Определение тепловых нагрузок

Тепловую нагрузку обычно рассчитывают в характерном промежутке времени: час, сутки, месяц, сезон или год, причем основным расчетным значением является часовая тепловая потребность.

Тепловая нагрузка отопления имеет сравнительно постоянный суточный график и резко переменный годовой график (рис. 10.1.)

Рис. 10.1. График сезонной нагрузки на отопление

 

Тепловые потери здания можно представить так:

(10.1)

где – коэффициент инфильтра­ции, представляющий собой отношение теплопотерь инфильтрацией к теплопотерям те­плопередачей через наружные ограждения.

Для жилых зданий коэффициент для общественных и промышленных зданий

К моменту начала проектирования системы теплоснабжения какого – либо строящегося района, поселка или другого объекта, как правило, отсутствуют точные данные о характере застройки и точных данных о теплопотерях.

Поэтому в практике проектирования тепловых сетей используется приближенный метод определения потребности объекта в теплоте, что необходимо для выбора мощности и оборудования источника теплоснабжения и разработки основных характеристик наружных тепловых сетей.

Этот метод основан на определении тепловых нагрузок (расходов тепла зданиями) по укрупненным показателям.

Теплопотери здания объемом по наружному измерению , периметром в плане Р, м, площадью в плане и высотой Н, м, определяются по формуле

(10.2)

где – коэффициенты тепло­передачи стен, окон, пола нижнего этажа, потолка верхнего этажа; – коэффициент остекления, т.е. отношение площади окон к площади вертикальных ограждений (стен); и – поправочные коэффици­енты на расчетный перепад температур для верхнего и нижнего горизонтальных ограж­дений здания; – усредненная температу­ра внутреннего воздуха отапливаемых по­мещений, °С; – расчетная температура наружного воздуха, °С.

Выражение, заключенное в (10.2) в фигурные скобки, представляет собой потерю теплоты теплопередачей через наружные ограждения при разности внутренней и наружной температур 1 , отнесенную к 1 наружного объема здания.

Эта величина называется удельной тепловой характеристикой здания для расчета требуемого расхода тепловой энергии на отопление .

Тогда максимальный часовой расход тепла на отопление

(10.3)

где – расчетная температура внутреннего воздуха.

Величина приводится в справочных данных, которые составлены в результате обобщения практических и опытных данных по характеристикам теплопотерь однотипных зданий.

В справочниках величины рассчитаны для

При других величинах (температуры наиболее холодной пятидневки) вводится поправочный коэффициент (поправка на учет местных климатических условий, в частности ).

 

	-10	-15	-20	-25	-30	-35	-40
	1,45	1,29	1,17	1,08	1,0	0,95	0,9

 

Изменение расхода тепловой энергии при изменении имеет линейную зависимость. Чтобы знать характер изменения расхода тепловой мощности в течение всего сезона, достаточно определить потребность в тепловой энергии при максимальной и минимальной температурах наружного воздуха. Обычно такое изменение представляют графически (рис. 10.2). Точки А и В соответствуют максимальному и минимальному расходам тепловой энергии. Линия АВ (линейная зависимость) характеризует изменение расходуемой тепловой мощности в течение отопительного периода. По такому графику можно определить расход тепловой мощности на отопление при любом значении в указанных пределах. Для этого необходимо из точки заданного значения на оси абсцисс восстановить перпендикуляр до пересечения с линией АВ. Точка пересечения будет соответствовать искомому значению расхода тепловой мощности (пунктирной линией показано определение среднего расхода при средней температуре наружного воздуха за отопительный период ).

Среднечасовая тепловая мощность на отопление определяется по формуле

(10.4)

Значение потребления тепловой мощности на отопление за год равно

(10.5)

 

где - продолжительность отопительного периода, сут.

 

Рис. 10.2. Зависимость теплового потока на отопление от температуры наружного воздуха

 

Расход теплоты на вентиляцию предприятий, а также обществен­ных зданий и культурных учреждений со­ставляет значительную долю суммарного теплопотребления объекта. Расход теплоты на вентиляцию прини­мают по проектам местных систем вентиля­ции или по типовым проектам зданий, а для действующих установок – по эксплуатаци­онным данным.

При разработке схемы системы теплоснабжения расход тепловой мощности на общеобменную вентиляцию оценивают так же, как для отопления по укрупненным измерителям. Здесь таким измерителем согласно СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» является удельная тепловая вентиляционная характеристика, отнесенная к объему здания, которая представляет собой количество тепловой энергии, необходимое для вентиляции одного кубического метра зда­ния в единицу времени при перепаде температур в один градус. Этот показатель установлен для большинства типов зданий и приводится в справочной литературе. Расход тепловой энергии на общеобменную вентиляцию, отне­сенный к объему здания, в общем виде определяется по формуле

(10.6)

где - удельная вентиляционная характеристика здания;

– вентилируемый объем здания, м³;

- температура наружного воздуха для проектирования отопления, принимаемая по СНиП 41-01-2003 "Отопление, вентиляция и конди­ционирование воздуха".

Тепловые затраты на вентиляцию, так же как и на отопление, зависят от наружной температуры. При местной и общеобменной вентиляции без рециркуляции воздуха эта зависимость аналогична отопительной. (рис 10.2, линия АВ).

Средний тепловой поток на вентиляцию при согласно СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» находят следующим образом:

(10.7)

Годовой расход тепловой энергии на вентиляцию определяют при соответствующем способе воздухообмена в зависимости от числа часов работы вентиляции z по формуле:

(10.8)

Для большинства жилых, промышленных и общественных зда­ний общая годовая потребность в тепловой энергии на подогрев воды составляет 10-30% потребности энергии на отопление. Однако в ряде зданий (бани, прачечные, цехи мойки деталей и т.п.) потребность в горячей воде настолько велика, что на ее подогрев затрачивается теп­ловой энергии больше, чем на отопление. Особенность эксплуатаци­онного режима работы систем горячего водоснабжения заключается в том, что расход воды, разбираемой из системы, не является постоян­ным в течение суток или рабочей смены. Он изменяется в широких пределах и зависит от числа и продолжительности одновременного действия водоразборных точек.

Нагрузка горячего водоснабжения также зависит:

· от степени благоустройства зданий города или поселка;

· состава населения;

· распорядка его рабочего дня;

· режима работы коммунально - бытовых предприятий (бани, прачечные и т.д.).

Нагрузка горячего водоснабжения жи­лых домов имеет, как правило, в рабочие дни пики в утренние и вечерние часы и про­валы в дневные и поздние ночные часы. В домах с ваннами пиковая нагрузка горя­чего водоснабжения превышает среднесу­точную в 2–3 раза. В выходные дни суточ­ный график горячего водоснабжения имеет более равномерное заполнение. Для иллю­страции на рис. 10.3 приведен суточный гра­фик расхода горячей воды жилого дома.

 

 

Рис. 10.3. Суточный график горячего водоснабжения жилого района

 

В соответствии со СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» макси­мальные тепловые потоки на горячее водоснабжение, так же, как и максимальные тепловые потоки на отопление и вентиляцию жилых, общественных и производственных зданий следует принимать при проектировании тепловых сетей по соответствующим проектам.

При отсутствии проектов тепловые потоки на горячее водоснабжение определяют по укрупненным показателям и нормам потребления горячей воды в соответствии со СНиП 2.04.01-85 «Горячее, холодное водоснабжение».

При проектировании наружных тепловых сетей в качестве расчетных расходов тепла на горячее водоснабжение обычно принимаются среднечасовые расходы .

Среднечасовой расход тепла на горячее водоснабжение жилых зданий можно определить по формуле

(10.9)

где т – количество людей.

Укрупненный показатель среднего теплового потока на горячее водоснабжение определяют в соответствии со СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети».

Максимальный часовой расход тепла на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий равен

(10.10)

Средний тепловой поток на горячее водоснабжение в неотопительный период продолжительностью нормами предлагается определять по формуле

(10.11)

где - коэффициент, учитывающий изменение среднего расхода воды на горячее водоснабжение в неотопительный период по отношению к отопительному периоду, принимаемый при отсутствии данных для жилищно – коммунального сектора равным 0,8 (для курортных и южных городов ), для предприятий

Годовой расход тепла на горячее водоснабжение определяют по формуле:

(10.12)

На технологические процессы тепловая энергия расходуется при изготовлении железобетонных конструкций, сушке деталей, подогре­ве и поддержании температуры растворов в ванных гальванических производств, а также в стиральных отделениях прачечных, цехах мойки и пропарки оборудования, узлов, агрегатов и т.д. Тепловая энергия расходуется в виде подогретой воды или водяного пара.

Параметры и расход теплоты для технологических нужд зависят от характера технологического процесса, типа производственного оборудования, общей организации работ и т.д. Усовершенствование и рационализация технологического процесса могут вызвать коренные изменения в размере и характере тепловой нагрузки.

Как правило, тепловые нагрузки промышленных предприятий задаются технологами на основе соответствующих расчетов или данных тепловых испытаний.

 

Водяные тепловые сети

В настоящее время для удовлетворения отопительно-вентиляционных и бытовых потребностей в тепловой энергии жилых и общественных зданий, а также промышленных предприятий используется главным образом горячая вода, что предопределило преобладающее распространение водяных систем теплоснабжения в городах, поселках и населенных пунктах.

По количеству трубопроводов тепловой сетитепловые сети делятся на одно-, двух-, трех и четырехтрубные.

Наибольшее распространение получили двух- и четырехтрубные тепловые сети (рис.10.4), однако, возможно применение одно- и трех­трубных тепловых сетей. Системы теплоснабжения большой и средней мощности с точки зрения экономичности предпочтительно выполнять двухтрубными с общим подающим трубопроводом горячей воды для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и общим обратным трубопроводом.

 

а)

б)

 

Рис. 10.4 Принципиальные схемы водяных систем теплоснабжения двухтрубной закрытой (а) и четырехтрубной (б):

1 – источник тепла; 2 – подающий трубопровод теплосети; 3 – абонентский ввод; 4 – калорифер вентиляции; 5 – абонентский теплообменник отопления; 6 – нагревательный прибор; 7 – трубопроводы местной системы отопления; 8 – местная система горячего водоснабжения; 9 – обратный трубопровод теплосети; 10 – теплообменник горячего водоснабжения; 11 – холодный водопровод; 13 – подающий трубопровод горячего водоснабжения; 14 – рециркуляционный трубопровод горячего водоснабжения

 

Использование четырехтрубных тепловых сетей упрощает процессы подготовки теплоносителя для потребителей теплоты, так как сети включают два подающих трубопровода для подачи горя­чей воды на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабже­ния и два обратных трубопровода от потребителей (из систем ото­пления, вентиляции и циркуляционного трубопровода горячего во­доснабжения).

Тепловые потребители могут присоединяться непосредствен­но к тепловым сетям через центральные тепловые пункты (ЦТП) или индивидуальные тепловые пункты (ИТП, абонентские вводы), в которых осуществляется приготовление и подача горячей воды нужных параметров для отопления, вентиляции и горячего водо­снабжения потребителей. ЦТП и ИТП в общем случае включают подогреватели, элеваторы, насосы, запорно-регулирующую арма­туру и средства автоматического регулирования расхода и пара­метров теплоносителей и т.д.

Преимущественное применение в горо­дах двухтрубных систем объясняется тем, что эти системы по сравнению с многотруб­ными требуют меньших начальных вложе­ний и дешевле в эксплуатации. Двухтруб­ные системы применимы в тех случаях, ко­гда всем потребителям района требуется те­плота примерно одного потенциала. Такие условия обычно имеют место в городах, где вся тепловая нагрузка (отопление, вентиля­ция и горячее водоснабжение) может быть удовлетворена в основном теплотой низко­го потенциала.

При применении ЦТП, с одной стороны, уменьшаются начальные затраты на сооружение подогревательной установки горячего водоснабжения, насосных установок и авторегулирующих устройств благодаря увеличению их единичной мощности и сокращению количества элементов оборудования, но, с другой – возрастают начальные затраты на сооружение и эксплуатацию распределительной сети между ЦТП и отдельными зданиями, так как вместо двухтрубной сети приходится сооружать на этих участках четырехтрубную или как минимум трехтрубную сеть (при отказе от циркуляции воды в системе горячего водоснабжения), что еще больше увеличивает потери теплоты и воды в системе горячего водоснабжения.

Закрытые и открытые системы. Двухтрубные водяные системы бывают закрытыми и открытыми. Различаются эти системы технологи­ей приготовления воды для местных систем горячего водоснабжения (рис. 10.5). В закрытых системах для горячего водоснабжения исполь­зуется водопроводная вода, которая подогревается в поверхностных теплообменниках водой из тепловой сети (рис. 10.5, а). В открытых сис­темах воду для горячего водоснабжения берут непосредственно из тепловой сети. Отбор воды из подающей и обратной труб тепловой сети производят в таких количествах, чтобы после смешения вода приобрела нужную для горячего водоснабжения температуру (рис. 10.5, б).

Рис. 10.5. Принципиальные схемы приготовления воды для горячего водоснабжения на абонент­ских вводах в двухтрубных водяных системах теплоснабжения (а – при закрытой системе; б – при открытой системе):

1 – подающий и обратный трубопроводы тепловой сети; 2 – теплообменник горячего водоснабжения; 3 – холод­ный водопровод; 4 – местная система горячего водоснаб­жения; 5 – регулятор температуры; 6 – смеситель; 7 – обратный клапан

 

В закрытых системах теплоснабжения сам теплоноситель нигде не расходуется, а лишь циркулирует между источником тепла и местными системами теплопотребления. Это значит, что такие системы закрыты по отношению к атмосфере, что и нашло отражение в их названии.

При закрытой системе теплоснабжения водопроводная вода, поступающая в уста­новки горячего водоснабжения, не имеет прямого контакта с сетевой водой, так как подогрев водопроводной воды осуществля­ется на ЦТП или на абонентских вводах в поверхност­ных водо-водяных подогревателях. Гидрав­лическая изолированность водопроводной воды, поступающей в установки горячего водоснабжения, от воды, циркулирующей в тепловой сети, – преимущество закры­той системы. Благодаря гидравлической изолированности водопроводной воды от сетевой обеспечивается стабильное качест­во горячей воды, поступающей в установки горячего водоснабжения, такое же, как каче­ство водопроводной воды. Чрезвычайно прост санитарный контроль системы горя­чего водоснабжения благодаря короткому пути прохождения водопроводной воды от ввода в здание до водоразборного крана. Прост контроль герметичности теплофика­ционной системы, который проводится по расходу подпитки.

Основные недостатки закрытых систем:

1) выпадение накипи в водо-водяных подогревателях и трубопроводах местных установок горячего водоснабжения при использовании водопроводной воды, имеющей повышенную карбонатную (времен­ную) жесткость > 7 мг-экв/л;

2) коррозия местных установок горячего водоснабжения из-за поступления в них недеаэрированной водопроводной воды;

3) сложность оборудования и эксплуата­ции абонентских вводов горячего водоснаб­жения из-за установки водо-водяных подог­ревателей.

Основной особенностью открытых сис­тем теплоснабжения является разбор сете­вой воды из тепловой сети для горячего во­доснабжения. Это позволяет использовать для горячего водоснабжения в больших ко­личествах отходящие теплые воды с темпе­ратурой 15–30 °С, имеющиеся на электро­станциях (охлаждающая вода конденсато­ров турбин, охлаждающая вода топочных панелей) и на многих промышленных пред­приятиях. В закрытых системах теплоснаб­жения возможность использования этой во­ды весьма ограниченна, так как расход на подпитку, для которой эта вода может быть применена, обычно не превышает 0,5–1 % расхода циркулирующей воды.

Использование отходящей от ТЭС теп­лой воды в открытых системах дает эконо­мию топлива и снижает стоимость горячего водоснабжения.

В открытых системах упрощается обо­рудование абонентских вводов и абонент­ских установок горячего водоснабжения, так как отпадает необходимость примене­ния на вводе водо-водяных подогревателей.

Местные установки горячего водоснабжения в открытых системах теплоснабжения не подвергаются зашламлению и коррозии, так как подпиточная вода до подачи в сеть проходит предварительную обработку – химочистку и деаэрацию.

В открытых системах для этой цели при­ходится сооружать мощные водоподготовительные установки.

Основные преимущества открытых сис­тем по сравнению с закрытыми:

1) возможность использования для го­рячего водоснабжения низкопотенциаль­ной отработавшей теплоты электростанций и промышленных предприятий;

2) упрощение и удешевление абонент­ских вводов (ИТП) и повышение долговечности местных установок горячего водоснабжения;

Недостатки открытых систем:

1) усложнение и удорожание станцион­ной водоподготовки;

2) нестабильность (по запаху, цветно­сти и другим санитарным качествам) воды, поступающей в водоразбор при зависимой схеме присоединения отопительных уста­новок к тепловой сети и высокой окисляемости водопроводной воды, что может быть устранено при практически 100 % - ном при­соединении отопительных установок по не­зависимой схеме;

3) усложнение и увеличение объема сани­тарного контроля системы теплоснабжения;

4) усложнение эксплуатации из-за не­стабильности гидравлического режима теп­ловой сети, связанной с переменным расхо­дом воды в обратной линии;

5) усложнение контроля герметичности системы теплоснабжения в связи с тем, что в открытых системах теплоснабжения расход подпитки не характеризует плотность системы.

По конфигурации тепловые сети подразделяют на радиальные (лучевые) и кольцевые (рис. 10.6.)

Рис. 10.6. Схемы тепловых сетей: тупиковая (а) и кольцевая (б)

1 – лучевой магистральный теплопровод; 2 – тепловые потребители; 3 – перемычки; 4 – районные (квартальные) котельные; 5 – секционирующие камеры; 6 – кольцевая магистраль; 7 – центральные тепловые пункты; 8 – промышленные предприятия

 

Радиальные сети (рис. 10.6,а) сооружают с посте­пенным уменьшением диаметров теплопроводов в направлении от источника теплоты. Такие сети наиболее просты и экономичны по начальным затратам. Их основной недостаток – отсутствие резервирования. Хотя кольцевание сетей существенно удорожает их, но зато в крупных системах теплоснабжения значительно повы­шается надежность теплоснабжения, создается возмож­ность резервирования.

Тепловые сети разделяют па магистральные, прокла­дываемые на главных направлениях населенных пунктов распределительные – внутри квартала, микрорайона и ответвления к отдельным зданиям.

По способу прокладки различают надземные и подземные тепловые сети.

Надземная прокладка, более дешевая, (на эстакадах, мачтах, колонах) применяется на производственных площадках или вне городов и поселков.

Основным видом прокладки является подземная которая подразделяется на канальную и бесканальную.

Наиболее распространена прокладка в непроходных каналах из отдельных типовых блоков.

В месте ответвления к потребителю тепла обязательно устраивают специальную камеру, где устанавливают отключающую ар­матуру и неподвижные опоры, фиксирующие трубопроводы в неподвижном положении.

Камеры выполняют из сборных железобетонных элементов высотой 1.8…2.0 м.

Рис. 10.7. Подземная прокладка теплопроводов в непроходном канале:

1 – трубопровод; 2 – теплоизоляция; 3 – внешнея штукатурка; 4 – бетонные подкладки; 5 – плиты и стенки каналов; 6 – гравий; 7 – дренажная труба

 

Для обеспечения стока воды, попавшей в подземные тепловые сети, дно каналов делают с уклоном в сторону камер, где устраивают специальный приямок. Для понижения уровня грунтовых вод вдоль теплотрассы прокладывают дренажные трубы с песчано–щебеночной от­сыпкой для улучшения фильтрации воды.

Между неподвижными опорами на прямых участках трубопроводов устраивают специальные компенсаторы для снятия напряжения от удлинения трубопроводов, возникающего при подаче воды с высокой температурой.

Наибольшее распространение получили П –образные–компенсаторы, а также угловые (места поворота трассы). Эти компенсирующие устройства эффективны при диаметрах труб до 200…300мм. При больших диаметрах используют сальниковые компенсаторы, более до­рогие в устройстве и эксплуатации.

Для предотвращения истирания труб опоры устраивают подвижными. Прокладка теплопроводов в специальных каналах позволяет повысить долговеч­ность тепловых сетей и уменьшить потери тепла за счет сохранности тепловой изоляции.

Применяемые конструкции тепловой сети весьма разнообразны и зависят от наличия местной производительной базы их изготовления. Однако, предпочтение следует отдавать индустриальным крупноблочным конструкциям.

Возможна прокладка теплопроводов бесканальным способом. Эта прокладка весьма индустриальна, она на 30 – 35% дешевле канальной, но требует специальных мер сохранности изоляции и теплопроводов при транспортировке и эксплуатации.

Теплопроводы перед нанесением тепловой изоляции снаружи очищают от ржавчины ипокрывают антикоррозионным покрытием.

В качестве покрытия теплопроводов с температу­рой теплоносителя до 100°С используют бризол в два слоя по холодной изольной мастике. При температуре теплоносителя до 180°С используют термоустойчивый изол.

Тепловая изоляция теплопроводов выполняется из материалов обладающих малой теплопроводностью: матами из минерального или штапельного волокна, пеноуретана, совелита, асбозурита и т. п.

Тепловые сети монтируют на сварке из стальных труб бесшовных горячекатаных (ГОСТ 8732–78) и электросварных прямошовных и со спиральным швом (ГОСТ 10704–91 и 8096–74). Для трубопроводов наружных сетей ГВС могут применятся неметаллические полимерные и винипластовые трубы.

Централизованное теплоснабжение связано с эксплутационной трудностью обеспечения разнохарактерных требований многих потреблений тепла.

С целью сокращения количества воды, циркулирующей в теплопроводах, температуру подающей воды в расчетный зимний период года стремятся поддерживать возможно более высокой (до 150°С). Температуру воды, возвращающейся от потребителя, стремятся иметь 70°С. При изменении тепловых потерь потребителями, в связи с изменением наружных климатических условий, регулирование отпуска тепла осуществляется централизованно путем изменения температуры сетевой воды в подающем трубопроводе без изменения ее расхода (качественное регулирование).