ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ СОГЛАСНО ДЕЙСТВУЮЩЕМУ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВУ РФ

PROBLEMS OF POWER EFFICIENCY OF SYSTEMS OF THE HEAT SUPPLY ACCORDING TO THE CURRENT LEGISLATION OF THE RUSSIAN FEDERATION

Tatyana Rafalskaya

сandidate of Science, assistant professor of Heat and Gas Supply and Ventilation department, of Novosibirsk State University of Architectural and Civil Engineering (Sibstrin),

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

Согласно действующему законодательству РФ необходимо увеличить температуру воды на нужды горячего водоснабжения с целью улучшения её микробиологических характеристик. Однако существует жёсткая взаимосвязь между работой систем горячего водоснабжения и отопления. Методом математического моделирования была решена задача определения температуры внутреннего воздуха и температуры обратной сетевой воды при различных температурах наружного воздуха. Расчёты показали, что увеличение температуры воды в системе горячего водоснабжения могут вызвать неблагоприятный тепловой режим в отапливаемых зданиях.

ABSTRACT

According to the current legislation of the Russian Federation it is necessary to increase temperature of water by needs of hot water supply with the purpose of improvement of its microbiological characteristics. However, there is a rigid interrelation between work of systems of hot water supply and heating. The method of mathematical modelling had been solved a problem of definition of temperature of internal air and temperatures of return network water at various temperatures of external air. Calculations have shown, that increase the temperature of water in system of hot water supply can cause an adverse thermal mode in heated buildings.

Ключевые слова: система теплоснабжения, система отопления, система горячего водоснабжения, тепловые сети, температурный режим помещений.

Keywords: system of heat supply, system of heating, system of hot water supply, heat supply networks, temperature mode of premises.

Централизованная система горячего водоснабжения, имеющая широкое распространение в городах России и, в частности, в Новосибирске, разрабатывалась в соответствии с требованиями 70-х годов [4; 6]. Этими нормативными документами были установлены микробиологические характеристики и температура горячей воды.

Температуру горячей воды в местах водоразбора следовало предусматривать [6, п. 3.8]:

1. не ниже 60°C – для систем централизованного горячего водоснабжения, присоединяемых к открытым системам теплоснабжения;
2. не ниже 50°C – для систем централизованного горячего водоснабжения, присоединяемых к закрытым системам теплоснабжения;
3. не ниже 60°C – для систем местного горячего водоснабжения;
4. не выше 75°C – для систем, указанных в подпунктах “а”, “b” и “c”.

Температура горячей воды, подаваемой к смесителям умывальников и душей в зданиях учреждений социального обеспечения, общеобразовательных школ, детских дошкольных учреждений, детских домов и других детских учреждений и помещениях, а также в зданиях отдельных лечебно-профилактических учреждений, должна приниматься по заданию на проектирование и не превышать 37°C.

Несколько позже для проектирования систем горячего водоснабжения был разработан свод правил [8], отвечающий требованиям выше указанных документов. В частности, на нужды горячего водоснабжения применялся температурный график 60/40. То есть была определена температура горячего водоснабжения на вводе в дом 60^оС.

В 2009 году были введены новые санитарно-эпидемиологические правила и нормы [5]. Это было связано с обнаружением в трубопроводах горячего водоснабжения высоко контагиозных инфекционных возбудителей вирусного и бактериального происхождения, которые могут размножаться при температуре ниже 60^оС (в их числе – Legionella Pneumophila [1]). Было установлено, что температура горячей воды в местах водоразбора независимо от применяемой системы теплоснабжения должна быть не ниже 60°С и не выше 75°С [5, п. 2.4].

Для соответствия новым санитарным нормам и правилам были разработаны новые строительные нормы и правила [7], которые совместно с [5] регламентируют температуру горячего водоснабжения: температура горячей воды в местах водоразбора должна соответствовать требованиям [4] и [5].

Однако, не стоит забывать, что существует жёсткая взаимосвязь между работой систем отопления и горячего водоснабжения, ограниченная располагаемой тепловой мощностью системы теплоснабжения. Поэтому, увеличение температуры воды в системе горячего водоснабжения неизбежно вызовет изменения работы, связанной с ней системы отопления. Для решения поставленной задачи была разработана математическая модель в программе MathCad. Задача решалась методом последовательных приближений в матричной форме. Результаты расчётов для условий г. Новосибирска, представлены на рис. 1–4. На рис. 1 показаны режимы для одного из ЦТП, обслуживаемого ТЭЦ-5, где принят температурный график отпуска теплоты 150–70°С, со срезкой на 114°С. В ЦТП приходит вода из тепловой сети с температурой t₁, в систему отопления поступает вода с температурой t_о3 за счёт смешения с водой из обратной магистрали системы отопления с температурой t_о2. Вода, с температурой t₁ (рис. 1а) также поступает во II ступень подогревателя системы горячего водоснабжения (СГВ), на выходе из него, имеет температуру t_г2; t_с2 - температура смешанной воды после подогревателя СГВ II ступени и после системы отопления на входе в подогреватель СГВ I ступени; t₂ - температура воды после подогревателя СГВ I ступени, возвращаемая в тепловую сеть.

Рисунок 1. Режимы ЦТП при температурном графике 150–70°С со срезкой на 114°С

Рисунок 2. Температура внутреннего воздуха в зависимости от t_н и водоразбора в СГВ

Расход сетевой воды G_d (рис. 1б) ограничен максимальным расходом воды из теплосети G_dmax. При этом согласно СП [8] приоритет имеет система горячего водоснабжения. Поэтому в подогреватели на нагрев водопроводной воды на нужды СГВ идёт расход сетевой воды G_dh^II, значительно превышающий средний (расчётный) расход сетевой воды на СГВ G_dh. Это, в свою очередь, ведёт к тому, что действительное количество сетевой воды (с температурой t₁), поступающей в систему отопления G_dо^д меньше требуемого расхода воды из сети G_dо^тр для обеспечения требуемой температуры внутреннего воздуха t_в^тр в отапливаемых жилых помещениях 20°С. Согласно СП [8] в случае максимального водоразбора система отопления недополучает требуемого количества теплоты из теплосети, но восстанавливает свою тепловую мощность при водораразборе ниже среднего и его отсутствии. Дефицит теплоты в системе отопления можно видеть на рис. 1в, где показано располагаемое количество теплоты, которое могут обеспечить тепловые сети Q_d^тр, действительное потребляемое количество теплоты Q_d^д, требуемое количество теплоты для системы отопления Q_dо^тр и действительное, поступающее в систему отопления Q_dо^д. Дефицит теплоты в системе отопления составляет Q_dо^тр-Q_dо^д_. На рис. 1г показаны температура нагреваемой воды для СГВ после I ступени подогревателя СГВ t_h^I, нормативная температура горячей воды t_h, и температура воды после II ступени подогревателя СГВ t_h^II, до которой возможно нагреть воду при данных соотношениях тепловых нагрузок.

Как видно из рис. 1б, наибольший дефицит теплоты в системе отопления имеется при температурах наружного воздуха ниже расчётной для проектирования отопления t_но (для Новосибирска -37°С), а также при наружных температурах выше точки излома температурного графика t_ни = -1,21°С.

Посмотрим, действительно ли система отопления успевает восстановить свою тепловую мощность при незначительном водоразборе в СГВ или при его отсутствии. Действительную температуру внутреннего воздуха t_в при изменяющейся тепловой нагрузке за время z, ч, можно определить по формуле Е.Я. Соколова:

,                    (1)

где: β, ч - коэффициент аккумуляции здания, характеризующий его тепловую инерцию; минимальное значение имеет для квартир торцевой секции верхних этажей. В расчётах принималось β = 60 ч;

t_в, °С – текущая температура внутреннего воздуха.

В этом уравнении неизвестна текущая температура внутреннего воздуха t_в, которая зависит как от наружной температуры t_н, так и от водоразбора в СГВ. Для решения уравнения был использован типовой график водоразбора с СГВ, на основе которого к действительной тепловой мощности Q_dо^д, определённой в расчёте математической модели добавлялась часть тепловой мощности, которую могут обеспечить тепловые сети при незначительном водоразборе или его отсутствии. Расчёты проводились для каждого часа, с учётом водоразбора, определялаcь t_в, которая подставлялась в уравнение для следующего часа. Методом последовательных приближений была определена t_в24 за 24 ч, которая равна t_в0 в 0 ч. То есть таким образом мы получили сходящуюся систему уравнений.

Расчёты (рис. 2а), были проведены для расчётной температуры наружного воздуха -37°С, температуры резкого похолодания до -42°С, температуры точки излома температурного графика -1°С, и температуры -7°С.

Расчёты показали, что система отопления не успевает восстановить свою тепловую мощность и температура внутреннего воздуха ниже требуемой t_в^тр = 20°С. Однако при расчётной наружной температуре t_но = -37°С, снижение t_в » 19°С, что является допустимым, колебания t_в незначительны и практически не зависят от водоразбора. При резком похолодании t_н = -42°С, снижение t_в более существенно. По данным [2], экстремальное снижение наружной температуры в Новосибирске обычно продолжается 2–3 суток. Неблагоприятный температурный режим наблюдается также при относительно высоких наружных температурах: t_н = -7°С и t_н = -1°С.

Рисунок 3. Режимы ЦТП при температурном графике 150–75°С со срезкой на 114°С

Рисунок 4. Режимы ЦТП с отключением подогревателя II ступени СГВ

Рассмотрим теперь вариант, при котором температура воды в СГВ будет увеличена на 5°С и составит на выходе из подогревателя II ступени СГВ 65°С. Чтобы обеспечить такую температуру горячей воды, необходимо также поднять нижнюю срезку температурного графика с 70°С до 75°С. Результаты расчётов системы теплоснабжения 114–75°С представлены на рис. 3.

Видно, что при поднятии срезки, сдвинется также температура точки излома температурного графика, которая составит теперь t_ни=-3,6°С, что увеличит область местного количественного регулирования системы теплоснабжения. Но, что ещё более существенно, значительно понизится температура внутреннего воздуха отапливаемых помещений, как при низких, так и при высоких наружных температурах, рис. 2б.

В настоящее время в качестве критерия безопасности функционирующей системы теплоснабжения города принимается её способность обеспечить температуру воздуха внутри отапливаемых жилых помещений t_в=18…22°С. Возможность стояния температуры t_в ниже указанных значений в каких-либо ситуациях не предусмотрено государственными нормативными документами. Исследования механизма терморегуляции [3] показывают, что границей опасности для человека является температура t_в на уровне 14°С, поскольку при такой температуре ещё обеспечивается равновесие между теплогенерацией человека и его теплообменом с окружающей средой. Понижение температуры воздуха до 10…12°С становится крайне неблагоприятным для человека и является показателем критического теплового состояния здания, так как в этом случае создаются ещё и аварийные условия работы инженерного оборудования.

Часто при экстремальном похолодании и нехватке топлива на ТЭЦ применяют отключение II ступени подогревателя СГВ, чтобы весь расход сетевой воды направить в систему отопления и повысить, тем самым, её тепловую мощность. Результаты расчёта системы теплоснабжения при отключении подогревателя II ступени СГВ при наружной температуре ниже расчётной для отопления, показаны на рис. 4. Видно, что расход сетевой воды для системы отопления (рис. 4б) больше, чем при работающей II ступени подогревателя СГВ (рис. 3б), что позволило увеличить тепловую мощность системы отопления (рис. 4в). Однако, температура в СГВ понизилась и равна t_h^I – температуре воды после подогревателя СГВ I ступени (рис. 4г).

Поскольку теперь водоразбор в СГВ не влияет на работу системы отопления, температуру внутреннего воздуха можно найти по формуле (1), однако нам не известна начальная температура t_в. Если принять её равной 20°С, то за сутки она понизится до 17,3°С (рис. 2в), что, в принципе, является допустимым понижением. Но условия резкого похолодания могут продолжаться не одни сутки, к тому же начальная температура внутреннего воздуха может быть ниже требуемой t_в^тр = 20°С.

Результаты расчётов позволяют сделать вывод, что принятие решения о повышении температуры воды в СГВ должно обязательно проверяться расчётом режимов совместной (связанной) работы систем отопления и СГВ, что позволит избежать критических ситуаций и аварий в системе теплоснабжения.

Выводы.

Основное внимание следует обратить не на увеличение температуры в СГВ, а на причины необеспечения качества горячего водоснабжения в существующих системах, к которым можно отнести:

1. Внутридомовые (отсутствие циркуляции горячего водоснабжения в домах, отсутствие тепловой изоляции на внутридомовых трубопроводах, разрегулировка системы горячего водоснабжения в домах).
2. Теплосетевые (отсутствие циркуляции от ЦТП, износ трубопроводов СГВ, несоответствие ранних проектных решений современным требованиям к качеству, износ оборудования ЦТП).

Устранение указанных недостатков позволит соответствовать современным нормативным документам без ухудшения качества теплоснабжения.

Список литературы:

1. Научно-методическое обоснование микробиологической безопасности снижения температуры горячей воды в системах водоснабжения закрытого типа // Отчёт о научно-исследовательской работе – Москва: ФГБУ ФНИЦЭМ, 2015. – 48 с.
2. Погода и климат в Новосибирске – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.pogodaiklimat.ru (Дата обращения 10.02.2016).
3. Попырин Л.С. Природно-техногенные аварии в системах теплоснабжения / Л.С. Попырин // Вестник РАН, 2000. – т. 70. № 7. – С. 604–610.
4. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода и водоснабжение населённых мест. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: взамен СанПиН 2.1.4.559-96: введ. в действ. 2002-01-01. – Минздрав России, 2002. – 62 с.
5. СанПиН 2.1.4.2496-09 Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: изм. к СанПиН 2.1.4.1074-01: введ. в действ. 2009-09-01 / Минздрав России, 2009. – 7 с.
6. СНиП II-34-76. Горячее водоснабжение: взамен СНиП II-Г.8-62: введ. в действ. 1977-01-01 – Москва: Стройиздат, 1976. – 30 с.
7. СП 30.13330.2012. Внутренний водопровод и канализация зданий. Актуализированная редакция СНиП 2.04.01-85*: введ. в действ. 2011-12-29 / Минрегион Росии, 2011. – 65 с.
8. СП 41-101-95. Правила по проектированию и строительству тепловых пунктов: введ. в действ. 1996-07-01 / Минстрой России – Москва: ГУП ЦПП, 1997. – 78 с.