О проектировании современных систем отопления в многоэтажных зданиях жилого и общественного назначения
В. Н. Карпов, главный специалист АО «Моспроект», ведущий специалист по проектированию систем отопления
Действующие в настоящее время строительные нормы требуют установки у нагревательных приборов систем отопления термостатических клапанов, которые автоматически поддерживают в помещении постоянную, заданную потребителем, температуру. Это экономит до 20 % тепла за счет использования теплопоступлений от солнечной радиации, бытовых и производственных тепловыделений. В связи с тем, что различные нормативные документы по-разному трактуют необходимость установки термостатов (СНиП 41–01–2003 п. 6.5.13 – «как правило», МГСН 3.01–01 п. 5.36 – всегда), современными системами можно условно назвать системы, оснащенные термостатами.
Наиболее широкое применение в гражданском строительстве Москвы нашли три типа водяных систем отопления: вертикальные однотрубные, вертикальные двухтрубные и горизонтальные двухтрубные поквартирные системы. Все эти типы систем широко применяются при проектировании в нашей организации. Анализ многолетней работы этих систем в специфических условиях Москвы показывает, что каждая из этих систем обладает как своими достоинствами, так и своими, иногда неприемлемыми, недостатками. В тех или иных условиях строительства и эксплуатации диктующими становятся различные достоинства или недостатки систем.
Вертикальные однотрубные системы
В инженерном сообществе сложились некоторые мифы. Один из них – вертикально-однотрубная система устарела, не отвечает современным требованиям, ее проектирование нужно если не прекратить, то максимально ограничить.
На самом деле это совершенно не так. Однотрубная система обладает такими достоинствами, которые в наших обычных условиях эксплуатации зданий выдвигают ее на первое место.
Главное из достоинств заключается в том, что эта система гораздо более надежна, чем двухтрубная.
В узле обвязки нагревательного прибора (рис. 1) теплоноситель разветвляется на два потока. Один затекает в прибор, другой проходит по замыкающему участку, минуя его. Конструкция термостата создается таким образом, чтобы обеспечить максимальное количество теплоносителя в первом потоке. Для этого отверстие для прохода воды и диаметр плунжера делается максимальным. Термостат (в отличие от двухтрубной системы) практически не засоряется, если качество теплоносителя далеко от идеала. При несанкционированной замене отопительных приборов (чем часто грешат наши граждане) изъятие термостата не приводит к таким катастрофическим последствиям, как в двухтрубных системах. В журнале «Энерго-сбережение», № 6, 2004 наш киевский коллега В. Ф. Гершкович очень правильно описал картину, к чему приводит такая замена, – происходит «короткое замыкание», дезорганизующее всю работу системы.
Обвязка нагревательного прибора
Существуют и другие преимущества однотрубных систем: меньшая стоимость, большая простота заготовок, возможность унификации деталей системы, легкость монтажа и т. п., что в настоящее время не так актуально, но тоже имеет свое значение.
Обладают эти системы и недостатками. Основной из них – это то, что в том случае, если помещение перегрето и термостат закрылся, теплоноситель минует отопительный прибор не остывая. В этом смысле можно сказать, что однотрубная система не экономит, а не дает перерасходовать тепло. В течение отопительного сезона существуют такие периоды, когда температура на улице 18–20 °С, а система отопления работает потому, что завтра будет опять –5 °С и отключать систему нецелесообразно. Можно назвать такой режим режимом минимум. При этом режиме все термостаты могут быть закрыты, а теплоноситель из подающей линии перетекает в обратную, почти не остывая. Это крайне нежелательное явление, если источником теплоснабжения является ТЭЦ. Отсутствие массовых нареканий на это со стороны теплоснабжающих организаций при том, что в Москве построены тысячи однотрубных систем отопления с термостатами (все типовые жилые дома последнего времени), можно объяснить только тем, что эти явления краткосрочны и происходят при относительно высоких наружных температурах. К тому же, обратный теплоноситель прежде, чем вернуться в теплосеть, как правило, проходит предварительное охлаждение в первой ступени подогрева системы горячего водоснабжения.
Необходимо сказать, что зона применения вертикально-однотрубных систем отопления с термостатами ограничивается минимальным количеством этажей в стояке. Например, при количестве этажестояков меньше 7 температура воды, выходящей из последних приборов, снижается в расчетном режиме до 18–20 °С, что недопустимо. Объясняется это тем, что в домах, запроектированных в соответствии со вторым этапом энергозащищенности, теплопотери пониженные и, соответственно, расход теплоносителя в стояке также небольшой. При коэффициенте затекания теплоносителя в прибор 0,2–0,3 и малом количестве воды в стояке количество теплоносителя, затекающего в прибор, становится неприлично малым и вода остывает до указанных температур. В нашей практике мы рекомендуем не применять однотрубные системы при количестве приборов в стояке меньше 9–10. Максимальное количество приборов в стояке равно 25 (объясняется это возможностями программ для ЭВМ).
Еще одной особенностью однотрубных систем является то, что расход теплоносителя в системе мало зависит от степени открытия термостатов. Если в режиме максимум (все термостаты открыты) расход воды по стояку принять за 100 %, то расход по замыкающим участкам может быть 80 %. В режиме минимум (все термостаты закрыты) расход воды по замыкающим участкам несколько увеличится и общий расход по системе может достигать 90 %. С достаточной степенью правдоподобия можно сказать, что расход воды в однотрубных системах – величина постоянная.
Этот факт влияет на балансировку стояков в системе.
В некоторых случаях (например, при расчете системы методом постоянных перепадов температур на стояках) расчетный перепад давлений на стояках не соответствует расчетным располагаемым напорам в местах расположения этих стояков. При этом в стояк будет поступать количество теплоносителя, отличное от расчетного. Это приводит к перегреву или недогреву помещений. Такая же ситуация может иметь место, если сопротивление трубопроводов при монтаже или реконструкции системы будет отличаться от расчетного. Для уравнивания фактического количества теплоносителя в стояке с расчетным на стояках устанавливаются балансировочные клапаны (БК).
Факт постоянства расхода теплоносителя в стояке влияет на тип БК.
В качестве балансировочных в этих системах могут устанавливаться или клапаны типа регулируемой диафрагмы с ручным управлением, или автоматические клапаны типа регуляторов постоянства расхода. Нужно иметь в виду, что БК создают дополнительную потерю давления в системе в размере 15–20 кПа.
Здесь уместно поговорить о другом мифе – в системах отопления обязательно должны устанавливаться БК. Дело в том, что в Москве успешно работают многие тысячи вертикально-однотрубных систем, в том числе и с термостатами, без всяких БК.
Объяснение этому простое: эти системы рассчитаны методом переменных перепадов температур на стояках. При этом методе по выбранным диаметрам трубопроводов системы рассчитываются фактические (действительные) расходы теплоносителя в стояках, гидравлическая увязка стояков при этом равна 100 %. Это при правильном теплоснабжении здания приводит к соответствию теплопроизводительности нагревательных приборов теплопотерям помещений, системы в своей массе работают без нареканий. Большинство жалоб, связанных с недогревами помещений, объясняются неправильным распределением теплоносителя между системами (ближайший дом к ЦТП перегрет, дальний – недогрет). Многолетняя практика эксплуатации типовых зданий в Москве подтверждает все вышесказанное.
Вертикальные двухтрубные системы
В западном мире наибольшее распространение получили не однотрубные, а двухтрубные системы отопления.
В отличие от однотрубных систем, двухтрубные системы напрямую экономят тепло. В том случае, если помещение перегрето, термостат уменьшает или прекращает доступ теплоносителя в прибор. Если теплоноситель, который не поступил в прибор, попадет в прибор соседнего помещения, то он перегреет это помещение и термостат этого помещения прикроется. Таким образом, излишний теплоноситель из циркуляции исключается. В режиме минимум в двухтрубную систему поступает теплоноситель, циркулирующий только по нерегулируемым стоякам (лестничные клетки, лифтовые холлы, межквартирные коридоры). В этом отношении двухтрубные системы более прогрессивны, чем однотрубные.
На рис. 2 представлен фрагмент двухтрубной системы 25-этажного здания.
Фрагмент вертикальной двухтрубной системы отопления
Для обеспечения необходимой тепловой и гидравлической устойчивости в узлах обвязки нагревательных приборов устанавливаются термостаты, способные сдросселировать значительную потерю давления. Из теории автоматизации известно, что для качественной работы регулирующего органа его авторитет (отношение потери давления в регуляторе к потере давления на регулируемом участке) должен быть в пределах 30–70 %. Таким образом, эта потеря может колебаться от 8–10 кПа на периферии до 25–28 кПа у основания стояка.
Для обеспечения такой потери давления, учитывая, что расчетный расход теплоносителя в приборе может быть небольшим, размер дросселирующего отверстия термостата должен быть очень маленьким. Практически минимальное отверстие в термостатах для двухтрубных систем сравнимо даже не с булавочной головкой, а с булавочным острием. В том случае, если теплоноситель в системе имеет загрязнения, такие отверстия легко засоряются.
Для того чтобы этого не происходило, требуется качественное обслуживание системы, постоянная очистка грязевиков и еще ряд известных мероприятий. В том случае, если заказчик не в состоянии гарантировать такое обслуживание (а также сохранность термостатических клапанов у приборов), применение двухтрубной системы не является оптимальным решением. Поэтому при выборе типа системы отопления мы рекомендуем в первую очередь выяснять, в каких условиях будет эксплуатироваться здание.
При выборе типа термостатов следует обращать внимание, во-первых, на шумовые характеристики термостатов (не зашумит ли термостат при максимальных потерях давления в нем) и, во-вторых, на то, какое количество фиксированных настроек может этот термостат обеспечить. Чем больше это число, тем точнее можно обеспечить распределение теплоносителя по нагревательным приборам.
Вертикально-двухтрубные системы проектируются наиболее часто с нижней прокладкой разводящих магистралей. Объясняется это тем, что из-за разности температур в подающем и обратном стояках возникают значительные гравитационные давления (в 25-этажном доме до 10 кПа). Для приборов различных этажей эти давления различны, чем выше прибор, тем больше гравитационное давление. При нижнем расположении разводящих магистралей дополнительное гравитационное давление используется для преодоления теплоносителем трубопроводов стояка. В этих условиях система работает более равномерно. Однако, если это невозможно, можно проектировать системы и с верхним расположением подающей магистрали. Рекомендуется избегать систем с верхним расположением подающей и обратной магистралей, так как в этом случае трудно исключить засорение нижних приборов, они становятся естественными сборниками шлама.
Для балансировки в основании стояков устанавливаются БК. Однако балансировка системы и тип БК не такие, как в однотрубной системе. Как было сказано выше, расход теплоносителя в двухтрубной системе колеблется от максимума в режиме максимум почти до нуля в режиме минимум. При этом потери давления в трубопроводах и арматуре, имеющей постоянное гидравлическое сопротивление, изменяются и тоже стремятся к нулю. В этих условиях БК должны обеспечивать постоянный перепад давления в месте установки. Поэтому балансировку осуществляют регуляторы постоянства перепада давления. Таким образом, БК в двухтрубной системе не только гидравлически увязывают первый стояк с последним, но и обеспечивают постоянство условий работы всех стояков при различных режимах работы системы. Установка в двухтрубных системах в качестве БК регуляторов с ручным управлением типа регулируемой диафрагмы ошибочна, так как она обеспечивает балансировку системы только в расчетном режиме (режиме максимум). Установка этих регуляторов возможна для некоторой юстировки расходов теплоносителя по стоякам.
Хотелось бы вернуться ко второму мифу про системы отопления – необходимости повсеместной установки БК. Конечно, в том случае, если в разводящих магистралях мы теряем значительный напор, сравнимый с потерей давления в стояках и термостатах (например, 15–20 кПа), установка БК обязательна. Однако, если в разводящих магистралях мы теряем напор незначительный (3–4 кПа), то БК, по нашему мнению, можно не устанавливать.
Дело в том, что в двухтрубной системе разрегулировка наступает из-за изменения потерь давления в нерегулируемых элементах (трубопроводах, задвижках, вентилях и т. п.) при изменениях расхода теплоносителя, а также из-за изменения гравитационного напора. БК, установленные в основании стояка, не в состоянии изменить разбалансировки, возникающие после них (потери в стояках, гравитационный напор), потому что их основная функция – поддерживать постоянный перепад давления после себя, что бы после них ни происходило. Они могут ликвидировать только те разрегулировки, которые возникают до них (в случае установки регулятора постоянства перепада давления в узле ввода – разрегулировки от изменения потери давления в разводящих магистралях).
Установка дорогостоящей арматуры, которая требует дополнительных затрат на наладку и эксплуатацию, для ликвидации разрегулировки в 3 кПа при наличии разрегулировок в 17 и 9 кПа, с которыми мы не способны справиться в принципе, мероприятие довольно странное. Ведь при минимальной потере давления в термостатах, равной 10 кПа, разрегулировка 3 кПа практически не окажет никакого влияния на работу системы. Получить такие небольшие потери давления в разводящих магистралях без значительного завышения диаметров труб вполне реально при проектировании посекционных тупиковых систем отопления.
Зона применения двухтрубных систем отличается от зоны применения однотрубных: стояки двухтрубных системы могут быть и одноэтажными. Ограничение высотности должно быть скорее сверху. Хотя существующие программы для ЭВМ позволяют проектировать и 25-этажные системы, мы рекомендуем ограничивать высотность 17–20 этажами. При уменьшении высоты системы снижаются вертикальные разрегулировки и экономится большее количество тепла.
В заключение хочется предостеречь от ручного расчета двухтрубных систем, так как он достаточно трудоемок. Дело в том, что происходит значительное охлаждение теплоносителя в стояках, если они не изолированы. При 25-этажном стояке температура у последнего прибора снижается на 10–15 °С, и это нужно учитывать наряду с дополнительными теплопоступлениями от труб на первых этажах. Расчет двухтрубной системы не легче, чем расчет однотрубной.
Горизонтальные поквартирные системы
С теплотехнической и гидродинамической точек зрения горизонтальные поквартирные системы отопления оптимальны. Зона их применения – от одного этажа до максимума, который ограничивается прочностью элементов системы или высотой пожарного отсека высотного здания. Эти системы способны экономить наибольшее количество тепла. Такие системы наименее уязвимы в случае несанкционированного изменения или реконструкции. Они обладают несомненными эстетическими достоинствами. Словом, эти системы почти во всем самые лучшие. За исключением одного – они самые дорогие из рассматриваемых систем. Поэтому они применяются в основном в высокодоходных индивидуальных зданиях в том случае, если заказчик дает на это согласие.
На рис. 3 показана принципиальная схема горизонтальной поквартирной системы отопления. Здесь же приведены ориентировочные рекомендуемые потери давления в элементах системы.
Принципиальная схема горизонтальной поквартирной системы отопления:
1 – отопительный прибор;
3 – квартирный узел регулирования и учета (КУРУ);
4 – главный стояк;
5 – квартирная разводка;
6 – циркуляционный насос системы отопления;
7, 8, 9 – регуляторы перепада давления
Теплоноситель приготавливается в ИТП и циркуляционным насосом (6) подается к секционным узлам ввода. На выходе из ИТП при помощи регулятора (8) или другого устройства (например, частотного регулятора) поддерживается постоянство перепада давлений. В том случае, если на выходе из ИТП (в точках А и Б) располагаемый напор больше 130–150 кПа, в узле ввода также устанавливается аналогичный регулятор (9). Стояками теплоноситель подается на этажи. Здесь возможны варианты: через квартирные (КУРУ) или этажные (ЭУРУ) узлы регулирования и учета тепла теплоноситель распределяется по квартирам. Принципиальная схема КУРУ приведена на рис. 4. ЭУРУ отличаются от КУРУ тем, что к ним могут присоединяться все или несколько квартир этажа. КУРУ могут располагаться в квартире (например, в прихожей или в сантехнической шахте) или вне квартир, ЭУРУ – только вне квартир. Расположение УРУ вне квартир предпочтительнее, так как все обслуживание и контроль производится независимо от жильцов.
Квартирный узел регулирования и учета:
1 – отключающие краны;
4 – датчик температуры;
5 – БК (регулятор постоянства перепада давления);
6 – БК (регулируемая диафрагма);
7 – клапаны для замера давления;
8 – штуцеры для замера давления;
9 – воздушный кран;
10 – спускной кран
В КУРУ осуществляется:
– очистка теплоносителя (2);
– учет расхода тепла на отопление (3, 4);
– поддержание постоянства перепада давления на вводе в квартиру (5);
– в том случае, если на нагревательных приборах термостаты сняты, производится дополнительное дросселирование квартирной системы, которое ограничивает максимальный расход теплоносителя (6), отключение системы или ее части (2).
Для возможности настройки КУРУ и проверки его работоспособности служат штуцеры для замера давления (7 и 8).
На рисунке указаны рекомендуемые потери давления для подбора элементов КУРУ. БК (5) подбирается таким образом, чтобы при полном открытии в нем терялось до 5 кПа, однако в расчетном режиме он должен работать в полузакрытом состоянии (чтобы в случае необходимости он мог открыться). При этом потери давления в нем должны быть около 15 кПа.
Кроме очевидных достоинств: независимости, ремонтопригодности, легкости организации поквартирного учета тепла и т. п. – данная система превосходит вертикальную двухтрубную тем, что БК здесь максимально приближен к отопительным приборам и снимает все разрегулировки, которые возникают до него в процессе работы системы (гравитационные напоры, изменения потери давления в стояке). Это не только лучше стабилизирует систему, но и позволяет настраивать термостаты на большие настройки, что приводит к более плавному регулированию и большей экономии тепла. В поквартирных системах установка БК обязательна.
По нашему мнению, горизонтальные поквартирные системы наиболее перспективны в настоящее время.
Автор приносит благодарность В. В. Невскому (ООО «Данфосс») за сведения, использованные при подготовке статьи.
Системы водяного отопления многоэтажных зданий. Технические рекомендации по проектированию
