НАСОСЫ И НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

А. И. Красильников , технический директор ООО ПКФ «ЛИНАС»

Высотным принято считать здание высотой более 75 метров. Московским правительством принята программа «Новое кольцо», предусматривающая строительство более 60 высотных зданий. Среди них такие здания как «Россия» высотой 645 метров, «Федерация» – 450 метров, «Триумф Палас» – 264 метра.

Системы отопления и водоснабжения высотных зданий должны обеспечивать комфортное и безопасное пребывание людей. Проектирование систем водоснабжения и отопления высотных зданий отличается от проектирования аналогичных систем обычных зданий. Так, например, если проектировать системы обычным образом, то под действием гравитации в стояках отопления и водоснабжения здания «Россия» давление на первых этажах будет превышать 6 МПа, для здания «Федерация» – 4,5 МПа, для здания «Триумф Палас» – 2,6 МПа. Пользоваться холодной и горячей водой, находящейся под таким давлением, не только невозможно, но и опасно, а само присутствие в жилых или общественных помещениях трубопроводов, отопительных и сантехнических приборов, находящихся под таким давлением, представляет серьезную опасность.

Чтобы избежать присутствия трубопроводов с высоким давлением в жилых и общественных помещениях, водоснабжение и отопление высотных зданий разбивают на зоны. Зонирование осуществляется между соседними техническими этажами, которые располагают по высоте на расстоянии не более 50 метров. Организация зонирования оказывает существенное влияние на требования, предъявляемые к насосам, и на потребление электроэнергии этими насосами.

Каскадная схема подключения зональных теплообменников отопления и горячего водоснабжения
1 – циркуляционные насосы греющей воды
2 – зональные циркуляционные насосы отопленмя
3 – зональные циркуляционно-повысительные насосы ГВС

При подключении высотного здания к центральному теплоснабжению либо к автономным источникам, расположенным на земле, В. И. Ливчак рекомендует применять каскадную сему подключения теплообменников отопления и ГВС (журнал «Энергосбережение» № 4, 2004 г.). В каждой зоне располагаются по две группы теплообменников и циркуляционные насосы, обслуживающие теплообменники (см. рис. 1). Одна группа теплообменников обеспечивает системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения первой зоны. Вторая нагревает воду, подаваемую в следующую по высоте зону. Там также размещаются две группы теплообменников и циркуляционные насосы и т. д. (рис. 1). При такой схеме зонирования столб теплоносителя разделяется на зоны стенками трубок или пластинами теплообменника, следовательно, передачи давления из верхних зон в нижние не происходит, и давление в контурах зон определяется только высотой зоны. При таком зонировании требования к теплообменному оборудованию, отопительным приборам и насосам ничем не отличаются от требований к этим элементам системы обычных зданий.

Каскадная схема горячего и холодного водоснабжения высотного здания

Для функционирования горячего и холодного водоснабжения зон, построенных по описанной выше схеме, в зону необходимо подать холодную воду. Холодное водоснабжение зон также можно построить по каскадной схеме (рис. 2). Насосы ХВС при этом располагаются на технических этажах вместе с теплообменниками и циркуляционными насосами и должны развивать напор, достаточный для того, чтобы обеспечить водоснабжение обслуживаемой зоны и поднять воду к следующей по высоте зоне. Чтобы избежать наращивания гидростатического давления по высоте здания (рис. 2, красная линия на графике давлений), зоны разделены обратными клапанами, благодаря этому наращивание давления происходит только в пределах зоны (рис. 2, синяя линия на графике давлений). Обратные клапаны при каскадной схеме водоснабжения лучше располагать перед насосами – это позволит избежать осушения насосов через водоразборную арматуру ниже лежащей зоны.

При назначении требований к трубопроводам, арматуре, теплообменникам и насосам следует иметь в виду тот факт, что всегда существует вероятность того, что из-за неисправности обратных клапанов наращивание давления может охватить несколько зон или все здание по высоте. Поэтому, с целью исключения аварийного затопления помещений, необходимо, чтобы все элементы системы холодного и горячего водоснабжения выдерживали гидростатическое давление всех выше расположенных зон.

Из практики известно, что два насоса с частотными приводами, управляемыми по давлению и соединенные последовательно, как правило, работают неустойчиво: один из насосов «задавливает» другой, а в ряде случаев возникают автоколебания в системе управления насосами. Причина этих явлений кроется в том, что изменение, под действием случайных факторов, например напора одного из насосов, вызывает изменение показаний датчиков обоих насосов и, следовательно, изменение частоты вращения обоих насосов. В результате этого, в случае медленно протекающих процессов, возникает перераспределение напоров между насосами, а в случае быстро протекающих процессов возникает перерегулирование, нарушающее нормальную работу систем управления насосами и способствующее возникновению автоколебаний.

Для высотных зданий описанная цепочка последовательно соединенных насосов удлиняется, что повлияет на работу системы управления, увеличив ее склонность к автоколебаниям. Пояснить это можно следующим образом. Предположим, что произошло быстрое изменение расхода воды в последней, верхней зоне. Это вызовет цепную реакцию изменения частоты вращения насосов всех нижележащих зон, при этом изменение частоты вращения насоса каждой нижележащей зоны будет происходить с некоторой задержкой времени по отношению к предыдущей зоне. Эти временные задержки при определенных условиях вызывают такие колебательные явления в системе управления насосами, когда изменение частоты вращения насосов в разных частях трубопровода будет иметь разное направление, т. е. в одной части трубопровода частота вращения насосов увеличивается, а в другой в тот же момент времени уменьшается. Под воздействием этих колебаний частоты вращения насосов в трубопроводе возникнут интенсивные колебания давления и, если они совпадут с собственными частотами столба жидкости в трубопроводе, возникнет явление резонанса, сопровождающееся ростом амплитуд колебания давления до опасных значений. Из сказанного следует, что при каскадной схеме водоснабжения высотных зданий применять частотный привод насосов надо с большой осторожностью.

Энергосбережение в системах с каскадным зонированием водоснабжения обеспечивается правильным подбором насосов. При подборе насосов надо исходить из того, что насосы нижней зоны должны подать такое количество воды, чтобы обеспечить ею свою и все выше расположенные зоны. В то время как насосы самой верхней зоны должны обеспечить водой только свою зону. Производительность насоса любой промежуточной зоны можно определить по формуле

j – номер зоны, где расположен насос;

i – текущий номер зоны;

q_i расход вводы i-той зоны;

n – общее число зон.

Паралельная схема зонирования горячего и холодного водоснабжения высотных зданий

Альтернативой каскадной схеме водоснабжения является параллельная схема зонирования, представленная на рис. 3. Здесь зоны являются независимыми. Каждую зону обслуживают свои насосы, расположенные в нижней части здания и подающие воду только в свою зону. При использовании этой схемы воздействие высокого давления на теплообменники, арматуру и сантехническое оборудование, расположенные на этажах зоны, полностью исключается.

Воздействию гидростатического давления подвергаются только насосы и трубопроводы, поднимающие воду из городского водопровода. Несмотря на требуемые высокие напоры насосов и на большие гидростатические давления, которые должен выдерживать насос, подобрать насосы для параллельных схем зонирования не составляет особого труда. Фирма «ЛИНАС», например, поставляет насосы типа АЦГС с напорами до 600 м и рабочим давлением в корпусе до 6,0 МПа.

При параллельном зонировании энергосбережение обеспечивается путем оптимального выбора числа зон и применения насосов с частотным приводом.

Оптимизация числа зон основывается на том, что гидравлическая мощность, передаваемая насосом жидкости, определяется произведением подачи насоса на его напор. Если здание не разделяется на зоны, гидравлическая мощность, необходимая для его водоснабжения, будет равна

Q – подача насоса (м 3 /ч);

H – напор насоса (м. вод. ст.);

367 – коэффициент, связанный с принятыми единицами измерения.

При двух зонах половина потребляемой воды поднимается на всю высоту здания, а вторая половина – только на половину высоты. При трех зонах треть воды поднимается на всю высоту здания, треть – на две трети высоты и оставшаяся треть – на одну треть и т. д. Суммарная гидравлическая мощность насосов, подающих воду в здание, будет равна

n – общее число вертикальных зон водоснабжения;

i принимает значения от 1 до n.

Снижение гидравлической мощности при разбиении водоснабжения здания на зоны приведено в табл. 1.

Таблица 1

Количество зон 1 2 3 4 5 6 7 8 Снижение гидравлической мощности % 0 25 33 37 40 42 43 44

Из табл. 1 видно, что разбиение системы водоснабжения на две зоны дает эффект снижения мощности на 25 %, разбиение на три зоны – на 33 %, при дальнейшем увеличении числа зон рост эффективности замедляется. С точки зрения энергосбережения можно рекомендовать четырех и пятизонные системы водоснабжения.

При реальном проектировании следует учитывать и другие факторы, как то: высота зоны, капитальные затраты на оборудование и т. п. Как уже упоминалось, высота зоны не должна превышать 50 м, и в то же время вряд ли целесообразно иметь зоны высотой один-два этажа.

Для водоснабжения помещений, расположенных на высоте менее 75 м, применение частотного привода насосов при параллельных схемах зонирования ничем не отличается от частотного регулирования насосов водоснабжения обычных зданий.

Для зон, расположенных выше 75 м, с целью снижения мощности преобразователя частоты, можно рекомендовать две группы последовательно соединенных насосов (рис. 4). Первая группа (базовые насосы) располагается внизу, она поднимает воду до технического этажа соответствующей зоны. На техническом этаже расположена вторая группа насосов (зональные насосы) с гидроаккумулирующим баком, подающая воду на этажи зоны. Давление на этажах здания при этой схеме водоснабжения складывается из четырех составляющих – давления в городском трубопроводе Р1, напора Нб базовых насосов, напора Нз зональных насосов и геометрической высоты расположения этажа Нг (см. рис. 4) .

Насосная установка с базовыми и зональными насосами

Базовые насосы, расположенные в нижней части здания, работают с постоянной частотой вращения. Регулирование насосов каскадное. Насосы включаются и выключаются по сигналу от датчика давления или по сигналу от датчика расхода, расположенного в напорном трубопроводе базовых насосов. Управление насосами от датчика расхода является более предпочтительным, т. к. в этом случае изменение давления в городском водопроводе не будет влиять на момент подключения и отключения дополнительного насоса. Следует также иметь в виду, что датчики давления, рассчитанные на большие давления, имеют меньшую чувствительность, а недостаточная чувствительность датчика не позволит своевременно производить переключение насосов.

Напор базовых насосов выбирается таким образом, чтобы на нулевой подаче насоса и при максимальном давлении в городском водопроводе давление на входе зональных насосов было на 0,05–0,1 МПа меньше расчетного, а при минимальном давлении в городском водопроводе было не менее 0,1 МПа.

Требования к зональным насосам такие же, как и к повысительным насосам обычных зданий с той разницей, что они должны обладать пониженной шумностью, т.к. устанавливаются на перекрытиях технических этажей.

С целью снижения шумности надо стремиться так подобрать базовые насосы, чтобы обеспечить минимальную мощность зональных насосов. Регулирование зональных насосов каскадно-частотное. Изменение частоты вращения зональных насосов компенсирует изменение собственного напора и напора базовых насосов при изменении расхода воды, а также колебания давления в городском водопроводе. Гидроаккумулирующий бак, подключенный к напорной линии зональных насосов, позволяет отключать зональные и базовые насосы в периоды малого водопотребления. Напор Нз (рис. 4) зональных насосов выбирается таким образом, чтобы при расчетном расходе воды Qр и частоте тока 45–50 Гц обеспечивалось заданное давление в стояках зоны даже при минимальном давлении в городском водопроводе.

В заключение следует сказать, что проектирование систем водоснабжения высотных зданий, а также оптимальный подбор насосов, схем управления и компоновки насосных установок для этих систем является новым и мало изученным делом. Все вопросы, возникающие при проектировании конкретных зданий, должны решаться совместными усилиями проектировщиков здания, а также изготовителей насосов, насосных установок и станций управления.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Насос для отопления многоэтажного здания

Использование тепловых насосов в многоэтажных домах.

В России жилые многоэтажные дома строятся в большом количестве. При этом стандартным решением для обогрева квартир до сих пор является обычные высокотемпературные радиаторы и системы «теплых полов». Во многих случаях кондиционирование воздуха отсутствует, а если и присутствует, то, как правило, это локальные кондиционеры. При возможности, эти многоэтажные здания подсоединяются к теплоцентрали. В случаях, когда такое решение невозможно из-за отсутствия теплоцентрали или нехватки на некоторых ее участках мощности, на таких зданиях устанавливаются индивидуальные тепловые пункты (ИТП).

Рассмотрим ряд случаев, когда использование тепловых насосов может существенно упростить решение задач теплоснабжения и кондиционирования и улучшить качество жилья в городских условиях. Например, когда существующая теплоцентраль исчерпала ресурсы высоко потенциального тепла, в центральной тепловой сети еще есть достаточно низко потенциального тепла для обогрева значительного количества зданий.

Обратная вода теплоцентрали обычно имеет температуру 30-40 градусов С. На рис.3 приведен пример использования обратной воды из центрального теплового пункта для нагрева контура водяных тепловых насосов. Эта система использует теплообменник и трехходовой клапан для поддержания температуры в прямой трубе контура тепловых насосов в диапазоне 25-28 градусов. Температура воды в обратной трубе тепловых насосов обычно опускается до 15-20 градусов. Рисунок иллюстрирует случай, когда горячая питьевая вода поставляется традиционным методом из ЦТП. В качестве альтернативы для горячего водоснабжения могут быть использованы индивидуальные тепловые насосы типа вода-вода, расположенные в каждой квартире или в домовом тепловом пункте.

Когда в здании с центральным отоплением необходимо организовать дополнительное отопление помещений, а ресурсы существующей системы отопления исчерпаны, то контур тепловых насосов может быть подключен к обратной трубе системы отопления или горячего водоснабжения внутри самого здания. В этом случае не требуется организовывать дополнительного подключения в центральном тепловом пункте и строительства дополнительной магистрали контура тепловых насосов. Все работы проводятся с минимальными затратами внутри самого здания.

На рис.4 показано подключение контура тепловых насосов прямо к обратной трубе центральной тепловой сети здания или теплоцентрали.

Насос Р11 или Р12, оснащенный частотным преобразователем забирает воду из обратной трубы тепловой сети, прокачивает ее через теплообменник и возвращает ее в ту же трубу. Система управления регулирует скорость насоса таким образом, чтобы температура в прямой трубе контура тепловых насосов была в оптимальном диапазоне 25 – 28 градусов. Преимущества этой системы заключается в ее дешевизне, сравнительно малом размере и легкости монтажа. Насосы и теплообменник могут быть легко размещены в подвальном помещении обслуживаемого здания.

Система охлаждения легко добавляется при установке на крыше градирни или теплового насоса с накопительной емкостью для приготовления горячей воды или аккумулирования тепла. Пример представлен на рис.5-7. В соответствии с этим рисунком в периоды, когда требуется отопление, работают насосы Р1 и Р2 и клапан V1 включен в состояние обхода градирни, градирня выключена. Система управления поддерживает температуру ТЕ в диапазоне 25 – 28 градусов. Когда требуется охлаждение насосы Р1 выключаются, клапан V1 включается в состояние пропуска воды через градирню, система управления регулирует скорость вентилятора градирни так, чтобы температура в прямой трубе контура тепловых насосов была в диапазоне 25 – 28 градусов. Необходимо отметить, что в переходные периоды года, значительную часть времени вообще не потребуется внешнего источника отопления или охлаждения здания. Тепловые насосы, например на северной и южной сторонах здания, будут работать в противоположных режимах и тепло будет перекачиваться с южной стороны здания на северную сторону.

В тех случаях, когда строится новая ветвь тепловой сети, рассчитанная на использование тепловых насосов, она может быть рассчитана на максимальную температуру 70 градусов. Такая система обеспечит горячее водоснабжение и отопление в течение всего года. Пример такой системы показан на рис.8-9. Подсоединение контура тепловых насосов может быть осуществлено между прямой и обратной трубами тепловой магистрали, либо только к обратной трубе с использованием циркуляционных насосов как это показано на рисунке. Основное достоинство такого подхода является то обстоятельство, что тепловая магистраль работает при низких давлениях и температурах и может быть выполнена из некорродирующих пластиковых материалов.

При отсутствии тепловой сети может быть использована схема котел — градирня, показанная на рис.10-11. В этом случае низко-потенциальное тепло для обогрева генерируется специальными высокоэффективными конденсационными котлами. При необходимости вывода тепла из здания включается градирня и открывается клапан V3. При необходимости ввода тепла в здание, клапан V3 закрывается, градирня выключается, клапаны V1 и/или V2 открываются, и включается один или два котла. Следует отметить, что такая система является более энергетически экономичной по сравнению с традиционным водяным отоплением, поскольку значительную часть времени тепло перекачивается внутри системы из одних помещений, требующих охлаждение (например, с южной стороны здания) в другие помещения, требующие отопления.

На рис.12-13 показана система отопления и кондиционирования отдельной квартиры или офиса. Оборудование может включать в себя тепловой насос с воздушным вторичным контуром. Для обеспечения адекватной вентиляции в насос подается необходимое количество внешнего воздуха, предварительно обработанного центральной приточной установкой (которая также может быть построена с использованием теплового насоса). Система может быть оборудована зонным регулированием температуры, при которой каждая зона (комната) оборудована воздушной автоматической заслонкой и термометром, и система автоматики поддерживает точную температуру в каждой зоне. При желании может быть установлен тепловой насос типа вода-вода, который обеспечит питание теплых полов, например, в ванной.

Также может быть установлен тепловой насос типа вода-вода с накопительным баком для обеспечения горячего водоснабжения. В последнем случае к каждой квартире подводятся только три трубы: две трубы контура тепловых насосов и труба холодной воды. Легко заметить, что предлагаемая система в состоянии обеспечить практически любой уровень комфорта в течение всего года, включая те месяцы, когда тепловая сеть работает только в режиме горячего водоснабжения.

Как указывалось выше системы с тепловыми насосами часто совсем не используют внешнюю тепловую энергию, используя только электроэнергию для перекачки тепла из одних помещений в другие.

Очень хорошие результаты можно получить, если добавить в рассмотренные варианты системы по утилизации тепла вентиляционных выбросов зданий и возврата этого тепла для обогрева или горячего водоснабжения. Это особенно эффективно в домах с индивидуальным отоплением, где всегда высокая температура вентиляционных выбросов.

В схему теплоснабжения от тепловых насосов гармонично и эффективно вписываются солнечные гелиоколлекторы, применение которых с апреля по сентябрь может полностью удовлетворить потребность в дополнительной энергии.

В любом случае, предложенные схемы могут меняться в зависимости от конкретной поставленной задачи и имеющихся источников низко-потенциального тепла.

Подводя итог, можно утверждать, что современные тепловые насосы могут найти очень широкое применение в городском строительстве, помочь решить многие проблемы современного централизованного теплоснабжения и в тоже время существенно увеличить уровень комфорта и улучшить экологическую ситуацию в существующем и новом жилом и офисном фонде.

Следует также отметить, что технология тепловых насосов имеет долгую историю развития, начиная с пятидесятых годов прошлого века. Это хорошо освоенная технология, широко применяющаяся в жилищном и коммерческом строительстве целого ряда стран, особенно США, Европе и Японии.

Мы готовы предоставить все необходимое оборудование и услуги для решения практически любой задачи отопления, вентиляции и кондиционирования с использованием тепловых насосов.

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ГОРОДСКОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ.

Суть предложений заключается во внедрении в массовом масштабе малых реверсивных тепловых насосов (ТН), которые устанавливаются в каждой квартире. При этом подключение дома к централизованной системе городского отопления осуществляется не к «прямой» трубе, а к «обратной», в которой температура воды 40 — 50°С.. Тепловые насосы, охлаждая эту воду, перекачивают тепло к воздуху помещения, температура которого ≈20°С.. В этом температурном интервале термическая эффективность ТН будет иметь значение 5-6. Потребление тепла из «обратной» воды позволяет подключить к перегруженным теплотрассам новых потребителей тепла.

Схема теплоснабжения показана на рисунке. На схеме показан источник тепла — «обратная» вода. Передача тепловой энергии в дом осуществляется через теплообменник, в котором до 45°С нагревается теплоноситель. В качестве теплоносителя может использоваться антифриз, что гарантирует систему теплоснабжения дома от размораживания. Теплоноситель подается в каждую квартиру, где он через теплообменник-испаритель передает тепло фреону. Индивидуальные тепловые насосы (переоборудованные мульти сплит-системы, у которых на один компрессор приходится несколько воздушных теплообменников-конденсаторов) обеспечивают контролируемый процесс отопления всей квартиры. После раздачи тепла по этажам дома теплоноситель с температурой = 20°С поступает в подвальное помещение, где установлен мощный тепловой насос (ТН) (один на подъезд или один на дом). Этот тепловой насос предназначен для утилизации остаточного тепла теплоносителя и нагрева этим теплом воды в баке-аккумуляторе до температуры 60°С. Из бака вода поступает для горячего водоснабжения. В доме предусмотрена система принудительной вентиляции, которая использует горячий фреон после компрессора для нагрева воздуха, поступающего с низкой наружной температурой, и охлаждение холодным фреоном воздуха перед его удалением из здания. Последнее является очень важным достоинством новой системы отопления, поскольку домам с герметичными пластиковыми окнами необходима система принудительной вентиляции. Эта система может дополнительно включать фильтры, очищающие воздух.

Перечислим основные преимущества новой системы отопления, которые делают ее привле кательной для потребителей практически всех городов России.

■ Бытовой тепловой насос (ТН) приобре тает новую функцию — высокоэффективной всес езонной отопительной системы, но при этом сохраняет функцию кондиционе ра. В жаркий период года тепловой насос (ТН) будет охлаждать воздух в помещениях, и тепло будет передавать теплоносителю, который по- прежнему будет циркулировать в трубах здания, несмотря на отсутствие «обратной» воды. Тепло, собранное теплоносителем в квартирах, поступает на вход теплового насоса (ТН), подготавливающего горячую воду.

■ Жители домов с новой отопительной системой будут иметь бесперебойное снабжение горячей водой питьевого качества.

■ Установка бытовых тепловых насосов (ТН) в квартирах по зволит жителям контролировать потребление тепла по показанию электросчетчиков. Совре менные бытовые кондиционеры снабжаются ав томатической управляющей системой, которая дает возможность пользователю программи ровать теплопотребление. К примеру, уменьшать температуру в помещении в ночное время и на время отсутствия жильцов. По опыту развитых стран, где используется такое локальное регули рование, оно дает снижение теплопотребления на 30 — 50%.

Описанный метод мо дернизации отопительной системы, основанный на технологии тепловых насосов в совокупности с другими системными мероприятиями — как-то: энергоаудит, утепление зданий, прокладка новых теплотрасс с изоляцией из пенополиуретана — позволит снизить расходы топлива на отопление в 2 — 3 раза. Реализация этого подхода в целом по всей стра не позволит уменьшить выбросы СО, на 300 — 500 млн. тонн в год. Эту цифру можно сравнить с суммарным выбросом СО₂ всеми электростан циями Японии, который равен 302 млн. тонн. Учитывая сложившуюся в мире ситуацию с пар никовым эффектом, модно рассчитывать на ин вестиции международных фондов в развитие новой системы теплофикации в России.

Схема тепоснабжения:

1 — резервуар для теплоносителя; 2 — теплообменник; 3 — всесезонная климатическая установка; 4 — воздушный теплооб­ менник; 5 — кран горячей воды; 6 — воздушный теплообменник; 7 — теплообменник; 8 — тепловой насос; 9 — бак горячей воды; 10 — автоматический вентиль холодной воды; 11 — насос; 12 — двуходовой вентиль; 13 — насос; 14 — теплообменник; 15 — теплообменник; 16 — дополнительный электронагреватель; 17 — воздуходувка; 18 — магистральная труба с «обратной» водой .