Общие сведения и понятия гидравлической и тепловой устойчивости водяных систем отопления

Увязка циркуляционных контуров – уравнивание потерь давления во всех циркуляционных контурах.

Гидравлическая и тепловая неустойчивость Свойство системы отопления при отклонении параметров наружного воздуха от расчётных не пропорционально изменять количество теплоносителя заходящего в нагревательные приборы и теплоотдачу их.

Гидравлическая и тепловая устойчивость - Свойство системы изменять тепловую мощность нагревательных приборов пропорционально изменению разности температуры наружного и внутреннего воздуха называется тепловой устойчивостью системы.Свойство системы пропорционально изменять расход воды во всех нагревательных приборах при изменении общего количества воды, циркулирующей в системе, называется гидравлической устойчивостью системы.

Критерий горизонтальной устойчивости - - p1—р2 = (Rl+Z)приб.—сопротивление нагревательного элемента прибора; ∑∆p1 = (Rl+Z)под. маг.—сопротивление подающей магистрали; ∑∆p2 = (Rl+Z)обр. маг.—сопротивление обратной магистрали.

Переменный гидравлический режим– Режим работы системы отопления с постоянно меняющимися расходом теплоносителя и перепадом давления.

Содержание темы.

15.1. Общие понятия о гидравлической и тепловой устойчивости гидравлической и тепловой устойчивости водяных систем отопления.

15.2 Горизонтальная устойчивость водяной системы отопления.

15.3. Вертикальная устойчивость водяной системы отопления.

15.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ВОДЯНЫХ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ

Рассчитывая системы отопления, принимают расчетные параметры наружного и внутреннего воздуха, то есть такие условия, когда тепловая мощность системы достигает своего максимума

НАПОМИНАЕМ

Расчётная тепловая мощность системы отопления определяется при температуре наружного воздуха, равной температуре наиболее холодной пятидневки

Эти условия наблюдаются в течение очень короткого времени, исчисляемого сутками. В продолжение всего остального времени отопительного сезона в нагревательные приборы должна подаваться вода с температурой ниже расчетной и непрерывно-переменной по величине, в зависимости от изменения внешних условий: температуры воздуха, скорости ветра, солнечной радиации

Изменение температуры воды вызывает в свою очередь изменение ряда величин, на которых, как и на постоянных, был основан расчет. Меняются температурные напоры и коэффициенты теплопередачи нагревательных приборов, кинематическая вязкость воды — число Рейнольдса, коэффициенты трения в трубопроводах, которые в номограммах и таблицах приняты для t1 = 95° С, а также гравитационные давления, коэффициенты затекания и другие величины.

Идеальная увязка циркуляционных контуров при расчетных параметрах, когда изменяется температура наружного воздуха, не сохраняется. В случае новых текущих параметров количество воды, поступающее в приборы, и их мощность у одних изменяется в большей, у других в меньшей степени Такое явление называется гидравлической и тепловой неустойчивостью.

Практика показывает, что вопросам работы систем отопления на режимах с пониженной температурой теплоносителя необходимо, по сравнению с расчетной, уделять самое пристальное внимание. Надо стремиться к тому, чтобы системы не имели свойств, вызывающих неустойчивость

При изменении температуры наружного воздуха тепловая мощность всех нагревательных приборов должна изменяться пропорционально изменению разности между температурой в помещении и наружной, сохраняя при этом постоянство внутренней температуры. Отклонение от состояния тепловой устойчивости называется тепловой неустойчивостью системы отопления. Если тепловая мощность нагревательных приборов различных этажей при изменении наружной температуры изменяется неодинаково, то такую неравномерность называют вертикальной неустойчивостью (рис. 15.1б). Неравномерное изменение тепловой мощности приборов одного и того же этажа называют горизонтальной неустойчивостью (рис. 15.1в). В практической работе систем отопления один вид неустойчивости — вертикальный или горизонтальный — встречается редко. Как правило, системы обладают одновременно обоими видами неустойчивости (рис. 15.1г)

18 °С	18 °С	18 °С	18 °С		24 °С	24 °С	24 °С	24 °С
18 °С	18 °С	18 °С	18 °С		15 °С	15 °С	15 °С	15 °С

а б

24 °С	21 °С	18 °С	15 °С		24 °С	22 °С	20 °С	18 °С
24 °С	21 °С	18 °С	15 °С		22 °С	19 °С	18 °С	15 °С

в г

Рис 15.1 Схема малоэтажного здания с температурами в отапливаемых помещениях

а — схема нормальных температур б — схема вертикальной неустойчивости в — схема горизонтальной неустойчивости, г — схема одновременной вертикальной и горизонтальной неустойчивости

График центрального управления температурой и расходом воды, обеспечивающий гидравлическую и тепловую устойчивость, называют оптимальным

Вертикальная устойчивость системы отопления зависит от того, какова ее конструкция, и от режима работы: характера действующих давлений – гравитационного и создаваемого насосом, количества циркулирующей воды.

Горизонтальная устойчивость зависит от соотношения сопротивления отдельных элементов системы: стояков, приборов и магистралей.

15.2 Горизонтальная устойчивость водяной системы отопления

Широко распространенная методика гидравлического расчета трубопроводов системы водяного отопления, рассмотренная в главе «Гравитационные двухтрубные системы отопления», сводится к подбору диаметров трубопроводов отдельных циркуляционных контуров таким образом, чтобы их гидравлические сопротивления были равны. Устранять неувязку рекомендуется путем замены диаметра труб отдельных участков с расчетом увеличения или уменьшения сопротивления данного контура, приближения тем самым величины его сопротивления к сопротивлению другого или данного контура. Такая методика приводит к тому, что сопротивление магистралей составляет большую часть сопротивления циркуляционного контура порядка 80-90%, а сопротивление стояков и нагревательных приборов – 10-20%.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ

Гидравлическая увязка циркуляционных контуров с помощью изменения диаметров трубопроводов прводит к возникновению горизонтальной тепловой неустойчивости

Пьезометрический график подобной системы представлен рис. 15.2. Точно увязать сопротивление отдельных циркуляционных контуров между собой невозможно, так как диаметр труб изменяется через значительные интервалы:15, 20, 25мм и т.д.

Оставшуюся неувязку рекомендуется погасить дополнительным местным сопротивлением – краном двойной регулировки. Однако практически это не выполнимо, та как сопротивление крана величина неопределенная (нерасчетная) и переменная – кран находится в распоряжении потребителя, который вносит свои коррективы.

Как правило, контуры приборов, расположенные ближе к генератору тепловой энергии, имеют меньшее сопротивление, чем контуры приборов более удаленных, что и ведет к горизонтальной неустойчивости. Положение усугубляется и таким обстоятельством: изменение сопротивления отдельных контуров за счет бытовой регулировки значительно меняет сопротивление циркуляционного контура в целом. Следовательно, в самой методике увязки сопротивлений циркуляционных контуров путем подбора диаметров труб, то есть уравновешиванием их линейных сопротивлений, заложены причины, вызывающие горизонтальную неустойчивость системы отопления.

Необходимые условия для горизонтальной гидравлической устойчивости могут быть созданы в том случае, если диаметры магистралей будут очень большие, а стояков маленькие, что математически можно выразить отношением:

®¥ (15.1)

где сопротивление магистралей ∑(Rl+Z)магистрали®0.

В этом случае сопротивление контуров будет равно сопротивлению стояков. Чтобы обеспечить горизонтальную устойчивость, достаточно уравновесить сопротивления стояков.

Рис. 15.2 Пьезометрические графики

А – тупиковая при сопротивлении стояков 13% и магистралей 87%; б – тупиковая при сопротивлении стояков 95% и магистралей 5% от общего сопротивления системы

Из сказанного следует; 1)для создания условий, обеспечивающих горизонтальную устойчивость системы, необходимо резко уменьшить сопротивление магистралей и увеличить сопротивление приборов и стояков, а неувязку, полученную между сопротивлениями контуров, погасить рассчитанной величиной местного сопротивления; 2) горизонтальная устойчивость определяется не абсолютными величинами диаметров и сопротивлений магистралей и стояков, а их отношением; 3) увязку необходимо производить местными сопротивлениями, а не линейными, это позволит обеспечить независимость горизонтальной устойчивости системы от изменения температуры воды.

Чем меньше сопротивление магистралей и чем больше сопротивление стояков и приборов, тем горизонтальная неустойчивость меньше. Опыт показывает, что необходимо обеспечить следующие соотношения гидравлических сопротивлений элементов системы отопления:

(Rl+Z)магистралей<0,05[(Rl+Z)ст+Zпр] (15.2)

Zпр≥4Rl (15.3)

Оптимальное распределение сопротивлений системы должно составить:

магистралей до 5% →

стояка до 15% →

прибора с шайбой > 80—95%'

Например, общее сопротивление бифилярной системы панельного отопления дома серии 1—464А—15 равно 1600 мм вод. ст. Сопротивление магистралей (подающей и обратной) — 100,2 мм вод. ст., то есть

Таким образом, система является гидравлически устойчивой и горизонтальной неравномерности при значительных изменениях расхода воды не подвергается.

Приведенные соображения позволяют сделать вывод о том, что гидравлическую устойчивость системы можно характеризовать отношением сопротивления нагревательных элементов— стояков к сопротивлению подающей и обратной магистралей.

Это отношение — безразмерное число — следует назвать критерием гидравлической устойчивости системы отопления.

Математически критерий гидравлической устойчивости выражается формулой:

(15.4)

где Г—критерий гидравлической устойчивости;

p1—р2 = (Rl+Z)приб.—сопротивление нагревательного элемента прибора;

∑∆p1 = (Rl+Z)под. маг.—сопротивление подающей магистрали;

∑∆p2 = (Rl+Z)обр. маг.—сопротивление обратной магистрали.

Критерий гидравлической устойчивости системы, приведенной на рис. 15.2, б, составит:

На основании натурных испытаний и анализа расчетов, проведенных кафедрой ТГСиВ Челябинского политехнического института, можно сделать выводы:

1. Системы, имеющие критерий гидравлической устойчивости" Г = 20 и более, следует считать устойчивыми, то есть такими, которые позволяют производить глубокое количественное управление мощностью приборов системы.

2. Горизонтальные системы легче выполнять с Г > 20, чем вертикальные. С увеличением длины здания (протяженности системы) p1—p2 увеличивается в горизонтальной системе больше, чем ∑∆p1+∑∆p2 и Г возрастает, а у вертикальных систем с увеличением длины здания p1—p2 повышается меньше, чем величина ∑∆p1+∑∆p2, и критерий гидравлической устойчивости уменьшается. Следовательно, для автоматически управляемых систем отопления, основанных на количественном управлении, предпочтительнее применять горизонтальные системы.

3. В системах отопления, гидравлически устойчивых, оптимальные размеры диаметров труб магистралей и стояков достигаются при заданном сопротивлении нагревательных элементов, стояков p1—р2 в пределах от 4000 до 8000 мм вод. ст. в зависимости от протяженности системы.

Конструктивно оформить магистрали с небольшим относительным гидравлическим сопротивлением целесообразно путем выполнения всех их из труб одного диаметра, что, кроме того, обеспечивает системе высокую технологичность.

Гидравлическую устойчивость системы отопления, исключающую горизонтальную неустойчивость, можно на основании изложенного обеспечить за счет введения перед прибором в двухтрубной системе и в стояке однотрубной системы расчетного местного сопротивления. Это сопротивление конструктивно выполняется в виде шайбы с калиброванным отверстием. 0на может быть установлена в корпусе вентиля — кране АКХ (кран В. К. Дюскина).

На горизонтальную неустойчивость может оказать влияние остывание воды в магистралях. При недостаточной теплоизоляции подающих магистралей вода охлаждается, и в стояки, наиболее удаленные, она поступает с более низкой температурой, чем в предыдущие. Как следствие, приборы, наиболее удаленные от генератора, могут за счет пониженной температуры воды иметь меньшую тепловую мощность.

В подающей магистрали, проложенной под полом первого этажа, остывание воды меньшее и расстояние по циркуляционному контуру до наиболее удаленных приборов, в сравнении с верхней разводящей магистралью, сокращается. При всех равных условиях предпочтение следует отдавать нижней прокладке подающей магистрали и выполнять ее усиленную теплоизоляцию.

15.3. ВЕРТИКАЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ВОДЯНОЙ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

В двухтрубных системах отопления вертикальную неустойчивость нельзя устранить лишь одним конструктивным решением системы отопления. С изменением наружной температуры воздуха изменяется и гравитационное давление в системе, а величина расчетного местного сопротивления (диаметр шайбы) остается постоянной. В результате соотношение между давлениями — насосным и гравитационным — меняется. Сохранение соотношения между давлением, создаваемым насосом, и гравитационным осуществимо только путем изменения количества циркулирующей воды. Следовательно, обеспечить вертикальную устойчивость системы можно ничем иным, как ее переменным гидравлическим режимом, в зависимости от изменения наружной температуры воздуха, ветра и солнечной радиации.

В однотрубных системах отопления вертикальная неустойчивость, также не может быть устранена конструктивными мерами, поскольку с изменением температуры наружного воздуха изменяется температурный напор и коэффициент теплопередачи нагревательных приборов, а поверхность их остается постоянной. Сохранить соотношение тепловой мощности нагревательных приборов можно только за счет изменения количества циркулирующей воды, то есть переменным гидравлическим режимом системы отопления в зависимости от изменения внешних условий.

Следует иметь в виду, что температурный режим многоэтажного здания в значительной мере зависит не только от вертикальной тепловой неустойчивости системы отопления, но и от работы систем вентиляции, Необходимо четко разграничивать эти два фактора, влияющие на температуру внутреннего воздуха в помещениях разных этажей.

Наличие в современных многоэтажных жилых домах вертикальных каналов для гравитационной вентиляции кухонь и санитарных узлов, работающих в неуправляемом режиме, может привести к разности температур в несколько градусов в помещениях первого и последнего этажа, даже и при исправной системе отопления. Устранение различного влияния воздухообмена на температуру в помещениях разных этажей возможно за счет применения поэтажных автоматически управляемых систем отопления. Кроме того, эти вопросы должны решаться на основе конструктивных мероприятий. К ним, в первую очередь, следует отнести герметизацию входных дверей, окон, междуэтажных перекрытий и упорядочение работы вентиляции.

Гидравлическая и тепловая устойчивость различных систем отопления

Расчет любой системы отопления и определение количества циркулирующей в ней воды производится для режима максимальной тепловой нагрузки. Однако в связи с изменением внешних условий, тепловая нагрузка системы меняется и расчетный тепловой режим неизбежно нарушается.

Способность системы отопления сохранять постоянство расхода воды на каждом из се участков при нарушении расчетного режима или пропорционально изменять расход на всех участках при изменении общего расхода называют гидравлической устойчивостью системы.

При необходимости изменения теплового режима системы производят качественное регулирование, изменяя параметры теплоносителя при сохранении его количества.

Способность системы к пропорциональному изменению теплоотдачи всех отопительных приборов при изменении параметров теплоносителя называют се тепловой устойчивостью.

Наиболее эффективна система, обладающая как тепловой, так и гидравлической устойчивостью.

Показателем гидравлической устойчивости системы служит отношение расхода на любом из участков системы при переменном режиме к расчетному расходу. Для гидравлически устойчивых систем этот показатель равен единице, а для систем, не обладающих гидравлической устойчивостью, он может быть больше или меньше единицы либо равен нулю, что будет означать полное прекращение циркуляции.

Тепловая и гидравлическая устойчивость систем зависит от их конструктивных особенностей и от способа регулирования их тепловой мощности. Оптимальным режимом работы систем считается такой, при котором обеспечивается теплоотдача приборов, соответствующая расчетной или пропорциональная ей. Отклонения от оптимального режима называют разрегулировкой системы. Различают вертикальную разрегулировку, характеризуемую неравномерностью теплоотдачи отопительных приборов по этажам, и горизонтальную — при неравномерной теплоотдаче приборов в пределах одного этажа.

Разрегулировка систем отопления может возникать при периодическом отклонении приборов, стояков вследствие особенностей режима отопления помещений или ремонта, дросселирования приборов при индивидуальном регулировании, а также при нарушении теплоизоляции труб, засорении отдельных участков, завоздушивании системы и ряде других причин.

Наиболее устойчивыми в работе являются системы отопления с естественной циркуляцией, обладающие способностью саморегулирования. Действующее давление в этих системах зависит от высоты расположения прибора над генератором тепла и разности плотностей горячей и обратной воды. Количество воды, циркулирующей в таких системах, изменяется в зависимости от величины разности давлений в том или ином циркуляционном кольце. Если в какой-либо из приборов поступает недостаточное количество воды, то остывание ее будет большим, естественное давление в этом кольце увеличится, что повлечет за собой увеличение количества циркулирующей воды. Такое явление может быть и обратным.

В двухтрубных системах всегда возможно отставание в прогреве приборов нижних этажей, давление в циркуляционных кольцах которых всегда меньше, чем в кольцах приборов верхних этажей.

Устранение этого недостатка возможно при тщательном расчете системы с применением для верхних этажей регулировочных кранов повышенного сопротивления.

Стояк однотрубной вертикальной системы можно рассматривать как общий прибор, так как вода проходит через приборы последовательно и действующее естественное давление для всего стояка является как бы средним от величин давлений каждого из приборов. Поэтому при тщательном расчете однотрубной вертикальной системы с естественной циркуляцией теплоносителя она будет обладать такою же способностью к саморегулированию, как и система двухтрубная.

Иное положение наблюдается в системах с искусственной циркуляцией теплоносителя. В этих системах искусственное давление, создаваемое насосом, постоянно, а величина естественного давления зависит от температуры теплоносителя.

Наличие естественного давления в системах с искусственной циркуляцией, режим которых изменяется по графику качественного регулирования, приводит хотя и к небольшому, но количественно-качественному регулированию (рис. 15.2). На рис. 15.2 совмещены характеристики насоса, системы отопления и естественного давления.

Для систем отопления с собственной котельной или систем, присоединенных к тепловым сетям по независимой схеме, прирост количества циркулирующей воды W, хотя и в небольшой степени, но сказывается на их работе. В системах же с элеватором, имеющим постоянный коэффициент подмешивания, естественное давление на изменение расхода воды влияния не оказывает, так как оно не сопоставимо с давлением, развиваемым сетевыми насосами.

Из практики проектирования известно и видно на примерах, приведенных в предыдущих главах, что в двухтрубных системах

почти всегда остаются непогашенными давления в кольцах приборов верхних этажей. Эти невязки давлений особо ощутимы в системах с верхней разводкой и тупиковым движением теплоносителя, и бывают тем больше, чем меньше нагрузка стояка. Это значит, что в двухтрубной системе из-за отсутствия труб малых диаметров и Соответствующей регулировочной арматуры повышенного сопротивления уже в самом проекте заложена возможность вертикальной разрегулировки ее, увеличивающаяся после монтажа и пуска системы вследствие отклонения действительной величины естественного давления от расчетной.

В двухтрубных системах с тупиковым движением теплоносителя вследствие трудности увязки дальних и ближних циркуляционных колец появляется и горизонтальная разрегулировка, усугубляющаяся переменностью естественного давления.

В двухтрубных системах с попутным движением воды устранение горизонтальной разрегулировки может быть достигнуто тщательным расчетом, но и в этих системах от вертикальной разрегулировки избавиться почти не удается.

При использовании кранов, устанавливаемых у приборов, как горизонтальную, так и вертикальную разрегулировку можно устранить, но это оказывается возможным только для определенного режима работы системы. При переходе на другой режим изменяющееся естественное давление снова нарушает четкость работы системы.

Переменность естественного давления сказывается и на устойчивости работы однотрубных систем, но в значительно меньшей степени. Гидравлическая устойчивость однотрубных систем повышается с увеличением этажности здания.

В результате теоретического анализа и практической проверки работы различных систем отопления установлено следующее:

а) системы с попутным движением воды по сравнению с тупиковым имеют большую гидравлическую устойчивость;

б) из числа систем с тупиковым движением теплоносителя лучшую гидравлическую устойчивость имеют системы с большим количеством веток;

в) тепловая устойчивость двухтрубных систем отопления с нижней разводкой выше тепловой устойчивости систем с верхней разводкой, а однотрубные системы по устойчивости работы при переменных режимах более совершенны, чем системы двухтрубные.

Анализ устойчивости работы систем отопления с искусственной циркуляцией относительно горизонтальных разрегулировок при переменных режимах удобно производить, используя предложенный проф. П. Н. Каменевым метод перемещения единицы расхода.

Лекция 16

Энергоресурсрсберегающие системы отопления

Высокотемпературная вода– вода, температура которой составляет более 105°С.

Низкопотенциальное тепло– теплоноситель с температурой ниже 50°С

Тепловой насос– установка, использующая тепло низкопотенциального теплоносителя, путём повышения его температуры до экономически целесообразной для системы отопления.

Перепад температур теплоносителя – Расчётная разность температур теплоносителя в горячем и охлаждённом трубопроводе

Промежуточный теплоноситель – Теплоноситель, передающий тепло от высокотемпературной воды к низкотемпературной.

Содержание

16.1 Системы отопления с использованием высокотемпературной воды

16.2 Системы отопления с использованием низкопотенциального тепла

16.1 Системы отопления с использованием высокотемпературной воды

Использование высокотемпературной воды (Т1> I05°C) в системах отопления значительно снижает металлоемкость и стоимость (в среднем на 20-30%). Причем металлоемкость отдельных приборов снижается за счет сокращения требуемой поверхности нагрева в связи с повышением температуры воды в отопительных приборах, а экономия металла на трубопроводах достигается за счет уменьшения их диаметра в связи с сокращением количества циркулирующей воды в системе отопления. Однако использование высокотемпературной воды в указанных ранее системах отопления возможны только при отоплении промышленных и некоторых других зданий, где допускается повышенная температура поверхности отопительных приборов (более 90°С. В остальных системах высокотемпературная вода непосредственно не используется. В этом случае ее применяют по схеме присоединения к тепловой сети с элеватором или смесительным насосом. Поэтому с целью удешевления и снижения металлоемкости систем отопления жилых и общественных зданий разработан ряд децентрализованных систем отопления, позволяющих использовать высокотемпературную воду непосредственно в системе отопления при сохранении температуры поверхности отопительных приборов на уровне, допустимом по санитарно-техническим требованиям.

Указанные системы отопления по способу использования высокотемпературной воды можно подразделить на такие группы:

- с непосредственным использованием высокотемпературной воды (зависимая схема);

- при децентрализованном смешении в отопительных приборах, стояках или определенных местах магистральных теплопроводов,

- с одинаковым (пониженным) или разным температурным перепадом в отдельных частях системы отопления;

- при децентрализованном нагреве в поверхностных водонагревателях и на магистральных теплопроводах;

- с нагревом промежуточного теплоносителя в отопительных приборах по независимой схеме.

Б.Н.Лобаевым предложена однотрубная система отопления с нижней прокладкой распределительной магистрали (TI =150°С) и децентрализованным смешением воды в основании стояков с помощью микроэлеваторов. Несмотря на усложнение эксплуатации, установка микроэлеваторов обеспечивает получение давления, достаточного для нормальной работы стояков и экономию металла на магистральном трубопроводе.

Л.И. Рохлецовым также разработана схема однотрубной системы отопления с нижней прокладкой магистралей при непосредственном присоединении к тепловой сети и децентрализованном смешении воды в определенных местах распределительной магистрали. Такая система отопления состоит из нескольких последовательно соединенных групп П-образных стояков (рис.16.1). Количество групп стояков в каждой подгруппе, расходы воды в них и диаметры отверстий дроссельных шайб на перемычках определяются в результате теплового и количественного баланса теплоносителя и гидравлического расчета системы. Эта система может быть рекомендована также в тех случаях, когда перепад давлений на вводе тепловой сети в здание не может обеспечить работу элеватора

Стоимость описанной системы отопления и расход металла по сравнению с обычными однотрубными системами с П-образными стояками уменшается в среднем на 20%.

Рис 16.1 Безэлеваторная система отопления с попутным подмешиванием высокотемпературной воды в определенных местах распределительной магистрали:

1 — ввод тепловой сети; 2 — воздухонагреватели лестничных клеток, 3—6 — стояки соответственно. первой, второй, третьей и четвертой подсистем, 7 — диафрагма

К группе систем отопления, работающих при повышенной средней температуре воды в приборах, относится система отопления с двумя перепадами температур теплоносителя по кольцам системы. Состоит такая система из двух взаимосвязанных частей, работающих параллельно от одного элеваторного узла (рис.16.2). После элеватора в первую часть системы вода поступает с температурой 95 или 105°С (в зависимости принятой схемы расположения магистралей) и, охлаждаясь до температуры 80 или 85°С, полностью возвращается в элеватор для подмешивания к высокотемпературной воде. Во второй части системы горячая вода после охлаждения в отопительных приборах до требуемой температуры (70°С), минуя элеватор, возвращается в тепловую сеть.

Рис. 16.2 Схема отопления с двумя перепадами температур по кольцам системы.

Системы отопления с двумя перепадами температур с экономической точки зрения рекомендуется проектировать в жилых зданиях высотой до 7 этажей однотрубными с нижней прокладкой обеих магистралей, а в зданиях от 7 до 12 этажей – с верхней прокладкой распределительной магистрали (ТI=95 °С). При этом перепад температур в первой части системы следует принимать в зависимости от способа прокладки магистралей и располагаемой разности давления на вводе тепловой сети.

Согласно расчётам, применение системы отопления с двумя перепадами температур, позволяет уменьшить массу отопительных приборов на 6-10% за счет увеличения теплоотдачи при более высоких температурах циркулирующего теплоносителя.

В ряде случаев планировка общественных зданий, а также производственных с неодинаковыми технологическими процессами в разных частях здания, позволяет использовать теплоноситель в одних помещениях с повышенной температурой (130-150 °С), а в других с более низкой (95-115). Для таких зданий рекомендуется использовать особый вид системы отопления – системы, последовательно соединенные по теплоносителю, в которых вода с повышенной температурой в первую очередь пропускается через отопительные системы помещений, где по нормам это допускается, а затем уже охлажденный теплоноситель направляется в отопительные приборы помещений, для которых ограничена температура теплоносителя. Такие единые для всего здания системы отопления имеют меньшую металлоемкость трубопроводов и отопительных приборов по сравнению с двумя раздельными системами.

Принципиальные схемы последовательно присоединенных систем отопления:

а – вертикальная система с высокотемпературной (I) и низкотемпературной частями (II);

б – с вертикальной высокотемпературной и горизонтальной низкотемпературной частями.

Принципиальные схемы горизонтальных систем отопления с последовательно соединенными ветвями:

а – разных этажей; б – на одном этаже.

На рис. 13 и 14 приведены принципиальные схемы систем отопления с последовательным соединением по теплоносителю в зависимости от расположения помещений, допускающих различную температуру теплоносителя: а) для случая расположения таких помещений по вертикали в разных частях здания; б) для случая поэтажной планировки этих помещений.

Кроме приведенной выше системы с непосредственным использованием высокотемпературной воды разработаны также системы отопления с децентральным нагревом высокотемпературной водой промежуточного теплоносителя в отопительных приборах по независимой схеме. (Рис. 16.3)

Рис. 16.3 Отопительная панель с промежуточным теплоносителем.

В этом случае змеевик с высокотемпературной водой, включенный в однотрубную проточно-регулируемую систему отопления, вводится в безнапорный отопительный прибор с промежуточным теплоносителем (водой, маслом или другой жидкостью), нагревая его до требуемой температуры. В качестве таких приборов могут использоваться керамические или ситаловые блоки с отверстиями в верхней части для ввода змеевика или более совершенные стальные закрытые штампованные радиаторы со змеевиком, введенным сбоку. В системах отопления с керамическими блоками высокотемпературная вода может иметь температуру 110-70°С, в системах отопления со стальными радиаторами, заполненными минеральным маслом, 130-70°с. При этом температура поверхности приборов не превышает 95°С. Кроме того, при использовании керамических блоков испаряющаяся вода дополнительно увлажняет воздух в помещениях.

16.2 Системы отопления с использованием низкопотенциального тепла.

В настоящее время в связи с постоянным повышением цен на энергоносители всё большую популярность занимают системы отопления с использованием низкопотенциального тепла.

К низкопотенциальным источникам тепла относят теплоносители с температурой до 50 °С. Тепло таких источников непосредственно использоваться в системе отопления не может из-за маленького температурного напора. Кроме того, они могут иметь различные примеси. При очистке от которых произойдёт ещё большее снижение их потенциала.

К таким источникам относятся: вода и воздух, охлаждающие промышленное оборудование, уходящий вентиляционный воздух, геотермальная вода, морская вода, солнечная энергия и другие. Повышение их потенциала производится в специальных установках - тепловых насосах.

Рассмотрим устройство и принцип работы системы отопления с тепловым насосом, которая использует тепло морской воды температура которой в холодный период времени года составляет 5 - 10°С Эта установка (рис.16.4) была построена в Крыму в семидесятых годах прошлого века для отопления пансионата Дружба

Рис 16.4 Принципиальная схема системы отопления, утилизирующая тепло Чёрного моря, с применением теплового насоса.

I. Контур с водой для системы отопления с параметрами Т1=45°С и Т2=30°С

II. Контур с жидкостью имеющей низкую температуру кипения – раствор этилен-гликоля

1 система отопления. 2 циркуляционный насос, 3 теплообменник-конденсатор, 4 теплообменник-испаритель 5 терморегулирующее устройство, 6 компрессор.

Принцип работы:

Морская вода в большом количестве поступает в рекуперативный теплообменник-испаритель, в котором отдаёт тепло раствору этилен- гликоля, имеющего температуру кипения ниже 0°С. Раствор этилен-гликоля вскипает. Но температура паров равна температуре кипения – ниже 0°С. Пары поступают в компрессор, в котором повышаются их давление и температура до 50°С. После компрессора пары этилен-гликоля с повышенной температурой поступают в теплообменник-конденсатор. В котором конденсируются и нагревают воду для системы отопления.

Основной характеристикой теплового насоса является коэффициент трасформации

К =Nп/Nз, (16.1)

где: Nп – полезная полученная мощность;

Nз – затраченная мощность.

Коэффициент трансформации вышеприведенной установки составлял около 2,3. В настоящее время разработаны тепловые насосы с коэффициентом трансформации более 5.

Теплонасосные установки в настоящее время находят всё более широкое применение в различных сферах.

Одним из эффективных энергосберегающих способов, дающих возможность экономить органическое топливо, снижать загрязнение окружающей среды, удовлетворять нужды потребителей в технологическом тепле,является применение теплонасосных технологий производства теплоты.

Тепловой насос представляет собой установку, преобразующую низкопотенциальную возобновляемую энергию естественных источников теплоты и/или низкотемпературных ВЭР в энергию более высокого потенциала, пригодную для практического использования.

В качестве источников низкопотенциальной теплоты используются атмосферный воздух или различные вентиляционные выбросы, вода естественных водоёмов и сбросные воды систем охлаждения промышленного оборудования, сточные воды систем аэрации, грунт.

Сведения о некоторых ИНТ

ИНТ	Среда промежуточного контура	Температура источника, °С
Грунтовые воды	вода	8...15
Грунт	антифриз	2...10
Вода с водозабора	вода	6...10
Речная вода	антифриз	1...10
Канализационные стоки	вода	10...17
Окружающий воздух	воздух	-8...15
Вытяжной воздух	воздух	18...25

Потребителями энергии повышенного потенциала являются системы отопления и горячего водоснабжения жилых, административных, социальных и промышленных зданий, системы поддержания оптимального микроклимата в спортивных и киноконцертных комплексах, бассейнах, животноводческих помещениях, технологические промышленные процессы сушки, разделения веществ, дистилляции и другие.

Поскольку направление передачи энергии в ТН противоположно естественному направлению перетекания теплоты от горячего тела к холодному, то такое преобразование, согласно Второму Закону Термодинамики, возможно лишь в обратном термодинамическом цикле за счет подвода некоторого количества энергии извне в виде механической или электрической.

Энергетическая эффективность преобразования энергии в тепловом насосе оценивается коэффициентом преобразования энергии (СОР), равным отношению энергии, переданной потребителю, к энергии, затраченной для реализации цикла:

СОР = Q_к / N_эл

Следует заметить, что величина СОР, в силу Первого Закона Термодинамики, всегда больше единицы, так как количество энергии, переданной потребителю теплоты, оказывается больше величины подведенной внешней энергии на величину энергии, отобранной от низкопотенциального источника. Величина СОР зависит от целого ряда факторов, но, прежде всего, от разности температур источника и приёмника теплоты.

Условиями рационального применения ТН является удачное сочетание параметров источника теплоты низкого потенциала (ИНП) достаточной энергоёмкости и требуемых параметров теплоты у потребителя. Например, для современной системы напольного отопления достаточны температуры теплоносителя 30-350С, применение фанкойлов в качестве отопительных приборов позволяет использовать уровень температур 45-600С, тогда как для традиционной системы отопления с радиаторами температура теплоносителя должна быть не менее 70-900С. Особенно выгодно применение ТН при одновременном использовании тепла и холода, что успешно реализуется в ряде технологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве, системах кондиционирования воздуха и др.

Основными достоинствами применения теплонасосных технологий преобразования теплоты являются:

· высокая энергетическая эффективность,

· экологическая чистота,

· надежность,

· комбинированное производство теплоты и холода в единой установке,

· мобильность,

· универсальность по тепловой мощности,

· универсальность по виду используемой низкопотенциальной энергии,

· полная автоматизация работы установки.

Говоря о достоинствах получения тепловой энергии с помощью ТН, нельзя поддаваться соблазнительному выводу об их абсолютной применимости. Необходимо тщательно оценивать целесообразность использования ТНУ в сравнении с традиционными, альтернативными видами энергоисточников, базируясь на следующих факторах:

Фактор термодинамический: реализуемый цикл, температура НПИТ и температура теплоносителя потребителя теплоты, свойств рабочего тела.

Фактор конструктивный: тип компрессора, тип теплообменников, их технические характеристики, схемное решение установки.

Фактор экономический: уровень цен на электроэнергию и замещаемое топливо, цены на применяемое оборудование и его монтаж и наладку, цены на систему автоматизации.

Фактор экологический: отсутствие процесса сжигания топлива в цикле ТН, уменьшение выбросов СО2 за счет вытеснения части потребного топлива при высокой энергетической эффективности установки.

Фактор социальный: улучшение условий труда и жизни населения.

Областями наиболее рационального внедрения являются:

применение тепловых насосов «воздух-воздух», «воздух-вода», «вода-вода», «грунт-вода» в жилищно-коммунальном секторе для горячего водоснабжения и отопления зданий по моновалентной, бивалентной и моноэнергетической схемам тепловой мощностью 5-30 кВт; наиболее привлекательным для внедрения реверсивных ТН «воздух-воздух» является регионы юга Украины и Крымский полуостров, а также объекты, где имеются достаточные объёмы сбросного вентиляционного воздуха;
привлекательно так же комбинированное отопление в холодный период и кондиционирование в жаркое время помещений на базе ТНУ;
применение ТНУ в системах создания оптимального микроклимата в крупных общественных зданиях, спортивных и киноконцертных комплексах, крытых бассейнах, где наряду с проблемами термостатирования и утилизации теплоты сбросных воздушных и водяных потоков создаются условия, исключающие условия конденсации влаги на металлических и железобетонных строительных конструкциях, провоцирующие их коррозию и разрушение;
автоматизированные комплексные системы на базе ТНУ и теплообменников-рекуператоров для поддержания оптимального микроклимата в животноводческих помещениях, свинарниках, птичниках, инкубаторах и других объектах агропромышленного комплекса;
применение тепловых насосов в различных технологических процессах промышленности и сельского хозяйства (сушка продуктов, материалов, сырья, дистилляция, осушение помещений и др.);
с помощью крупномасштабных ТНУ (тепловой мощностью до 20-30 Гкал/ч)можно рассмотреть вопросы их применения в энергетике (утилизация сбросной теплоты циркуляционной воды после конденсатора турбины и возможные варианты передачи её в теплосеть).

Теплонасосная технология преобразования низкопотенциальной природной энергии или теплоты вторичных низкотемпературных энергоресурсов в высокопотенциальную тепловую энергию, пригодную для практического использования, представляет собой не очередную модернизацию традиционных энергоисточников, а внедрение нового, прогрессивного, высокоэффективного и экологически чистого способа получения теплоты. При этом теплонасосные установки (ТНУ) многофункциональны (одновременно производят теплоту и холод), мобильны, относительно просты в изготовлении и в эксплуатации и легко поддаются автоматизации.

Принцип действия теплового насоса

1. Охлажденный теплоноситель, проходя по внешниму трубопроводу нагревается на несколько градусов

2. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладоагентом. Хладоагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре -5°С.

3. Из испарителя газообразный хладоагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры.

4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладоагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5. При прохождении хладоагента через редукционный клапан давление понижается, хладоген попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

Виды источников энергии

Скважина При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину. Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение: на 1 метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 200-170 метров.

Земляной контур. При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину промерзания грунта (выбирается для конкретного региона. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами – 0,8..1,2 м. Специальной подготовки почвы, засыпок и т.п. не требуется. Предпочтения к грунту – желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20..30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 500..333 метра. Для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 600-400 кв. метров соответственно. При правильном расчете контур, уложенный в землю, не оказывает влияния на садовые насаждения, и участок может использоваться для выращивания культур точно также, как и при отсутствии внешнего коллектора.

Озеро. При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего водоема, реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения: короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом. Главное условие - водоем должен быть проточным и достаточным по размерам. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 333 метра. Для того, чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр трубопровода устанавливается около 5 кг груза.

Воздушный контур. Вместо того, чтобы извлекать энергию из скважин, земли или водоема теплонасосная установка Thermia Atria собирает энергию из окружающего воздуха. Если возможности разместить земляной коллектор нет, данная модель теплонасосной установки является наилучшим выбором. Точно так же как и обычные теплонасосные установки, Atria дает тепло и горячую воду в дом и сокращает потребление энергии до 75%. Однако, в силу технических причин, теплонасосные установки с воздушным контуром имеют серьезное ограничение в применении: минимальная температура наружного воздуха -20градусов Цельсия. Причем, начиная с температуры наружного воздуха -10градусов, установка ступенями подключает электрические ТЭНы, т.к. коэффициент преобразования (КПД теплового насоса) снижается. И, таким образом, при температуре -20градусов и ниже, по сути, работает только электрический нагрев.

Лекция 17.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: