Термостатические смесители для систем водоснабжения

Thermostatic Mixers for Water Supply Systems

Keywords: sanitary-plumbing fittings, water conservation, thermostatic mixer

Water supply systems with thermostatic mixers provide for regulation and automatic maintaining of mixed water temperature at the preset level regardless of changes in such parameters as hot and cold water temperature, pressure and flowrate at the mixer inlet. These mixers are mainly used in apartments of residential buildings, preschool institutions, booths for people with limited mobility, retirement homes, asylums for handicapped people, in medical wards to prevent the risk of scalds from water temperature of pressure fluctuations, as well as sudden malfunctions in hot or cold water supply systems.

Системы водоснабжения с термостатическими смесителями обеспечивают регулирование и автоматическое поддержание температуры смешанной воды на заданном уровне независимо от изменения таких параметров, как температура горячей и холодной воды, их давление и расход на входе в смеситель. Данные смесители используются преимущественно в квартирах жилых зданий, дошкольных учреждениях, кабинах для маломобильных групп населения, домах престарелых, интернатах для людей с ограниченными возможностями, в палатах медицинских учреждений с целью предотвращения риска возникновения ожогов в результате колебания температуры или давления воды, а также внезапных сбоев в системе горячего или холодного водоснабжения.

Термостатические смесители для систем водоснабжения

Системы водоснабжения с термостатическими смесителями обеспечивают регулирование и автоматическое поддержание температуры смешанной воды на заданном уровне независимо от изменения таких параметров, как температура горячей и холодной воды, их давление и расход на входе в смеситель. Данные смесители используются преимущественно в квартирах жилых зданий, дошкольных учреждениях, кабинах для маломобильных групп населения, домах престарелых, интернатах для людей с ограниченными возможностями, в палатах медицинских учреждений с целью предотвращения риска возникновения ожогов в результате колебания температуры или давления воды, а также из-за внезапных сбоев в системе горячего или холодного водоснабжения.

Применение термостатических смесителей позволяет снизить расход питьевой воды и сократить потребление тепловой энергии, затрачиваемой на нагрев горячей воды в системе водоснабжения.

На рынке санитарно-технических приборов и водоразборной арматуры каждый год появляются новинки, анализ которых позволяет проследить основные тенденции и эволюцию изменений данного вида оборудования.

Использование инновационных материалов, подход к разработке дизайна с научной и инженерной точки зрения, переосмысление интерьерных решений ванных комнат и санузлов позволяет разработчикам и производителям создавать приборы нового поколения.

Современные смесители должны отвечать следующим критериям:

• высокая прочность, устойчивость к механическим воздействиям, износостойкость;
• высокие требования к гигиеничности, легкость в проведении чистки изделий при уборке;
• возможность использования для всех групп населения, включая маломобильные группы населения и детей;
• высокие водосберегающие показатели;
• наличие широкой линейки дизайнерских продуктов, позволяющей подобрать продукцию в соответствии с желанием покупателя и интерьерными решениями.

Смесители должны отвечать требованиям следующих нормативных документов: ГОСТ 19681–2016 «Арматура санитарно-техническая водоразборная. Общие технические условия», «СанПиН 2.1.4.2496–09 Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения. Изменение к СанПиН 2.1.4.1074–01», ГОСТ 25809–96 «Смесители и краны водоразборные. Типы и основные размеры».

Смесители европейских производителей изготавливаются в соответствии с требованиями, изложенными в EN1111–2017 «Смесители – термостатических смесительных клапанов (PN10) – общая техническая спецификация». Согласно этому документу основными характеристиками работы термостатических смесителей являются следующие:

• расход;
• чувствительность;
• точность работы (дополнительная характеристика);
• безопасность;
• стабильность температуры как функции в зависимости от изменения таких параметров, как давление нагнетания, температура горячей воды, и от дополнительной характеристики – изменение расхода;
• точность температурных показаний (дополнительная характеристика).

Термостатический смеситель обеспечивает регулирование и автоматическое поддержание на заданном уровне температуры воды в месте водоразбора (независимо от изменения таких параметров, как температура горячей и холодной воды, их давление и расход на входе в смеситель) путем смешения горячей и холодной воды системы внутреннего водоснабжения.

Температура питьевой горячей воды может регулироваться как на выходе из устройства для нагрева горячей воды, так и в точках водоразбора. Возможен двухступенчатый контроль воды, например, на выходе из устройства для нагрева воды для обеспечения безопасности и в точках водоразбора для поддержания комфортной температуры.

Применение термостатических смесителей позволяет:

• сократить потребление питьевой воды за счет регулирования и автоматического поддержания на заданном уровне температуры смешанной воды;
• сократить потребление тепловой энергии, затрачиваемой на нагрев воды в системе горячего водоснабжения, за счет регулирования и автоматического поддержания на заданном уровне температуры смешанной воды;
• сократить время, затрачиваемое пользователями для настройки необходимой температуры воды;
• исключить дискомфорт и возможность получения ожога в результате внезапных скачков температуры или давления воды во внутренней системе водопровода за счет регулирования и автоматического поддержания на заданном уровне температуры смешанной воды и установки ограничения максимальной температуры смешанной воды на выходе из излива термостатического смесителя.

По способу регулирования температуры и расхода смешанной воды согласно EN1111 термостатические смесители подразделяют на:

• термостатический смеситель с устройством для регулирования и автоматического поддержания на заданном уровне температуры смешанной воды и устройством для регулирования расхода;
• термостатический смеситель с устройством для последовательного регулирования и автоматического поддержания на заданном уровне температуры и регулирования расхода смешанной воды в соответствии с заранее заданными параметрами регулирования;
• термостатический смеситель без устройства для регулирования расхода пользователем;
• термостатический смеситель без возможности регулирования пользователем температуры и расхода смешанной воды, т. е. температура и расход смешанной воды поддерживаются в соответствии с заранее установленными параметрами.

По способу управление термостатические смесители делятся на два вида:

В механическом варианте прибор управляется рукояткой, вентилем или рычажком с разным дизайном. Электронная модель оборудована жидкокристаллическим экраном и имеет сенсорное или кнопочное управление. Для работы электронным моделям необходим источник питания – батарейка или сетевой адаптер.

Отличительной конструктивной особенностью термостатических смесителей является наличие устройства для регулирования и автоматического поддержания на заданном уровне температуры смешанной воды – термостатического картриджа. Устройство термостатического картриджа представлено на рисунке.

Конструкция рукоятки для регулирования температуры смешанной воды на выходе из излива термостатического смесителя может быть предусмотрена с устройством ограничителя, который не позволяет установить значение температуры воды выше требуемого.

Данный ограничитель может быть использован для обеспечения требований безопасности, например, в помещениях детских дошкольных учреждений, для которых имеются ограничения к максимальному значению температуры смешанной воды.

Основные характеристики термостатических смесителей могут быть определены по ГОСТ 25809–96 для оборудования российских производителей или в соответствии с EN1111 – зарубежных производителей.

С целью обеспечения корректной работы термостатического картриджа конструкция термостатического смесителя в большинстве случаев предполагает левое подключение горячей воды и правое подключение холодной воды. В настоящее время на рынке появились смесители, конструкция которых позволяет корректно поддерживать температуру воды независимо от того, справа или слева подключается горячая вода.

Материалы, из которых изготовлены детали термостатических смесителей, должны иметь разрешение соответствующих органов Министерства здравоохранения РФ для применения на питьевом водопроводе, а также обладать коррозионной стойкостью, необходимой механической прочностью и устойчивостью к электрохимической коррозии, согласно ГОСТ 19681–94.

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 11.

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.