Обзор существующих схем теплоснабжения

Системы теплоснабжения играют ключевую роль в обеспечении комфортных и безопасных условий для жизни и работы людей, а также в поддержании оптимального функционирования промышленных предприятий и общественных зданий. В современном мире, где требования к энергоэффективности и экологичности становятся все более строгими, роль этих систем выходит за рамки простого обеспечения теплом. Они становятся важным элементом устойчивого развития, способствуя снижению энергозатрат и минимизации воздействия на окружающую среду. Этот материал подготовили мы, научная группа из Московского Энергетического института. В данной статье мы рассмотрим основные функции систем теплоснабжения, их виды и особенности.

Какие виды систем теплоснабжения бывают?

По способу производства тепловой энергии различают следующие системы теплоснабжения:

1. Децентрализованные системы теплоснабжения, обеспечивающие потребителя тепловой энергией вблизи источника ее производства.

   В таких системах используются отдельные местные источники тепла, распределенные по некоторой территории. Германия, как и другие европейские страны активно использует децентрализованное теплоснабжение, особенно в рамках программы Energiewende (энергетический переход), направленной на переход к возобновляемым источникам энергии. Децентрализованное теплоснабжение особенно важно в удаленных и северных регионах, например в Канаде или Финляндии. Такие системы имеют высокую автономность и более высокую экологичность, по сравнению с централизованными.

Их особенностью является отсутствие единого центрального источника тепла, что дает им ряд преимуществ перед централизованными системами:

• возможность относительно быстрого изменения подключения потребителя к системе при необходимости за счет независимости источников друг от друга;

• снижение потерь при транспортировке теплоты из-за более близкого расположения источника к абоненту;

• более эффективное использование отпускаемой теплоты благодаря более точному графику потребления нагрузки;

• возможность самообеспечения тепловой энергией при помощи использования инновационных способов отопления, использования ресурсов солнечной энергии, низкопотенциальных источников теплоты.

2. В централизованных системах выработка тепла производится комбинированным способом совместно с электроэнергией на ТЭЦ, на крупных промышленных котельных.

   В этом случае необходимо провести подготовку теплоносителя и транспортировать его для использования. Централизованное теплоснабжение является самым популярным типом теплоснабжения на территории СНГ на данный момент. Во времена Советского Союза было построено огромное количество ТЭЦ и котельных, а также разветвленные сети теплоснабжения. Это историческое наследие позволило создать мощную и обширную инфраструктуру, которая до сих пор используется.

 Такой способ обеспечения потребителя теплотой имеет следующие достоинства:

• высокая экономическая эффективность за счет значительных масштабов производства;

• большая надежность благодаря системам резервирования и возможности переключить абонента на другой источник теплоты в случае аварии;

• сниженное воздействие на окружающую среду из-за выброса продуктов сгорания на большой высоте;

• удобство для потребителей, так как у них отсутствует необходимость самостоятельного обеспечения себя теплом и в дополнительных затратах на обогревательное оборудование;

• управление системой осуществляется квалифицированным персоналом, что снижает риски аварий непосредственно вблизи потребителя.

  Основным существенным недостатком системы является аварийное состояние трубопроводов, которое может приводить к прорывам в тепловой сети, а также существенные потери тепла при его транспортировке к абоненту, в особенности в городах с наземной прокладкой трубопроводов.

По способу присоединения системы горячего водоснабжения системы теплоснабжения подразделяются на:

1. Открытые системы теплоснабжения

В таких системах вода, циркулирующая в тепловой сети, частично или полностью отбирается из системы потребителями теплоты.

Основные преимущества:

• возможность применения однотрубной схемы транспорта теплоты;

• отсутствие дорогостоящего элемента – теплообменника;

• возможность использования в больших количествах отходящих тепловых вод, имеющихся на электростанциях, что позволяет экономить топливо и снижает стоимость горячего водоснабжения;

• повышение долговечности установок горячего водоснабжения.

Основные недостатки:

• непосредственная связь систем отопления и горячего водоснабжения, что может приводить к ухудшению качества воды в момент введения зданий в эксплуатацию, после присоединения новых систем к тепловым сетям;

• нестабильность гидравлических режимов, обусловленная переменным расходом воды в обратной линии;

• сложность обнаружения утечек воды из тепловой сети в случае аварии;

• усложнение и удорожание водоподготовки, повышенный санитарный контроль системы теплоснабжения.

2. Закрытые системы теплоснабжения

В таких системах вода, циркулирующая в тепловой сети, используется только как теплоноситель, и из сети не отбирается.

Основные преимущества:

• санитарная надежность, обеспечивающаяся за счет непротяженной линии трубопровода от ввода в здание до водоразборного крана;

• гидравлическая изолированность, что позволяет обеспечивать стабильное качество воды в системе горячего водоснабжения;

• небольшие утечки теплоносителя в сети;

• быстрое обнаружение повреждений теплосети по увеличению величины подпитки.

Основные недостатки:

• необходимость установки поверхностных теплообменников в абонентских установках горячего водоснабжения;

• появление накипи в подогревателях и трубопроводах системы горячего водоснабжения в случае использования жесткой воды;

• необходимость во многих случаях защиты трубопроводов горячей воды от внутренней коррозии;

• необходимость компенсации недогрева до температуры греющей среды в поверхностных подогревателях;

• сложность эксплуатации и ремонта из-за наличия теплообменника.

По способу подключения системы отопления системы теплоснабжения подразделяются на:

1. Зависимые местные системы отопления, применимы в условиях, когда давление в тепловых сетях не превышает прочности отопительных приборов (0,6 МПа для чугунных радиаторов; 1,0 МПа – для стальных конвекторов).

а) Зависимая без смешения

Данная схема применима, если температура в подающем трубопроводе не превышает допустимую температуру в 95 °С, установленную в СНиП 41-01-2003. В централизованных системах теплоснабжения с ТЭЦ отпускается теплота по температурному графику 150/70 °С или 130/70 °С, следовательно, на вводе абонента греющая вода превышает нормируемое значение температуры и необходимо применять другие схемы подключения отопления.

б) Зависимые со смешением

В таких схемах обратная вода смешивается с водой из подающей линии для понижения ее температуры и обеспечения допустимого давления в радиаторах системы отопления. Такие схемы являются полностью зависимыми от внешнего теплоснабжения.

Преимуществами являются:

• невысокая стоимость необходимого оборудования;

• способность выдерживать большие температурные перепады;

• уменьшение диаметра трубопровода;

• более низкие эксплуатационные затраты;

• меньший расход теплоносителя;

• возможность использования однотрубной системы отопления.

Недостатки:

• увеличенный расход энергоресурсов;

• сложность регулирования температурного режима.

В случае, если в системе отопления обеспечивается требуемый перепад давления, то для смешения используют элеватор, необходимый для нормализации давления и температуры перед поступлением во внутреннюю теплосеть.

Основным преимуществом использования такой схемы является простота и надежность эксплуатации, невысокая стоимость оборудования. Особенностью является сохранение устойчивого режима работы при изменениях давления, так как его значение определяется исходя из выбранного диаметра сопла. Основным недостатком использования механического элеватора является отсутствие возможности его регулирования. При покрытии пиков температурного графика этот недостаток становится особенно существенным, так как это приводит к перерасходу тепла на отопление и, как следствие, к дополнительным финансовым затратам. Использование элеваторов с изменяющимся сечением сопла не позволяет полностью решить эту проблему, так как в этом случае возрастает сопротивление сопла, что при заданном перепаде давления на входе приводит к снижению расхода воды через контур. Помимо этого, в системе отсутствует независимая от тепловой сети циркуляция воды в отопительной установке, что в случае повреждения тепловой сети может привести к замораживанию воды в трубах и дополнительным авариям вблизи абонента.

Принцип работы элеватора состоит в следующем: вода из подающего трубопровода с давлением P1 поступает в сопло, где ее статическое давление становится меньше чем давление в обратном трубопроводе P2. Таким образом, на выходе из сопла создается разрежение, и обратная вода будет подмешиваться к прямой. В камере смешения скорость общего потока выравнивается, давление остается постоянным. В диффузоре по мере увеличения его сечения статическое давление воды увеличивается до P3> P2, а скорость уменьшается. Затем поток с необходимыми параметрами поступает к потребителю.

Если в системе не обеспечивается необходимый перепад давления, то дополнительно устанавливают центробежный смесительный насос.

С его помощью можно регулировать расход воды, подаваемый к абоненту, а также регулировать величину давления. К недостаткам использования насоса относятся затраты на электроэнергию, шум, необходимость установки резервного насоса для обеспечения безопасности в случае аварии.

2. Независимая схема теплоснабжения

   В этой схеме присоединение потребителей к тепловой сети осуществляется через рекуперативный теплообменник, вода из подающей линии нагревает теплоноситель, циркулирующий в системе отопления, и по обратному трубопроводу возвращается в сеть.

К преимуществам этой схемы относятся:

• отсутствие жесткой гидравлической связи тепловой сети с отопительными установками потребителей, что повышает надежность эксплуатации систем теплоснабжения;

• снижение утечек воды в системе;

• более легкое обнаружение повреждений в системе;

• более простое регулирование температуры теплоносителя в контуре отопления;

• повышенная экономичность;

• возможность использования в системе отопления воды, очищенной от примесей;

• в случае аварии температура в отопительном контуре будет снижаться более медленно.

К недостаткам относятся значительные затраты на установку необходимого дополнительного оборудования, сложность обслуживания и ремонта.

Авторы материала: Темрина Д.Н., Гужов С.В.