранных из оцинкованных труб на резьбовом соединении, заметно удлиняется. Точных данных о продолжительности срока службы различных 138 местных систем горячего водоснабжения эксплуатирующими организациями пока нет.
2. Растворенные в воде карбонатные соли при нагреве воды до 40—65°С выпадают из раствора, причем выпадение достигает 90% при температуре воды 60°С. Выпадающие карбонатные соли отлагаются в виде накипи различной плотности на поверхностях водонагревателей и на стенках трубопроводов местных систем горячего водоснабжения. Возникающее «зарастание» трубопроводов будет тем интенсивнее, чем больше содержится в воде растворенных карбонатных солей и чем выше температура нагреваемой воды. Наиболее интенсивный процесс «зарастания» наблюдается в местах нагрева воды в водонагревателях и в начальных участках систем горячего водоснабжения.
Образующаяся на поверхностях водонагревателей накипь нарушает нормальный процесс теплопередачи. Греющая способность водонагревателей при этом резко падает, снижается их пропускная способность и значительно увеличивается гидравлическое сопротивление системы, так как в результате отложения накипи площадь свободного сечения трубопроводов может уменьшиться до 0,1 номинальной. Водонагреватели и местные системы горячей воды при закрытой схеме необходимо регулярно очищать от отложений накипи. Очистка производится различными механическими и химическими средствами. Цикличность очистки зависит от состава карбонатов и их содержания в воде. В некоторых городах химический состав воды вынуждает очищать водонагреватели каждые 2—3 месяца.
Растворенные в воде соли определяют ее жесткость. При нагреве или под влиянием других причин растворенные в воде карбонатные соли выпадают из раствора и вода при этом умягчается. Карбонатные соли, выпадающие из раствора, обусловливают временную или карбонатную жесткость воды. Соли, не выпадающие из раствора при нагревании воды, образуют ее постоянную или некарбонатную жесткость. Сумму временной и постоянной жесткости называют общей жесткостью воды. Жесткость воды выражается в миллиграмм-эквивалентах на килограмм массы воды (мг-экв/кг) или в немецких градусах (°Н), причем 1 мгэкв/кг=2,8°Н.
3. Растворенная в холодной воде малоактивная свободная углекислота СОг становится весьма агрессивной при нагреве и в присутствии кислорода активно действует на стальные трубопроводы систем горячего водоснабжения, если их поверхность не оцинкована или не имеет другого защитного покрытия; углекислота выступает в основном как катализатор коррозии. Кислород воздуха в присутствии углекислоты становится особенно агрессивным,. и коррозия трубопроводов заметно ускоряется.
4. Присутствие в воде различных хлоридов и сульфатов существенно влияет на коррозию трубопроводов систем горячего водоснабжения.
Если при закрытой схеме теплоснабжения исходная холодная вода не соответствует нормам, данным в приложении 1 СНиП П-36-73, то обработка ее должна выполняться децентрализованно в ТП потребителей при приготовлении горячей воды [19, 21].
Стоимость строительства источника тепла при открытых схемах теплоснабжения выше, а эксплуатация сложней и дороже, чем при закрытых. При открытой схеме источник тепла обеспечивает всех потребителей района необходимым им количеством воды для нужд горячего водоснабжения. Это количество составляет приблизительно 40% общего потребления питьевой воды, причем вода умягчается, деаэрируется и накапливается в баках- аккумуляторах для выравнивания суточных колебаний потребления горячей воды в районе. Источник тепла нуждается в организации специальной водоподготовки, что усложняет и удорожает его эксплуатацию. При неудовлетворительной деаэрации или умягчении воды в первую очередь может пострадать основное оборудование источника тепла — котлы, пароводяные или водоводяные подогреватели, трубопроводы и т. д.
Для открытых схем теплоснабжения характерна необходимость в централизованной подготовке воды питьевого качества для нужд горячего водоснабжения всех потребителей тепла района. Все трудности, связанные с деаэрацией и умягчением воды, борьбой с коррозией, возникающие при закрытой схеме в ТП каждого потребителя, при открытой схеме переносятся в одну центральную точку — источник тепла. Объем баков-аккумуляторов при источнике тепла мощностью Q=400 ГДж/ч в открытой схеме составляет У== 9000-Ь 10 ООО м3.
Затраты в тепловые сети при открытой схеме относительно меньше, однако эксплуатация их значительно сложнее в связи с необходимостью содержать все системы теплоснабжения, включая источник тепла, ТП и местные системы потребителей в состоянии, строго соответствующем санитарным нормам по чистоте и прочим требованиям к воде питьевого качества. При промывке, ремонте сетей и присоединении новых потребителей обязательно проводится дезинфекция соответствующих участков системы теплоснабжения; принимаются меры для предотвращения попадания в сети загрязнений и масел. При открытой схеме труднее обнаружить повреждения и утечки теплоносителя как из тепловых сетей, так и из всей системы теплоснабжения в целом.
В связи с несомненной трудностью поддержания требуемой чистоты в системе теплоснабжения в ряде случаев при открытой схеме не удается обеспечить потребителей горячего водоснабжения чистой и прозрачной водой. Это, однако, не значит, что при открытой схеме теплоснабжения нельзя поддерживать требуемый нормами санитарный режим.
Тепловые пункты при открытых схемах уменьшаются в размерах (до 1,5x5 м) и по сравнению с закрытыми намного проще и дешевле в строительстве и эксплуатации. Они не нуждаются в водо-водяных подогревателях и установках для деаэрации и умягчения воды. При открытых схемах имеются все предпосылки для отказа от сооружения отдельно стоящих ЦТП. Небольшие ТП без насосов и другого производящего шум оборудования легко устроить в любом подвальном этаже. В бесподвальных зданиях, в местах с высоким стоянием уровня грунтовых вод, а также в поясе вечной мерзлоты ТП приходится располагать во вспомогательных помещениях первого этажа.
Вследствие упрощения технологической схемы ТП заметно уменьшается численность обслуживающего персонала. Учитывая, что один районный источник тепла обслуживает сотни и тысячи потребителей, располагающих собственными ТП, удешевление в строительстве и эксплуатации последних может дать значительную экономию.
Системы теплоснабжения при открытой схеме в большой степени (до 40%) разгружают городские сети холодной питьевой воды, что может дать их некоторое удешевление на последующих этапах роста города. Сравнение преимуществ и недостатков открытой и закрытой схем теплоснабжения приводит к следующим выводам.
Закрытые схемы теплоснабжения:
1) для источника тепла — дешевле в строительстве и проще в эксплуатации;
2) для тепловых сетей — дороже в строительстве,- но проще в эксплуатации;
3) для ТП потребителей тепла — дороже в строительстве и сложнее в эксплуатации;
4) для местных систем потребителей тепла схемы равноценны в строительстве, но JB части систем горячего водоснабжения менее надежны в эксплуатации.
Открытые схемы теплоснабжения:
1) для источника тепла — дороже и сложнее как в строительстве, так и в эксплуатации;
2) для тепловых сетей — дешевле в строительстве, но сложнее в эксплуатации;
3) для ТП потребителей тепла — дешевле в строительстве и проще в эксплуатации;
4) для местных систем потребителей тепла схемы равноценны в строительстве, однако в части систем горячего водоснабжения более надежны в эксплуатации;
5) для системы хозяйственно-питьевого водопровода города— более выгодны.
Устройство теплоснабжения по открытой схеме ведет к значительной экономии рабочей силы в эксплуатации системы теплоснабжения в целом, кроме того, заметно удлиняется срок службы местных систем горячего водоснабжения.
В практике проектирования и эксплуатации систем теплоснабжения уже исполнялись многочисленные расчеты для сравнения экономичности строительства и эксплуатации открытых и закрытых схем.
По результатам технико-экономических расчетов, выполненных многими организациями во многих городах, можно констатировать значительное влияние на итоги комплекса сравниваемых условий, причем в ряде случаев схемы признаются равноценными.
Для принятия на практике экономически и технически правильного решения при выборе закрытой или открытой схемы теплоснабжения рекомендуется прежде всего проверить обеспеченность данного города в момент проектирования и в перспективе достаточными ресурсами питьевой воды. При недостаточной обеспеченности водой выбор однозначно решается в пользу закрытой схемы. При достаточности ресурсов питьевой воды выбор может пасть как на закрытую, так и на открытую схему в зависимости от показателей качества исходной холодной питьевой воды, оценка которых может существенно повлиять на результат дальнейших технико-экономических исследований.
Шираке 3. Э. Теплоснабжение: пер. с латыш. — М.: Энергия, 1979.
