Оптимизация режимов работы систем горячего водоснабжения

К.т.н. П.В. Ротов, заместитель главного инженера,
УМУП «Городской теплосервис», г. Ульяновск

Характерной особенностью отечественных систем горячего водоснабжения является сильно выраженная циркуляционная составляющая. Циркуляция воды в системах горячего водоснабжения (ГВС) предназначена для компенсации тепловых потерь при отсутствии водоразбора [1]. Однако данные по тепловым потерям во внутридомовых системах горячего водоснабжения практически всегда отсутствуют в проектной или эксплуатационной документации теплопотребляющих систем. Без этих данных сложно производить режимно-наладочные мероприятия в системах горячего водоснабжения. Поэтому тепловые потери в трубопроводах систем горячего водоснабжения, как правило, определяют в долях от расхода воды. Согласно [2, 3] нормативные значения циркуляционного расхода предусмотрены в размере 10% от расчетного расхода воды, определенного для неотопительного периода. В [4] потери теплоты трубопроводами систем горячего водоснабжения учитываются прибавлением доли среднего за отопительный период расхода воды в системе ГВС. При этом коэффициент, учитывающий потери трубопроводами, зависит от конструктивных особенностей и наличия изоляции трубопроводов, изменяется от 0,15 до 0,35. Для широко распространенных в отечественном теплоснабжении систем горячего водоснабжения с неизолированными стояками и полотенцесушителями добавочный коэффициент равен 0,35.

В современной законодательной и нормативно-технической литературе, регламентирующей эксплуатацию систем горячего водоснабжения, существует ряд противоречий, влияющих на экономичность работы систем горячего водоснабжения. Так, согласно требованиям [1, 5] в системах ГВС температура воды может изменяться в значительных пределах: 50-75 О С в закрытых системах, 60-75 О С в открытых системах. Нормативный документ [6] предписывает выдерживать температуру горячей воды в системах горячего водоснабжения дошкольных организаций не ниже 65 О С. Согласно требованиям [7, 8] температура горячей воды должна выдерживаться в пределах 60-75 О С независимо от применяемой системы горячего водоснабжения. Согласно [8] допускается отклонение температуры воды в точке водоразбора в ночное время (с 23:00 до 06:00) не более чем на 5 О С; в дневное время (с 06:00 до 23:00) не более чем на 3 О С.

Противоречия в законодательной и нормативной литературе [5, 6, 7, 8] заключаются в том, что в зданиях, подключенных к одной централизованной системе теплоснабжения, должны поддерживаться различные температуры в системе ГВС. Кроме того, в расчетах тарифа на горячую воду, как правило, применяют значения температур, соответствующие нижнему нормативному уровню, т.е. потребители не оплачивают избыточную тепловую энергию, которая поступает в систему ГВС при повышенной температуре воды. Особенно остро эта проблема стоит в системах, не оборудованных приборами коммерческого учета 9.

Сотрудниками научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ совместно со специалистами коммунальных предприятий проведено обследование систем горячего водоснабжения жилых домов г. Ульяновска в отопительном сезоне 2011-2012 гг. В результате обследования установлено, что реальное значение циркуляционного расхода существенно превышает расчетные значения. В табл. 1 приведены средние за отопительный период расходы в системах горячего водоснабжения ряда жилых домов.

Расход воды в циркуляционных трубопроводах систем горячего водоснабжения жилых домов G₄ составляет 40-90% от расхода в подающем трубопроводе G₃ и 70-500% от расхода воды на горячее водоснабжение G_f.

В табл. 2 приведены среднечасовые температуры воды и расходы тепловой энергии в системах горячего водоснабжения ряда жилых домов г. Ульяновска, подключенных к тепловым сетям по открытой схеме. Данные в табл. 2 усреднены за 7 месяцев отопительного сезона 2011-2012 гг.

Из табл. 2 следует, что в системах ГВС практически всех обследованных жилых домов, среднечасовая температура воды превышает нижний нормативный уровень на 2-6 О С. С учетом допускаемого отклонения 3 О С в дневное время и 5 О С в ночное [10], температура в системах ГВС превышает нормативный уровень на 5-9 О С в дневное время и на 7-11 О С — в ночное. Из табл. 2 также следует, что потери теплоты при циркуляции горячей воды составляют 40-70% от всего теплопотребления в системе горячего водоснабжения. Режим работы систем горячего водоснабжения отличается существенной часовой и суточной неравномерностью. Установка на циркуляционных трубопроводах дроссельных шайб с постоянным отверстием не позволяет в полной мере учесть изменения потребления ГВС. В результате температура воды в циркуляционных трубопроводах систем ГВС превышает температуру воды в обратных трубопроводах систем отопления, что приводит к повышению температуры воды в обратных трубопроводах тепловых сетей и, как следствие, к снижению экономической эффективности теплофикационных систем. На циркуляционных линиях систем ГВС всех домов в период проведения обследования были установлены шайбы, диаметры которых приведены в табл. 1.

На наш взгляд в системах ГВС необходимо применять технологии регулирования, позволяющие учесть неравномерность режимов их работы. Одной из таких технологий является технология поддержании температуры горячей воды вблизи нижнего предела в период минимального водоразбора, что позволяет добиться значительной экономии теплоты.

В настоящее время существует большая номенклатура приборов, позволяющих осуществлять оптимизацию теплоснабжения в соответствии с графиками теплопотребления. Выбор типа прибора и схемы его включения должен быть обусловлен необходимостью решения различных задач при регулировании параметров теплоносителя.

С декабря 2006 г. в системе теплоснабжения г. Ульяновска применяются технологии регулирования параметров горячего водоснабжения. Регулирование осуществляется на основе программируемых контроллеров с функцией реального времени, позволяющих программировать изменение температуры воды в системе горячего водоснабжения в соответствии с фактическим водопотреблением. Первоначально регулирование применялось в закрытых системах ГВС, что обусловлено большим диапазоном нормируемой температуры ГВС.

На рис. 1 показана схема включения контроллера в структуру центрального теплового пункта (ЦТП). Импульс от датчика температуры 8 поступает в контроллер 6, где формируется управляющий сигнал для электропривода регулятора 7.

Первоначально настройка регулятора была выполнена таким образом, что с 0:00 до 19:00 температура ГВС на выходе с ЦТП поддерживалась 55 О С, а с 19:00 до 0:00 — 58 О С. Затем, при неизменной продолжительности периодов регулирования, температуры были изменены соответственно на 54 О С и 60 О С. Такая настройка объясняется необходимостью поддержания повышенной температуры ГВС в пиковый период.

Анализ работы прибора и сравнение параметров работы ЦТП за декабрь 2006 г., январь и февраль 2007 г. показали, что суммарный расход теплоносителя через ЦТП снизился на 4264,4 т (152 т в сутки) в январе и на 5847,9 (244 т в сутки) в феврале (линия 1 на рис. 2). Вследствие понижения расхода существенно уменьшилось теплопотребление ЦТП. Так, в январе теплопотребление снизилось на 85,3 Гкал (3 Гкал в сутки), что составило 2,5% от теплопотребления в декабре 2006 г. Увеличение теплопотребления в феврале обусловлено повышением температуры сетевой воды в подающей магистрали: средняя разность температур между подающим и обратным трубопроводами составила 33,1 О С. Можно с полной уверенностью утверждать, что при отсутствии регулирования на ЦТП теплопотребление в феврале существенно превысило бы фактическое. Данные сравнительного анализа приведены в табл. 3.

Таблица 3. Технико-экономические показатели работы теплового пункта.

Наименование	Декабрь 2006 г.	Январь 2007 г.	Февраль 2007 г.
Теплопотребление, Гкал	3412,2	3326,9	4025,3
Суммарный расход теплоносителя в подающем тубопроводе, т	127352,97	123088,6	121505,1
Средняя температура в подающем трубопроводе, °С	72,01	71,82	80,9
Средняя температура в обратном трубопроводе, °С	45,22	44,79	47,8
Средняя температура наружного воздуха, °С	-2,3	-2,2	-14,3

Большее снижение расхода теплоносителя в феврале обусловлено изменением режима регулирования температуры ГВС. В феврале в период минимального водоразбора температура ГВС поддерживалась на более низком уровне, чем в январе. На рис. 3 показана динамика изменения температуры воды, подаваемой на ГВС, по часам суток. На графике четко прослеживаются периоды изменения температуры в соответствии с заданной программой.

На рис. 4 и 5 приведено сравнение параметров работы ЦТП с 0:00 до 13:00 29.01.07 г. и с 0:00 до 13:00 30.01.07 г. В период с 0:00 по 13:00 29.01.07 г. температура на выходе с ЦТП поддерживалась 54 О С, в период с 0:00 до 13:00 30.01.07 г. — 60 О С. Анализ суточных параметров ЦТП за это время показал: часовой расход теплоносителя увеличился на 1-2%; часовое теплопотребление ЦТП увеличилось на 5-6%; расход теплоты с ГВС увеличился на 8-10%. Сравнение режимов работы ЦТП за 29-30.01.07 г. является дополнительным подтверждением эффективности произведенной оптимизации режима работы системы ГВС.

Равенство средних температур наружного воздуха в декабре 2006 г. и январе 2007 г. позволяет провести технико-экономическое сравнение показателей работы ЦТП в эти месяцы и сделать вывод о том, что снижение расхода теплоносителя через ЦТП в январе обусловлено только оптимизацией режима работы системы ГВС.

Технико-экономические расчеты показывают, что в январе 2007 г. за счет оптимизации режима теплопотребления было сэкономлено 43503 руб. при тарифе 510 руб./Гкал. Стоимость прибора и монтажных работ составили 15000 руб. Таким образом, затраты на покупку и монтаж контроллера окупились менее чем за месяц. Чистая экономия от установки прибора составила 28503 руб.

На примере одного ЦТП показана эффективность энергосбережения от внедрения простого, малозатратного и быстроокупаемого технического решения.

В структуру системы теплоснабжения г. Ульяновска входит более 100 центральных тепловых пунктов. По результатам этого пилотного проекта было рекомендовано в системе теплоснабжения г. Ульяновска внедрять технологии регулирования температуры ГВС с учетом часовой и суточной неравномерности потребления ГВС. В настоящее время в системе теплоснабжения г. Ульяновска такое регулирование осуществляется на 25 ЦТП с расчетной максимальной тепловой нагрузкой ГВС равной 171 Гкал/ч (расчетная среднечасовая нагрузка ГВС 85,5 Гкал/ч). Ежегодная экономия тепловой энергии на этих ЦТП за счет ночного понижения температуры ГВС составляет более 3,96 млн руб. при средневзвешенном тарифе на покупку тепловой энергии в размере 1100 руб./Гкал (с учетом НДС). Экономия определялась из условия ежедневного 6-часового понижения параметров. При этом затраты на привод регуляторов температуры, питание датчиков температуры и контроллеры составляют не более 105 кВт.ч в год, стоимостью не более 500 руб.

Реализация подобного технического решения на каждом ЦТП позволит добиться существенной экономии топливно-энергетических ресурсов, снижения себестоимости производства и транспорта теплоты и, как следствие, снижения тарифов для населения.

Выводы

1. Проведен анализ режимов работы систем горячего водоснабжения жилых домов г. Ульяновска. В результате обследования определено, что в системах горячего водоснабжения происходит существенный перерасход тепловой энергии и теплоносителя, обусловленный нерегулируемой циркуляцией теплоносителя и отсутствием регулирования температуры горячей воды в периоды минимального водоразбора.

2. С 2006 г в системе теплоснабжения г. Ульяновска реализуется автоматическое регулирование температуры горячей воды с нормативным понижением температуры в периоды минимального водоразбора. Обследование режимов работы ЦТП показало, что за счет автоматического понижения температуры ГВС в периоды минимального водоразбора теплопотребление системы горячего водоснабжения снижается более чем на 2,5 %.

3. В период с 2006 по 2012 гг. автоматическое понижение температуры ГВС в периоды минимального водоразбора реализовано на 25-ти ЦТП в системе теплоснабжения г Ульяновска. Расчетная годовая экономия тепловой энергии на этих ЦТП за счет ночного понижения температуры ГВС составляет более 3,96 млн руб. при средневзвешенном тарифе на покупку тепловой энергии в размере 1100 руб./Гкал (с учетом НДС).

Литература

1. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация зданий. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.

2. Строительные нормы и правила. СНиП 2.04.07-86. Тепловые сети. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. — 50 с.

4. Свод правил по проектированию и строительству. СП 41-101-95. Проектирование тепловых пунктов / Минстрой России. — М.: Изд-во ГУП ЦПП, 2003. — 78 с.

6. Об утверждении СанПиН 2.4.1.2660-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к устройству, содержанию и организации режима работы в дошкольных организациях». Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 22.07.2010 г. № 91 //Российская газета, 2010. — № 5280. — 08.09.2010.

9. Ротов П.В., Егоров В.Н., Сидорова Л.Ю. О необходимости приборного учета в системах горячего водоснабжения// Сантехника, отопление, кондиционирование.

10. Ротов П.В., Егоров В.Н. Учет воды на горячее водоснабжение — важнейший фактор энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве / П.В. Ротов, В.Н. Егоров // Материалы Пятой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетики и промышленности». — Ульяновск: УлГТУ, 2006. Т. 2. С. 66-70.

11. Ротов П.В., Егоров В.Н. Приборный учет в системе ЖКХ на примере г. Ульяновска. // Строительная инженерия. 2006. — № 5. С.

Система автоматического регулирования водоснабжения: приборы для контроля и обеспечения рабочих параметров сети

Индивидуальный тепловой пункт в многоэтажном доме

Любая система подачи воды на объект, представляет собой сложный механизм, состоящий их нескольких блоков оборудования, соединённого в единый «организм». И чем более слажена работа всех элементов системы, тем она надёжнее и экономичнее с точки зрения энергопотребления.

Обеспечивать координацию всех подключенных друг к другу приборов, и помогает автоматическая система. Просмотрев видео в этой статье: «Отопление, водоснабжение, регулировка», а так же ознакомившись с самой статьёй, вы сможете прояснить для себя многие вопросы.

Для чего нужна регулирующая система

Набор приборов и оборудования, участвующего в обеспечении водой сети, зависит от её масштабов. Кроме самих трубопроводов и насосных агрегатов, это могут быть водоприёмники, станции обезжелезивания и станции повышения напора.

Обратите внимание! Основной задачей проектировщиков, является оборудование таких систем автоматикой, которая могла бы обеспечить их слаженную работу. В этом нуждаются не только системы водоснабжения (централизованные или локальные), но и канализационные насосные станции, очистные сооружения, системы орошения и полива, пожаротушения.

Возможности автоматики

Автоматизация даёт возможность:

• Контролировать интенсивность их работы;
• Организовать её в наиболее экономичном режиме;
• Вести управление из одной точки;
• Отслеживать характеристики воды;
• Осуществлять регулирование температуры (горячее водоснабжение централизованное);
• Обеспечить бесперебойную работу системы в целом, не смотря на выход из строя какого-то одного участка.

Комплектность приборов для управления

В зависимости от структуры системы водоснабжения в целом, для её автоматизации в том или ином составе может применяться оборудование, основной набор которого вы видите на фото в представленной ниже галерее.

• Прежде всего, это различные датчики, с помощью которых осуществляется регулировка процессов и выявление неполадок в системе.
• Регуляторы помогают преобразовать один параметр в другой, более удобный.
• Блок (модуль) ввода обрабатывает данные приборов, преобразует полученную информацию в нужный формат, и поставляет её на контроллер.
• Именно контроллер, который представляет собой мини-компьютер, на основании полученных данных, управляет технологическим процессом.
• Сигнал от контроллера подаётся на исполнительный механизм, которым и является насос, либо пневматический или гидравлический привод.

Обратите внимание! Естественно, что все приборы по своим возможностям подбираются по параметрам и мощности системы, а потому существуют бытовые и промышленные варианты.

Вариант организации автоматического контроля системы водоснабжения

В системах с диспетчерским управлением, информация с периферии на центральный пункт может передаваться как через спутниковую связь или беспроводной интернет, так и через радиоканал или мобильную связь. Именно так организуется автоматизация глубинной скважины, а визуально это выглядит примерно как на картинке сверху.

Преимущества автоматических насосных установок

Вполне естественно, что требования к автоматике, включаемой в комплектацию насосных установок, формируются с учётом их назначения:

• Чаще всего, это обеспечение определённых пределов давления, расход воды и её температура.
• Важно так же, чтобы в случае аварийного отключения рабочего насоса, мог активизироваться насос резервный.
• Нередко возникает необходимость записи рабочих параметров системы, а так же сигнализация, которая позволит осуществлять контроль над её работой дистанционно.
• Особенно это касается систем подачи горячей воды в системы отопления, так как при несанкционированной остановке насоса, напор теплоносителя падает резко, что влечёт за собой и снижение температуры. Вот эта зависимость и лежит в основе системы автоматизации.

Автоматическое регулирование температуры горячего водоснабжения обеспечивается так. Сразу после наноса, на нагнетательном трубопроводе, устанавливается регулятор давления, которому задаются минимальный и максимальный пределы.

Если насос по какой-то причине остановится, магнитный пускатель его двигателя отключается. Начинает светиться сигнальная лампочка, и одновременно, запускается в работу резервный насос. Поэтому в любой автоматической установке насосов, как минимум, два (один только в бытовых моделях). Приведём для примера универсальный вариант установки с двумя насосами, который показан на фото снизу.

Автоматическая установка (АНУ) для систем отопления, подачи горячей и холодной воды

Подобные агрегаты используют в сельском хозяйстве, промышленности, объектах ЖКХ. Такая установка предназначена не только для систем холодного водоснабжения, но и для горячей воды и отопления. А потому, может перекачивать воду с температурой +70 градусов.

Посредством автоматических установок нередко осуществляется частотное регулирование водоснабжения, так как двигатели насосов могут быть оснащены преобразователем частот. В данном случае, они могут регулироваться в диапазоне 10-50Гц. Чтобы понять все преимущества такого регулирования, требуется сделать небольшое отступление.

Достоинства частотного регулирования

Преобразователи частоты, или как их ещё называют, частотные реле, в насосной технике получили наибольшее распространение. Их основным преимуществом является возможность снизить энергопотребление насоса до минимума.

Суть работы такого преобразователя, заключается в уменьшении количества оборотов двигателя при небольшой нагрузке. Соответственно, чем ниже частота вращения, тем меньше мотору требуется энергии. Таким образом, удаётся снизить уровень её потребления до 30-40%.

• Преобразователь частоты может быть встроенным – то есть, располагаться внутри корпуса насоса. Такое исполнение характерно для погружных насосов. На поверхностных насосах, частотник может закрепляться с внешней стороны корпуса, для чего на нём предусмотрено специальное посадочное место. Если насос оснащён ПЧ, инструкция производителя обязательно содержит соответствующее уведомление.
• Но надо сказать, что далеко не каждая модель оснащена таким прибором. Чаще всего, потребителю приходится своими руками подключать к системе отдельное частотное реле. Это не единственная сфера применения данных приборов, поэтому их производство никак не связано с производством насосного оборудования.
• Преимуществом внешних преобразователей является то, что они способны регулировать работу насосов любой мощности. А ещё, при выходе из строя внешнего ПЧ, насос продолжает работать, тогда как насос со встроенным преобразователем, теряет свою работоспособность.

Датчик давления для систем подачи воды

Температурный электронный датчик

Но всё же, самой распространённой является схема, основной задачей которой состоит поддержание постоянного напора в сети. А зависит он, опять же, от количества оборотов двигателя насоса, контролируемого частотным преобразователем. Если давление постоянное, то и давление в трубопроводе будет неизменным.

Не только сети холодного водоснабжения, но и системы отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения, отличаются переменным расходом — когда разница между фактической и пиковой нагрузкой довольно значительна. А в домах и объектах социального назначения, это вообще происходит регулярно, так как объём разбираемой воды зависит от выходных и праздничных дней, времени суток.

Схема водоснабжения с частотным преобразователем

Перерасход электроэнергии получается тогда, когда расход падает, а двигатель насоса продолжает работать на полных оборотах. Именно с помощью преобразователя частот, их можно снизить, уменьшив тем самым и расход электроэнергии. А вот там, где график расхода ровный, и раздача воды из системы всегда осуществляется в одинаковом режиме, смысла в использовании ПЧ нет вообще.

Автоматический контроль систем отопления и горячего водоснабжения

Невозможно чувствовать себя комфортно там, где нет горячей воды – а тем более, если это ваше жилище. Тем не менее, централизованная подача горячей воды во многих населённых пунктах является пределом несбыточных мечтаний.

• Поэтому, о горячей воде и отоплении хозяевам домов, владельцам хозяйств и руководителям небольших провинциальных предприятий, приходится заботиться самостоятельно. Для них, система автоматического регулирования горячего водоснабжения – вопрос важный, требующий поиска оптимального решения.
• В автономных системах отопления, которые могут быть неразрывно связаны с системой подогрева воды, присутствует котёл. Это печь, которая, собственно, и обеспечивает нагрев. Кроме того, в сеть внедряется один или несколько бойлеров косвенного нагрева, ёмкость которых составляет не менее 500л.
• Для систем отопления, в качестве теплоносителя может использоваться не только вода, но и антифриз, который циркулирует через теплообменник. Именно в нём температура воды поддерживается на необходимом уровне, после чего она подаётся на бойлер и далее – в сеть. Поэтому без регулятора температур здесь не обойтись.

Установка регуляторов температур на теплообменнике

Здесь опять же, позволяет экономить автоматика. Установить теплообменник можно хоть в квартире — и тогда, при условии установки регулирующих приборов, у хозяина появится возможность влиять на температуру в помещении.

Отдельный теплообменник всегда лучше, чем встроенный в бойлер, так как возможностей для регулирования гораздо больше.

Бойлер управляется термостатом, у которого отсутствует широкий диапазон настроек, нет индикации, да и точность температурных измерений не на высоте. Поэтому, производители предлагают сегодня высокоточные цифровые терморегуляторы для систем горячего водоснабжения.

Что такое тепловой пункт

Для удобства регулирования температуры горячей воды – даже подаваемой централизованно, можно установить и тепловой пункт. Что это вообще такое?

Обратите внимание! ТП – это комплексное, располагающееся обособленно устройство, состоящее из нескольких элементов, которые могут обеспечить присоединение к сети, распределение теплоносителя и регулирование его параметров, а так же управление процессом потребления тепла.

Ели речь идёт о снабжении горячей водой микрорайона, то внутри него предусматривают центральные пункты (ЦТП), которые располагаются в отдельно стоящих помещениях. А вот для отдельных зданий, оборудуется ИТП – индивидуальный пункт, который находится в техническом подполье или на чердаке.

ИТП для бытового использования

Чем меньше здание, тем более компактным будет ИТП – вплоть до того, что он может представлять собой вот такую систему приборов, установленную на мобильной металлической раме, которую вы видите на фото. Удобнее всего, такой тепловой пункт подключить к системе закрытого типа.

Если в качестве теплоносителя используется вода, в перечне оборудования ИТП будут присутствовать:

• Циркуляционные насосы;
• Повысительный насос;
• Теплообменник;
• Аккумулирующая ёмкость;
• Приборы для контроля параметров теплоносителя;
• Регулирующие приборы (например: датчик давления, контроллер);
• Устройство, защищающее систему от образования накипи;
• Расходомер.

При подаче на ИТП холодной воды, она разделяется на два потока. Один, оставаясь холодным, сразу проступает к потребителю. Второй поток подогревается до нужной температуры, и циркулирует в замкнутом контуре, обогревая помещения. Потери тепла постоянно восполняются за счёт подогрева, за счёт чего температура в доме остаётся постоянной.

Подобное регулирование системы горячего водоснабжения наиболее эффективно. А если задействовать его при централизованной подаче воды, то вы сможете платить не по усреднённым показателям, по которым делают расчёты жилищные конторы, а по факту потребления. А это, поверьте, заметно снизит ваши расходы на отопление.

№ п/п	Частотное регулирование позволяет	Приборы, дополняющие схему
1.	Поддерживать в системе либо постоянное давление, либо, если это необходимо – его перепад. Для этого требуется установить соответствующий датчик (нормализации или перепада давления).
2.	Поддерживать постоянный расход воды, для чего в систему внедряется электронный прибор, называемый расходомером.
3.	Поддерживать постоянную температуру или её перепады. Здесь требуются датчики температур.