Системы отопления с использованием высокотемпературной воды

Использование высокотемпературной воды (Т1> I05°C) (13.1) 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 (13.1) 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.13.1). 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 13.1 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 (13.4) по кольцам системы. Состоит такая система из двух взаимосвязанных частей, работающих параллельно от одного элеваторного узла (рис.13.2). 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. 13.2 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. 13.3)

Рис. 13.3 Отопительная панель с промежуточным теплоносителем.(13.5)

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.

13.2 Системы отопления с использованием низкопотенциального тепла. (13.2)

В настоящее время в связи с постоянным повышением цен на энергоносители всё большую популярность занимают системы отопления с использованием низкопотенциального тепла(13.2).

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.13.4) была построена в Крыму в семидесятых годах прошлого века для отопления пансионата Дружба

Рис 13.4 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 , (13.1)

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

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.