Автоматизация системы горячего водоснабжения

В современном мире горячее водоснабжение (ГВС) является неотъемлемой частью удобства и комфорта в доме, коттедже или офисном здании. К сожалению, централизованная подача горячей воды обычно отсутствует в сельской местности, отдалённых коттеджных поселках, личных домах, офисных зданий и промышленных объектов, удалённых от центральных коммуникаций. В этом случае решение задачи по автоматизации горячего водоснабжения обычно связано с применением накопительного бойлера косвенного нагрева, либо нескольких бойлеров. Ёмкость такого бойлера варьируется обычно от 100 литров и может доходить до 1000 литров и даже более. Теплоноситель (умягчённая вода системы отопления, либо, что реже — антифриз) с более высокой температурой, циркулирует через теплообменник (обычно змеевик) внутри этого бойлера и передает тепловую энергию воде, находящейся под давлением внутри бойлера. После нагревания вода внутри бойлера с необходимой температурой (как правило от +40 до +60 градусов Цельсия) подаётся к потребителю. Практика показала, что применение двухконтурных котлов, несмотря на компактность, имеет тот существенный недостаток, что при возможном выходе из строя узла контура ГВС, котёл становится неработоспособным — это нарушает нормальную работу системы отопления и является полностью недопустимым в зимний период времени. Поэтому одноконтурный котел системы отопления, работающий в связке с бойлером косвенного нагрева, является более надежной комбинацией.

Необходимо отметить, что большинство бойлеров косвенного нагрева, как правило, имеют электромеханический термостат, настроенный либо на фиксированную целевую температуру воды ГВС, либо имеется возможность ручной установки этой температуры в определённом диапазоне значений. Недостатками работы бойлера, управляемого термостатом, являются: ограниченное количество циклов реле, низкая точность измерения температуры, отсутствие гибких настроек, невозможность автоматической дезинфекции воды ГВС, отсутствие индикации и т.д. Поэтому в Европе компании изготавливают и предлагают современные цифровые терморегуляторы для автоматизации систем горячего водоснабжения, устраняющие вышеперечисленные недостатки. Однако, главным недостатком зарубежной автоматики ГВС является их высокая цена, которая обычно начинается от 250 Евро. Нередко излишняя функциональность зарубежных устройств автоматики и сложность настроек, приводят к тому, что большинство рядовых потребителей не могут самостоятельно установить и настроить такие системы. Отметим также, что покупка импортных изделий для автоматизации систем горячего водоснабжения является инвестированием в западные компании, но не в экономику нашей страны.

Эскиз. Схема подключения контроллера ТРЦ-02 в систему горячего водоснабжения.

Автоматизация работы системы горячего водоснабжения с помощью дифференциального регулятора температуры ТРЦ-02 (полностью российская разработка и изготовление) позволяет обеспечивать необходимую и достаточную потребность в горячей воде с заданной температурой, при этом отпадает необходимость как в ручном регулировании системы ГВС, так и ручной дезинфекцией бойлера. Готовый комплект автоматики для системы горячего водоснабжения показан на Фото 1. Предлагаемое устройство обладает высокой надежностью, необходимой функциональностью и доступной ценой.

Фото 1. Готовый комплект автоматики для системы горячего водоснабжения.

Видео. Презентация контроллера ТРЦ-02.

Для одного из объектов недвижимости, удалённом от центральных коммуникаций, с целью автоматизации его системы горячего водоснабжения был применён бойлер косвенного нагрева, с гидравлическим подключением к имеющейся автономной системе отопления, устройством автоматизации был выбран российский простой и надежный регулятор температуры ТРЦ-02 с функцией автоматической дезинфекции горячей воды. На фото [см. Фото 2] показан бойлер Drazice с разобранным электрическим нагревательным элементом (ТЭН) и штатным термостатом.

Фото 2. Бойлер косвенного нагрева Drazice с разобранным ТЭН и штатным термостатом.

Керамический нагревательный элемент бойлера Drazice был проинспектирован с целью его дальнейшего подключения к мощному выходу дифференциального регулятора температуры ТРЦ-02 [см. Фото 3].

Фото 3. Керамический нагревательный элемент ТЭН бойлера Drazice

Цифровые датчики температуры, входящие в полный комплект дифференциального терморегулятора ТРЦ-02, были установлены в соответствующие герметичные гильзы [см. Фото 4].

Фото 4. Бойлер ГВС с цифровыми датчиками температуры ТРЦ-02.

Гидравлическая проверка бойлера косвенного нагрева с подключенным контроллером ТРЦ-02 показана на Фото 5.

Фото 5. Бойлер косвенного нагрева Drazice под избыточным давлением воды, подключенный к контроллеру ТРЦ-02.

Монтаж терморегулятора ТРЦ-02 для автматизации системы горячего водоснабжения объекта осуществлялся в корпус на DIN-рейку и продемонстрирован на Фото 6; на DIN-рейку слева направо установлено: УЗО [устройство защитного отключения] с током утечки 30 мА, автоматический выключатель C16 с номинальным током 16 Ампер, устройство для индикации напряжения, рабочего тока и потребляемой мощности и собственно дифференциальный регулятор температуры ТРЦ-02. К его мощному выходу был подключен ТЭН, а к маломощному выходу — циркуляционный насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя от котла через змеевик бойлера. Российский дифференциальный терморегулятор ТРЦ-02 обеспечил необходимую и достаточную автоматизацию системы горячего водоснабжения.

Фото 6. Окончательный монтаж терморегулятора ТРЦ-02 для автоматизации системы горячего водоснабжения.

Технология регулирования нагрузки системы горячего водоснабжения

Д.т.н. П.В. Ротов, заместитель главного инженера;
А.А. Сивухин, начальник ПТО, МУП «Городской теплосервис»;
д.т.н. В.И. Шарапов, профессор, заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция», ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск

Автоматическое регулирование нагрузки системы ГВС

Потребление горячей воды в жилых и общественных зданиях характеризуется значительной неравномерностью как в течение суток, так и в отдельные дни недели. Мгновенный расход потребляемой воды является случайной величиной. При этом, в разные дни недели, в одно и то же время при прочих равных условиях, вероятность потребления аналогичного количества воды мала. В рабочие дни наибольшее потребление воды наблюдается в вечерние часы, в выходные дни — с утра. Кроме того, на неравномерность потребления могут оказывать влияние климатические условия, периоды массовых отпусков и школьные каникулы, даже телевизионные передачи.

Для компенсации тепловых потерь в трубопроводах системы ГВС предусматривают циркуляцию. Но, поскольку данные по тепловым потерям во внутридомовых системах ГВС зачастую отсутствуют, то для их определения используют долевую часть от расхода воды, а именно 10% от расчетного расхода воды, определенного для неотопительного периода [1, 2]. В [3] потери теплоты трубопроводами систем ГВС учитываются прибавлением доли среднего за отопительный период расхода воды в системах ГВС с учетом коэффициента, учитывающего потери теплоты трубопроводами в зависимости от конструктивных особенностей и наличия изоляции, который изменяется в пределах от 0,15 до 0,35.

Проведенное обследование систем ГВС жилых домов [4] показало, что реальное значение циркуляционного расхода в трубопроводах систем ГВС существенно превышает расчетные значения и составляет 40-90% от расхода в подающем трубопроводе и 70-500% от расхода воды на ГВС. При этом расход воды в циркуляционном трубопроводе зависит от режима потребления горячей воды. Установка на циркуляционных трубопроводах жилых домов дроссельных шайб с постоянным отверстием не позволяет в полной мере учесть режим работы систем ГВС. Повышенный циркуляционный расход способствует росту температуры воды в циркуляционном трубопроводе относительно температуры воды в обратном трубопроводе тепловой сети более чем на 10 О С, что, в свою очередь, влияет на экономичность работы источника теплоснабжения.

Повысить эффективность работы системы ГВС возможно путем автоматического регулирования расхода воды в циркуляционном трубопроводе с учетом неравномерности режима потребления горячей воды. Одна из таких технологий, разработанная в научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» (НИЛ «ТЭСУ») УлГТУ, реализована в 2014 г. на ЦТП Ульяновского МУП «Городской теплосервис» [4]. На рис. 1 показана принципиальная схема ЦТП с установленным оборудованием. Регулирование расхода воды в циркуляционном трубопроводе осуществляется запорно-регулирующим клапаном (регулятором температуры) 11, установленном на циркуляционном трубопроводе. Управление запорно-регулирующим клапаном осуществляется программируемым логическим контроллером по импульсу от датчика температуры 12. В период водоразбора тепловые потери в системе ГВС компенсируются за счет слива воды, поэтому можно снизить расход воды в циркуляционном трубопроводе. При отсутствии водоразбора расход воды в циркуляционном трубопроводе поддерживается в зависимости от определенного перепада температур в подающем и обратном трубопроводе системы ГВС, тем самым обеспечивая необходимую тепловую нагрузку.

В течение 2014 г. проводился инженерный эксперимент, в результате которого анализировались параметры работы ЦТП при различных режимах настройки регулятора температуры, установленного на циркуляционном трубопроводе. Настройка регулятора температуры по времени суток осуществлялась на основании предварительного анализа работы ЦТП. На рис. 2 представлена диаграмма изменения расхода воды в системе ГВС за 6 дней, из которой следует, что максимальный отбор горячей воды происходит в период с 8:00 до 15:00-16:00. Среднечасовое значение температуры горячей воды за этот же период составило 60,3 О С. Во время минимального разбора горячей воды настройка регулятора температуры производилась на температурный перепад в системе ГВС, равный 10 О С.

В период с 19.06.2014 г. по 06.08.2014 г. анализировались режимы работы ЦТП с различными настройками регулятора температуры на циркуляционном трубопроводе. В I режиме регулятор температуры был настроен на круглосуточном поддержании температуры воды, равной 50 О С, в циркуляционном трубопроводе. Во II режиме настройки регулятора температуры изменялись в течение суток по графику: с 9:00 до 15:00 поддерживалась температура циркуляционной воды, равная 45 О С, в остальное время температура циркуляционной воды поддерживалась равной 50 О С. В III режиме регулирование температуры воды в циркуляционном трубопроводе не производилось.

Среднечасовые значения параметров работы ЦТП в каждом из трех режимов представлены в табл. 1. Экономия тепловой энергии на ЦТП определялась для I и II режимов в сравнении с III режимом, когда не производилось регулирование циркуляционного расхода воды.

Таблица 1. Режимные показатели работы ЦТП при регулировании циркуляционного расхода в период с 19.06.2014 г. по 06.08.2014 г.

Режим	Тепловое потребление системой ГВС, Г кал/ч	Среднечасовая температура воды в подающем трубопроводе системы ГВС, °С	Среднечасовая температура воды в циркуляционном трубопроводе системы ГВС, °С	Среднечасовой расход воды в подающем трубопроводе системы ГВС, т/ч	Среднечасовой расход воды в циркуляционном трубопроводе системы ГВС, т/ч
1 режим	0,1849	58,85	45,46	7,18	5,23
II режим	0,1833	61,63	46,49	7,74	6,10
III режим	0,212	64,30	53,53	12,76	11,39

В результате анализа данных, представленных в табл. 1, установлено, что экономия тепловой энергии на ЦТП в режимах с регулированием циркуляционного расхода горячей воды относительно режима без регулирования составляет 12-14% (0,03 Гкал/ч). При этом в режиме с дифференцированной по времени суток температурой воды в циркуляционном трубопроводе ГВС достигается большая экономия теплоты.

В отопительном периоде с 19.10.2014 г. по 17.11.2014 г. на том же ЦТП проводился анализ режимных параметров в условиях регулирования и отсутствия регулирования температуры циркуляционной воды в системе ГВС. В первом периоде (I режим) настройки регулятора температуры изменялись в течение суток по графику: с 9 до 15 ч поддерживалась температура циркуляционной воды равная 45 О С, в остальное время температура циркуляционной воды поддерживалась равной 50 О С. Во втором периоде (II режим) регулирование температуры воды в циркуляционном трубопроводе не производилось.

Анализ среднечасовых показателей работы ЦТП в отопительном периоде показывает, что в I режиме теплоты потребляется на 20% меньше, чем во II (табл. 2).

Таблица 2. Режимные показатели работы ЦТП при регулировании циркуляционного расхода в период с 19.10.2014 г. по 17.11.2014 г.

Режим	Тепловое потребление системой ГВС, Г кал/ч	Среднечасовая температура воды в подающем трубопроводе системы ГВС, °С	Среднечасовая температура воды в циркуляционном трубопроводе системы ГВС, °С	Среднечасовой расход воды в подающем трубопроводе системы ГВС, т/ч	Среднечасовой расход воды в циркуляционном трубопроводе системы ГВС, т/ч
1 режим	0,19	72,93	50,3	3,22	0,99
II режим	0,24	73,13	60,66	11,56	9,53

На рис. 3-5 показана динамика изменения расхода теплоносителя, температуры воды и теплопотребления в системе ГВС по часам суток при различных режимах работы ЦТП в период с 19.10.2014 г по 17.11.2014 г На приведенных диаграммах четко видно снижение температуры циркуляционной воды, расхода воды и теплопотребления в системе ГВС в период регулирования температуры циркуляционной воды. Снижение теплопотребления приводит к соответствующей экономии топливно-энергетических ресурсов. Равенство температуры воды, подаваемой на ГВС при различных режимах, показывает, что снижение расхода теплоносителя и количества тепловой энергии обусловлено только оптимизацией режима работы системы ГВС за счет регулирования расхода воды в циркуляционном трубопроводе. При этом температура воды в подающем трубопроводе системы ГВС соответствует нормативным требованиям (рис. 3).

С целью оценки инвестиционной привлекательности проведено технико-экономическое обоснование реализованной технологии регулирования нагрузки системы ГВС. На основании анализа режимов работы системы ГВС определена минимальная среднечасовая экономия теплоты 0,03 Гкал/ч (табл. 1). Предполагаемое время работы системы ГВС с регулированием циркуляционного расхода составляет 3600 ч в год. Суммарная экономия теплоты на одном ЦТП за этот период составит 108 Гкал, что при тарифе за тепловую энергию 1500 руб./Гкал равно 162 тыс. руб. Затраты на приобретение оборудования для системы автоматического регулирования составили 74,6 тыс. руб., т.е. технология окупается за половину временного периода работы системы автоматического регулирования, т.е. за 2,5-3 месяца.

Энергосберегающий потенциал разработанной технологии при ее реализации на всех ЦТП системы теплоснабжения Ульяновска составляет более 12 млн руб. в год, что, с учетом небольшого срока окупаемости, является выгодным инвестиционным проектом.

При технико-экономическом обосновании не учитывались снижение затрат электроэнергии на транспорт теплоносителя, снижение тепловых потерь в трубопроводах системы ГВС, возможное увеличение комбинированной выработки электроэнергии на ТЭЦ за счет снижения температуры обратной сетевой воды. С учетом этих составляющих срок окупаемости такой технологии будет еще меньше.

Поквартирные тепловые пункты

Примером энергоэффективных технологий использования теплоты в системах теплопотребления в ряде случаев могут служить поквартирные тепловые пункты (ПТП), которые представляют собой комплекс устройств, преобразующих параметры теплоносителя, перераспределяющих потоки теплоносителя в контурах отопления и ГВС квартиры и управляющих тепловыми нагрузками этих контуров. Применение ПТП в системах водоснабжения и отопления позволяет упростить схему разводящих внутри- домовых сетей теплоснабжения, снизить затраты на эксплуатацию объекта капитального строительства (за счет отсутствия централизованной системы ГВС) [5]. При этом владельцы квартир могут по своему усмотрению устанавливать необходимый экономичный тепловой режим и тем самым определять приемлемую оплату за потребленную тепловую энергию.

Недостатком открытой схемы теплоснабжения (рис. 6) в основном является наличие постоянного круглосуточного расхода циркуляционной воды в системе ГВС, что приводит к сверхнормативным тепловым потерям в системе ГВС и высоким энергетическим затратам на циркуляцию воды в системе ГВС. Типовая открытая система теплоснабжения характеризуется большой металлоемкостью, что приводит к увеличению начальных затрат на ее сооружение.

В НИЛ «ТЭСУ» УлГТУ разработан ряд технологий ГВС на основе ПТП [6, 7], одна из которых представлена на рис. 7.

Основным принципом работы такой системы теплоснабжения является то, что подготовка горячей воды происходит в непосредственной близости от водоразборных кранов, при этом отсутствуют тепловые потери в трубопроводе подачи ГВС, что позволяет полностью исключить циркуляцию воды в системе ГВС.

Определим экономию от внедрения ПТП в открытой системе теплоснабжения на примере одного стояка системы ГВС в 9-этажном многоквартирном жилом доме. Протяженность циркуляционных трубопроводов принята равной 60 м, диаметр — 20 мм.

Суммарный расход воды на нужды теплоснабжения определяем по формуле:

где Gот, Gгвс — расходы воды соответственно на отопление и ГВС.

Расход воды на ГВС определяем по формуле:

где G_г G_u — расходы горячей воды соответственно в водоразборных приборах и в циркуляционном трубопроводе.

Тепловые потери в циркуляционном трубопроводе при этом составят:

где q_ц — плотность теплового потока через 1 м циркуляционного трубопровода:

1_ц=60 м — протяженность циркуляционного трубопровода; t_ц— температура циркуляционной воды, О С; t_нв — температура наружного воздуха, О С; λст- — коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м. О С); d_вн — внутренний диаметр трубопровода, м; d_н — наружный диаметр трубопровода, м; α_в — коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней стенке трубы, Вт/(м 2 .К); α_вн — коэффициент теплоотдачи от наружной стенки трубы к наружному воздуху, Вт/(м 2 .К).

При годовой работе системы ГВС тепловые потери в циркуляционном трубопроводе составят:

где τ_гвс год =8160 — количество часов работы системы ГВС в год, ч.

Отсутствие теплопотерь в циркуляционном трубопроводе при использовании ПТП приведет к снижению расхода топлива:

где Q P _н — низшая теплота сгорания топлива, Дж/кг; η_бр, — КПД котла.

При стоимости 1 т у.т. равной 3700 руб. экономия с одного стояка внутридомовой системы ГВС составит П_тэ=3,0 тыс. руб. в год.

Расход воды на циркуляцию:

где с — удельная теплоемкость воды, ккал/(кг О С); ∆t_ц — температурный перепад в циркуляционном трубопроводе, О С.

Годовой расход воды в циркуляционном трубопроводе составит:

Расход электроэнергии циркуляции горячей воды при этом:

где γ — удельный вес перекачиваемой жидкости, Н/м 3 ; Н — напор насоса, м; η_н — КПД насоса.

Потребление электроэнергии на привод насоса составит 17,6 кВтч/год, что в денежном эквиваленте при стоимости электроэнергии 4 руб./кВт*ч составит П_э=70,4 тыс. руб. в год.

Общая экономия эксплуатационных затрат при использовании в системах ГВС ПТП составит:

Побщ=Пэц+Птэ+Пэ=81,2 тыс. руб. в год. (10)

Кроме того, при отсутствии циркуляционного трубопровода уменьшается и металлоемкость системы ГВС, которая при стоимости трубы Ду 20 — 50 тыс. руб./т приведет к экономии с одного стояка внутридомовой системы ГВС П_м=5,0 тыс. руб.

Определим капитальные затраты на внедрение ПТП с учетом дополнительного оборудования, устанавливаемого в них. В качестве основных капитальных затрат принята установка регулятора температуры и регулятора перепада давления. Стоимость этого оборудования в одном ПТП составит около 60 тыс. руб. Капитальные затраты на один стояк внутридомовой системы ГВС в 9-этажном многоквартирном доме составят порядка 540 тыс. руб. [9].

Срок окупаемости затрат от внедрения способа приготовления ГВС в ПТП составляет порядка 6 лет. Данные результаты основаны на расчетном объеме потребления ГВС.

Проведенное обследование систем ГВС жилых домов [4] показало, что реальное значение циркуляционного расхода существенно превышает расчетные значения. Очевидно, если фактический расход воды в циркуляционном трубопроводе системы ГВС будет превышать расчетный в 3-6 раз, срок окупаемости также пропорционально снизится. Таким образом, реальный срок окупаемости технологии ГВС с использованием ПТП составляет не более одного года.

Выводы

1. В системе теплоснабжения г. Ульяновска на одном из ЦТП реализована технология регулирования нагрузки системы горячего водоснабжения, учитывающая неравномерность потребления горячей воды. Особенностью разработанной и реализованной технологии является регулирование расхода воды в циркуляционном трубопроводе в зависимости от температуры воды после водоразборных точек в системе горячего водоснабжения.

2. Проведен анализ параметров ЦТП при различных режимах работы и определена величина экономии теплоты. В режимах работы ЦТП с регулированием циркуляционного расхода горячей воды относительно режима работы без регулирования теплопотребление ЦТП уменьшается на 12-20%.

3. Выполнен технико-экономический расчет реализованной технологии регулирования нагрузки системы горячего водоснабжения. Расчетная годовая экономия теплоты на одном ЦТП составляет 162 тыс. руб. Срок окупаемости, определенный с учетом затрат на покупку и монтаж оборудования, составляет менее трех месяцев.

4. Выполнен сравнительный анализ технологий обеспечения тепловой нагрузки в системах горячего водоснабжения с использованием поквартирных тепловых пунктов. Реализация таких технологий позволяет повысить экономичность работы систем горячего водоснабжения за счет снижения тепловых потерь и затрат на транспорт горячей воды в связи с отсутствием циркуляционного расхода.

5. Расчетный срок окупаемости технологии горячего водоснабжения с использованием поквартирных тепловых пунктов составляет около 6 лет. При фактических затратах на циркуляцию воды в существующих системах ГВС срок окупаемости сокращается до 1 года.

Литература

2. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04.07-86*. Тепловые сети. М.: Минстрой России, 1994. 46 с.

3. О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов. Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 г. № 354 // Российская газета. 2006. № 116. 01.06.2011.

4. Ротов П.В. Регулирование нагрузки городских теплофикационных систем / П.В. Ротов, В.И. Шарапов. Ульяновск: УлГТУ, 2013. 309 с.

5. Квартирные тепловые пункты в многоквартирных жилых домах. Рекомендации АВОК Р НП «АВОК» 3.2.1-2009. М.: ООО ИИП «АВОК-ПРЕСС». 2009. 46 с.

6. Патент 2549089 Российская Федерация. МПК 7 F 24 D 3/08. Способ работы открытой двухтрубной системы теплоснабжения/ П.В. Ротов, М.Е. Орлов, В.И. Шарапов, А.А. Сивухин; заявитель и патентообладатель УлГТУ № 2013145525/12; заявл. 10.10.13; опубл. 20.04.15, Бюл. № 11. 5 с.

7. Сивухин А.А. Сравнительный анализ технологий обеспечения нагрузки горячего водоснабжения / А.А. Сивухин, П.В. Ротов, В.И. Шарапов // Новые технологии в теплоснабжении и строительстве: сборник работ аспирантов и студентов — сотрудников научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки». Ульяновск: УлГТУ, 2015, Выпуск. 13. С. 373-379.