АБОНЕНТСКИЙ ВВОД СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
SUBSCRIBER INPUT OF HEAT SUPPLY SYSTEM OF BUILDING

Изобретение относится к области централизованного теплоснабжения и может использоваться в производственных и общественных зданиях, имеющих резко переменную часовую или суточную потребность в теплоте на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения при подаче тепловой энергии в системы по двухтрубным тепловым сетям.
В централизованных системах теплоснабжения как промышленных объектов так и жилых районов, подача теплоты в системы отопления зданий осуществляется по двухтрубным тепловым сетям (ТС) преимущественно методом центрального качественного регулирования по нагрузке отопления. В абонентском вводе здания ее отпуск в инженерные системы осуществляется одновременно на нужды отопления (О), вентиляции (В), горячего водоснабжения (ГВС). Потребление теплоты зданием как в течение суток, так и в течение всего отопительного сезона на нужды О и В зависит от климатических условий, а на нужды ГВС определяется технологическими режимами производств, длительностью рабочих смен предприятий либо характером водопотребления общественного здания, т.е., практически не зависит от колебания температуры наружного воздуха [1].
На ответвлениях двухтрубных ТС в системы отопления (СО), системы вентиляции (СВ) и системы ГВС производственных и общественных зданий в результате резкого колебания потребления теплоты в СВ и ГВС возникают колебания теплового потока, влияющие на гидравлический режим СО.
Колебания потоков теплоты, поступающих в СО здания, происходят в результате колебания перепадов давления, вызванных резко переменным потреблением теплоты в течение суток (недели) СВ. Переменное потребление теплоты в системах вентиляции в течение суток вызвано не только продолжительностью их работы в течение 8…16 часов, но и необходимостью выдерживать постоянную температуру приточного воздуха при суточных (недельных) колебаниях температуры наружного воздуха. Резко переменное теплопотребление зданий вызвано и работой душевых установок промышленных предприятий с залповым потреблением горячей воды по окончании каждой рабочей смены. При этом происходят колебания давления в трубопроводах перед ответвлениями и колебания теплового потока, подаваемого в СО.
Таким образом, резко переменная потребность в теплоте СВ и ГВС влияют на гидравлические режимы СО и определяют несоответствие подачи теплоты в отопительные системы зданий их тепловым потребностям.
Известен абонентский ввод системы теплоснабжения зданий [2], содержащий подающий и обратный трубопроводы, элеватор, задвижки, расположенные до и после элеватора, при этом элеватор установлен параллельно задвижке с электроприводом на подающем трубопроводе и снабжен регулятором температуры, который соединен с датчиками температуры воздуха внутри и снаружи здания и датчиками температуры воды на подающем и обратном трубопроводах, а также электрически связан с электроприводом задвижки на подающем трубопроводе.
Недостатками предлагаемой конструкции абонентского ввода является низкая оперативность управления системой и неэффективность регулирования, т.к. в качестве регулирующего органа применена электрифицированная задвижка, которая является запорной, а не регулирующей арматурой. Также следует отметить, что при резко переменной тепловой нагрузке даже в случае применения вместо электрифицированной задвижки регулирующего клапана недостаточна эффективность регулирования, т.к. при параллельном включении арматуры и элеваторного узла будет наблюдаться нестабильная работа элеватора. Известно, что водоструйный элеватор работает практически при постоянном коэффициенте смешения и при значительной постоянной величине перепада давления в тепловой сети между прямым и обратным трубопроводами (0,1…0,15 МПа) [1]. В режиме резко переменной тепловой нагрузки и при открытии арматуры на параллельной линии, давление и, как следствие, перепад давления перед элеватором упадет, что приведет к неуправляемому изменению коэффициента смешения вплоть до прекращения работы элеватора и превращения его в перемычку (шунт). При этом теплоноситель, проходящий через водоструйный элеватор (либо его часть) будет идти в обратный трубопровод, минуя систему отопления, что делает систему отопления нерегулируемой.
Наиболее близким техническим решением является принципиальная схема местного теплового пункта системы теплоснабжения здания при непосредственном присоединении системы водяного отопления к двухтрубным системам теплоснабжения с центральным качественным регулированием [3], содержащая подающий и обратный трубопроводы, задвижки, манометры, грязевики, термометры, обратный клапан, тепломер, ответвление на нужды вентиляции, ответвление на разбор горячей воды из ТС и ответвление в систему отопления с установленным на прямом трубопроводе регулирующим клапаном, а также регулятором давления - на обратном трубопроводе.
Недостатком является перерасход теплоты в системах отопления зданий в периоды резко переменной тепловой нагрузки в теплопотребляющих системах зданий, когда в отапливаемых помещениях допускается снижение нормативно необходимой температуры внутреннего воздуха, создаваемого системами отопления, до допустимых значений. Понижение температуры возможно, например, в выходные и праздничные дни, в ночное время, в нерабочие часы суток. Дорегулирование количества тепловой энергии, подаваемой в здание изменением (уменьшением) расхода теплоносителя, поступающего из тепловой сети в элеватор, трудноосуществимо без изменения конструктивных характеристик его сопла и также невозможно из-за наличия регулирующего клапана для поддержания постоянства расхода воды.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности работы абонентских вводов систем теплоснабжения зданий, подключенных к двухтрубным централизованным системам с центральным качественным регулированием, при подаче теплоты на нужды О, В и ГВС и резко переменных тепловых нагрузках в теплопотребляющих системах в рабочие и нерабочие часы суток, в выходные и праздничные дни, а также в периоды стояния температуры наружного воздуха, когда температура воды в тепловой сети определяется температурой воды в системах горячего водоснабжения и держится постоянной. Повышение эффективности достигается дорегулированием количества подаваемой тепловой энергии в системы отопления зданий по эксплуатационным показателям в периоды резко переменных тепловых нагрузок. Для поддержания в периоды переменных нагрузок допустимой температуры внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях дорегулирование осуществляется оперативным изменением циркуляционного расхода воды, который поступает в системы отопления из подающего трубопровода тепловой сети, и обеспечением постоянства расхода в каждом периоде резко переменной тепловой нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что известный абонентский ввод, подающий тепловую энергию в здание, содержащий подающий и обратный трубопроводы, задвижки, манометры, грязевики, термометры, обратный клапан, тепломеры, ответвления на нужды отопления, вентиляции и на разбор горячей воды из ТС, в ответвлении, подающем тепловую энергию в систему отопления, установлены параллельные трубопроводы с размещенными на них кавитационными ограничителями расхода и расположенными до них нормально-открытыми запорными клапанам, при этом на одном из параллельных трубопроводов перед кавитационным ограничителем расхода запорный клапан отсутствует. Ограничители совместно с клапанами оперативным закрытием и открытием параллельных трубопроводов по сигналам от таймера обеспечивают в системе отопления в каждый период резко переменного теплопотребления (в течение суток, дня недели и т.д.), соответствующий постоянный расход циркуляционной воды. Участок трубопровода с ограничителем расхода без запорного клапана в периоды малой потребности в теплоте (все клапаны закрыты) обеспечивает стабильный циркуляционный расход в системе отопления для поддержания в этот период допустимой температуры внутреннего воздуха и исключает гидравлический удар в системе отопления при работе клапанов.
В заявляемом абонентском вводе системы теплоснабжения технико-экономический результат заключается в повышении эффективности работы системы отопления здания и достигается оперативным дорегулированием количества подаваемой теплоты в системы отопления зданий в периоды резко переменной нагрузки в отдельные часы суток, выходные и праздничные дни и т.д. и поддержанием в эти периоды допустимой температуры внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях изменением количества подаваемой тепловой энергии за счет включения или выключения параллельных участков трубопроводов запорными клапанами по сигналу от контроллера с таймером и обеспечения экономии теплоты за счет лимитирования расхода теплоносителя, подаваемого в системы отопления зданий из двухтрубной тепловой сети и поддержания его стабильности в каждом периоде резко переменной нагрузки. Дорегулирование отпуска теплоты на нужды отопления осуществляется применением не регулирующей, а запорной арматуры и кавитационных ограничителей, обеспечивающих лимитирование и стабилизацию расхода циркуляционной воды. Известно, что регулирующая арматура более сложна в сравнении с запорной и является более дорогостоящей. Изменение количества теплоты подаваемой в системы отопления зданий расходом теплоносителя и его стабилизация осуществляется в периоды резко переменной тепловой нагрузки с учетом нерабочего и ночного времени, выходных и праздничных дней, а также в периоды, когда температура воды в тепловой сети определяется и поддерживается постоянной температурой воды в системах горячего водоснабжения.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого абонентского ввода системы теплоснабжения здания.
Абонентский ввод содержит трубопроводы для подвода горячей воды из ТС и отвода охлажденной воды в ТС 1, запорную арматуру 2, манометры 3, грязевики 4, тепломеры 5, ответвление для подачи тепловой энергии на нужды системы вентиляции СВ 6, ответвление 7 с циркуляционным трубопроводом 8 подающие теплоту на нужды горячего водоснабжения ГВС, ответвление 9, подающее поток теплоты в систему отопления здания. По ходу движения горячего теплоносителя (воды) на ответвлении, подающем теплоноситель в отопительные приборы 10 СО, установлены параллельные трубопроводы 11 с размещенными кавитационными ограничителями расхода теплоносителя 12, 13, 14. Часть трубопроводов оснащена нормально-открытыми запорными клапанами 15. По ходу движения теплоносителя клапаны установлены до параллельно расположенных кавитационных ограничителей расхода. Контроллер с таймером 16 предназначен для управления запорными клапанами. На ответвлении, подающем теплоту в систему горячего водоснабжения, оснащенном водоразборной арматурой 17, установлены трехходовой клапан 18 и обратный клапан 19. На трубопроводе, подающем тепловую энергию в калорифер 20 СВ, установлен регулирующий клапан 21. На трубопроводах подвода горячей воды из ТС и отвода охлажденной воды в ТС смонтированы термометры 22. В абонентских вводах систем теплоснабжения производственных и общественных зданий в зависимосити от технологического режима работы предприятия, графика рабочих смен, условий и характера эксплуатации общественного здания и т.д. на ответвлении в систему отопления может устраиваться несколько (два, три и более) параллельных участков трубопроводов с кавитационными ограничителями расхода воды и запорными клапанами и один параллельный участок без запорного клапана.
Абонентский ввод системы теплоснабжения преимущественно производственных или общественных зданий работает следующим образом.
В часы максимального потребления теплоты по подающему трубопроводу 1 из тепловой сети в здание идет суммарный максимальный расход теплоносителя. Часть теплоносителя поступает по ответвлению 6 в калорифер 20 СВ, часть идет по ответвлению 7 на водопотребление в водоразборную арматуру 17 системы ГВС и оставшаяся часть по ответвлению 9 подается в отопительные приборы 10 СО здания. При этом запорные клапаны 15 на всех параллельных трубопроводах 11 находятся в открытом положении. В этот период в систему отопления поступает максимальный расход теплоносителя, определяемый расчетной тепловой потребностью здания. Максимальный расход теплоносителя в системе отопления обеспечивается суммарной пропускной способностью всех ограничителей, установленных на параллельных трубопроводах.
Конструкция и геометрия каждого кавитационного ограничителя расхода 12, 13, 14 установленного на параллельном трубопроводе 11 определяется пропускной способностью параллельного трубопровода и рассчитывается на подачу тепловой энергии, которая необходима для поддержания заданной температуры воздуха внутри помещений производственного или общественного здания, в тот или иной период переменной тепловой потребности.
Кавитационный ограничитель стабилизирует расход и сохраняет его постоянным, независимо от изменения перепада давления на входе и выходе из ограничителя, и при установке его на ответвлении трубопровода в систему отопления обеспечивает стабильную подачу необходимого расхода в СО независимо от разбора воды в системе ГВС и включении или выключении калориферов СВ. Условия работы ограничителя приведены в [4]. Кривая, характеризующая стабильность диапазона расхода через кавитационное устройство от разных соотношений давлений на входе и выходе, показана на фиг. 2.
1
2
3
n
1
2
3
n
3
общ
Каждый из кавитационных ограничителей расхода рассчитан на пропускную способность отдельного параллельного трубопровода. При этом количество параллельных трубопроводов с кавитационными ограничителями расхода и запорными клапанами зависит от необходимых режимов регулирования и диапазона колебания теплопотребности здания (на фиг. 1 показано два параллельных трубопровода). Расходы воды G, G, G, …, G либо сумма отдельных двух или более расходов соответствуют той или иной тепловой нагрузке в периоды ее резких колебаний и транспортируют количество тепловой энергии Q, Q, Q, …, Q, необходимое для поддержания заданной температуры внутреннего воздуха производственного или общественного здания в тот или иной период. Наименьший циркуляционный расход теплоносителя, транспортирующий количество необходимой тепловой энергии, например Q, для поддержания допустимой температуры внутреннего воздуха в помещениях производственного или общественного здания в периоды минимального теплопотребления, обеспечивается параллельным участком трубопровода с ограничителем расхода не оснащенным запорной арматурой. При этом пропускная способность всех параллельных участков трубопроводов G рассчитана таким образом, чтобы в сумме они пропускали необходимое количество теплоносителя для подачи тепловой энергии в здания в расчетных условиях и обеспечивали достижение в производственных или общественных помещениях нормируемой температуры внутреннего воздуха. В условиях эксплуатации абонентского ввода здания при резко переменном разборе горячей воды в системе ГВС, включении и выключении калориферов в СВ количество теплоносителя, поступающего в ответвление на СО, изменяется, т.к. начинает изменяться перепад давлений в подающем и обратном трубопроводах ответвления 9 системы отопления здания.
Так как абонентский ввод рассчитан на условия, когда потребление тепловой энергии максимально, т.е., когда одновременно потребляется теплота на нужды О, В и ГВС при снижении теплопотребления, например, перестали работать душевые установки предприятия, выключились системы приточной вентиляции в общественном или производственном здании, в ответвлении ввода на систему отопления возрастает давление в подающем трубопроводе и возрастает перепад давления. В результате этого в систему отопления устремляется расход воды, транспортирующей поток тепловой энергии, превышающий потребность здания в теплоте, что приводит к ее перерасходу.
3
При наступлении периода времени, когда возможно резкое понижение потребности здания в теплоте (понижение температуры внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях до минимально допустимой температуры), т.е. нерабочее время или выходные и праздничные дни или в периоды, когда температура сетевой воды определяется температурой воды в системе ГВС, в ответвления абонентских вводов систем отопления при отсутствии в них устройств по дорегулированию отпуска теплоты, в здания также поступает лишнее количество тепловой энергии. В заявляемом техническом решении в периоды времени, когда потребность в теплоте резко уменьшается от контроллера с таймером 16, поступает сигнал, в виде электрического импульса, подаваемого на один, другой или все запорные клапаны 15. Клапанами осуществляется выключение одного, другого или всех параллельных трубопроводов, т.е. в каждый соответствующий период изменяющейся потребности в теплоте происходит уменьшение расхода теплоносителя путем отключения параллельных участков, на которых установлены кавитационные ограничители расхода 12, 13. В систему отопления начинает поступать требуемое количество горячего теплоносителя, обеспечивающего тепловой поток необходимый для поддержания нормативной температуры внутреннего воздуха в периоды резкого снижения потребности в теплоте, в ночное время, выходные или праздничные дни. При этом для поддержания допустимой температуры воздуха внутри помещений отапливаемого здания по параллельному трубопроводу с кавитационным ограничителем расхода, на котором не установлен запорный клапан, в систему отопления поступает минимальное количество горячего теплоносителя G. В периоды резко возрастающей тепловой нагрузки, в зависимости от ее доли по сигналу от таймера происходит открытие одного, двух или всех запорных клапанов и в систему оперативно подается больший расход теплоносителя и тепловой энергии. Таким образом, в зависимости от требуемого теплового потока в разные часы суток, недели и т.д. оперативно меняется подача тепловой энергии в систему отопления здания. В часы поступления из тепловой сети избытка теплоты кавитационные ограничители совместно с клапанами лимитируют (ограничивают) расход теплоносителя либо увеличивают поток теплоты в часы недостатка, тем самым обеспечивая дорегулирование ее отпуска и обеспечивая ее экономию, оперативно понижая и повышая подачу ее в систему отопления в соответствии с теплопотребностью здания. Отсутствие запорного клапана перед кавитационным ограничителем расхода на одном из параллельных трубопроводов 11 позволяет не только обеспечивать подачу минимального циркуляционного расхода, но и избежать возникновения прямых гидравлических ударов в трубопроводах абонентского ввода в периоды закрытия клапанов 15.
В часы работы системы, когда в помещениях здания требуется более высокая температура внутреннего воздуха, осуществляется увеличение расхода воды в системе отопления путем открытия клапанов. От контроллера с таймером 16 поступает сигнал на открытие одного, двух или всех запорных клапанов 15 одновременно. При этом обеспечивается поступление в систему отопления большего количества горячей воды из тепловой сети и большего количества теплоты.
Технический эффект предлагаемого изобретения преимущественно для производственных и общественных зданий заключается в том, что путем дорегулирования потока тепловой энергии, подаваемой в систему отопления по эксплуатационным показателям в рабочие и нерабочие часы суток, выходные и праздничные дни, а также в периоды стояния температуры наружного воздуха, когда температура воды в тепловой сети определяется температурой воды в системах горячего водоснабжения зданий и держится постоянной, т.е. в периоды резко переменной потребности здания в теплоте на нужды вентиляции, горячего водоснабжения и отопления, оперативно достигается снижение расхода воды и теплоты, поступающих в систему отопления здания из подающего трубопровода тепловой сети. При этом поддерживается допустимая температура внутреннего воздуха в помещениях здания в соответствии с изменяющейся температурой наружного воздуха.
Использованные источники
1. Теплоснабжение: Учебник для вузов А.А. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Братенков, Е.Н. Терлецкая. Под ред. А.А.Ионина. - М.: Стройиздат, 1982-336 с., ил.
2. Авторское свидетельство RU 92716 U1, МПК F24D 3/00, 2009.
3. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. 1. Отопление / В.Н. Богословский, Б.А. Крупнов, А.Н. Сканави и др.; Под ред. И.Г. Староверова, Ю.И. Шиллера. - 4-е изд., перераб, и доп. - М.: Строиздат, 1990. - 344 с., ил. с. 74, 75.
4. Машиностроительная гидравлика. Башта Т.М. М.: Машиностроение, 1971. - 671 с., ил. с. 49.