Определение годовых расходов тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Часовые и годовые графики тепловых нагрузок и их роль в теплоснабжении.

Классификация потребителей тепла. Сезонные и круглогодичные потребители. Графики сезонного и суточного теплопотребления. Характеристика методов определения расчетных тепловых нагрузок.

Потребителями тепла системы централизованного теплоснабжения •являются:

а) теплоиспользующие санитарно-технические системы зда'няй (системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения) ;

б) различного рода технологические установки, использующие тепло низкого потенциала (до 300—350°С).

По режиму потребления тепла в течение года различают две группы потребителей:

1) сезонные потребители, нуждающиеся в тепле только в холодный гпериод года, с зависимостью расхода тепла в основном от температуры наружного воздуха;

2) круглогодовые потребители, нуждающиеся в тепле весь год, со слабо выраженной в большинстве случаев зависимостью расхода тепла •от температуры наружного воздуха.

К первой группе относятся системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, ко второй — системы горячего водоснабжения и •технологические установки. Если для систем кондиционирования воздуха искусственный холод в теплый период года вырабатывается на основе использования тепловой энергии абсорбционным или эжекторным методами, то такие системы входят во вторую группу.

Потребителей, получающих тепло от централизованной системы теплоснабжения, называют абонентами этой системы, а расходуемое абонентами тепло — тепловой нагрузкой источника тепла.

В зависимости от соотношения и режимов отдельных видов теплопотребления различают три характерные группы абонентов: жилые здания, общественные здания, промышленные здания и сооружения. В последнюю группу входят также сельскохозяйственные производственные здания и комплексы. Для жилых зданий характерны сезонные расходы тепла на отопление и вентиляцию и круглогодовой расход тепла на горячее водоснабжение, В жилых зданиях не устраивают специальной приточной вентиляции — свежий воздух поступает в помещения через форточки окон и неплотности в наружных ограждениях. Подогрев вентиляционного воздуха в этом случае возлагается на систему отопления. Для большинства общественных зданий основное значение имеют сезонные расходы тепла на отопление, вентиляпию и кондиционирование воздуха. У промышленных абонентов, в том числе и сельскохозяйственного направления, обычно имеются все виды теплопотребления количественное соотношение между которыми определяется видом основного производства. Некоторые общественно-коммунальные предприятия, такие, как бани, прачечные и т. п., по характеру теплопотребления следует рассматривать как производственные объекты.

Потребность абонентов в тепле не остается постоянной. Расходы тепла на отопление и вентиляцию изменяются в зависимости от температуры наружного воздуха, на горячее водоснабжение — в зависимости от режима потребления горячей воды населением (при отсутствии у абонентов аккумуляторов горячей воды), в технологических установках — в зависимости от режима работы теплоиспользующего оборудования.

Определяющими для проектирования и расчета централизованного теплоснабжения являются максимальные часовые (расчетные) расходы тепла по отдельным видам теплопотребления и суммарные часовые расходы тепла по абоненту в целом с учетом несовпадения часовых максимумов расходов тепла по отдельным видам теплопотребления.

Для определения потребности в тепле абонентов системы централизованного теплоснабжения используют приближенные методы, в основе которых лежат укрупненные показатели. Степень укрупнения таких, показателей может быть различной. Например, по селитебной зоне города удельные расчетные расходы тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение (на.одного жителя, на 1 м² жилой площади и т. п.) относят или ко всей зоне в целом, или к ее отдельным территориально - структурным единицам: микрорайону, жилому району, общественному центру и т. п. Соотношение жилых и общественных зданий в таких структурных единицах города обычно бывает различным, вследствие чего для них оказываются различными и значения удельных показателей расходов тепла.

Из укрупненных показателей расходов тепла наименьшей степенью укрупнения, а следовательно, и наибольшей точностью обладают показатели по отдельным зданиям. На основе таких показателей и определяются в дальнейшем все иные показатели с большей степенью укрупнения.

На фазных стадиях проектирования системы теплоснабжения в зависимости от необходимой точности исходных данных пользуются показателями разной степени укрупнения. И лишь на самой поздней стадии проектирования, когда переходят к расчету мелких (квартальных, микрорайонных) тепловых сетей, расходы тепла определяют более точно: для новых объектов —по соответствующим типовым или индивидуальным проектам, для существующих объектов — по матеоиалам инвентаризации.

Определение максимально часовых и среднечасовых расходов тепла на отопление и вентиляцию зданий по укрупненным показателям. Удельная тепловая характеристика здания и её определение.

Отопление. В большинстве случаев в общественных зданиях устраивается приточно-вытяжная вентиляция, при наличии которой внутреннее тепловыделения и затраты тепла на подогрев инфильтра-ционного воздуха учитываются при определении расхода тепла на вентиляцию. В связи с этим часовой расход тепла на отопление отдельного общественного здания Q_от ,кДж/ч, определяется по формуле

(1.31)

где 1,1—коэффициент, учитывающий дополнительные потери тепла в системе отопления (СНиП II-33-75); — объем здания по наружному обмеру, м³; —удельный расход тепла на отопление, кДж/(м³-ч-°С); — осредненная по зданию внутренняя температура, °С; t_н — температура наружного воздуха, °С; — коэффициент, учитывающий затраты тепла на подогрев инфильтрационного воздуха, равный в зданиях с вытяжной вентиляцией, не компенсированной подогретым притоком, 0,1—0,2; в зданиях с приточной вентиляцией 0; — температурный коэффициент, определяемый по формуле (1.11).

Вентиляция. Расход тепла на подогрев приточного воздуха , кДж/ч, приближенно находят по формуле

(1.32)

где —вентиляционно-тепловая характеристика здания, кДж/(м³ч°С).

Для определения максимального расчетного расхода тепла вместо текущей наружной температуры t_н в формулу (1.32) подставляют расчетную для вентиляции температуру наружного воздуха Значение для зданий с общеобменной вентиляцией принимают равным средней наружной температуре наиболее холодного периода года (параметры А по СНиП II-33-75); для зданий с удалением вредных веществ, зданий с местными отсосами воздуха, зданий с воздушным душированием — равным расчетной наружной температуре для отопления (параметры Б по СНиП II-33-75).

Для зданий с > приток свежего воздуха при t_н < уменьшают с сохранением расчетного расхода тепла на вентиляцию. Это считается допустимым, так как для большинства районов нашей страны продолжительность периода с t_н < составляет не более 10—13% продолжительности всего отопительного периода.

Физический смысл вентиляционно-тепловой характеристики здания раскрывается выражением

где m=V_в/V_н коэффициент, равный отношению вентилируемого объема здания V_в к объему здания по наружному обмеру V_н; n — средняя кратность воздухообмена в вентилируемых помещениях, ч^-1; с — удельная объемная теплоемкость воздуха, равная 1,26 кДж/(м³°С).

Определение максимально часовых и среднечасовых расходов тепла на отопление и вентиляцию жилых и общественных зданий в соответствии со СНиП 2.04.07-86*. Укрупненные показатели максимальных тепловых потоков на отопление.

Определение среднечасовых и максимально часовых расчетных расходов тепла на горячее водоснабжение жилых, общественных и промышленных зданий. Укрупненные показатели среднечасового теплового потока в соответствии со СНиП 2.04.07-86

Горячее водоснабжение. Часовые расходы тепла. В СНиП II-34-76 приведено два значения расхода горячей воды на одного жителя в сутки: средний расход воды за сутки отопительного периода q_Сут.ср и увеличенный расход воды в сутки наибольшего водопотребkения g_cyт.max. Отношение g_cyт.max/q_Сут.ср =К_сут называют коэффициентом суточной неравномерности расхода воды. В сутки наибольшего водопотребления расход воды по отдельным часам суток также неравномерен и в. часы максимального водопотребления в несколько раз превышает средний расход воды за эти сутки. Отношение максимального часового расхода воды q_ч:mах к среднечасовому расходу воды q_ч.ср, т. е. K_ч= q_ч:mах/ q_ч.ср, характеризует часовую неравномерность расхода воды в сутки наибольшего водопотребления. Максимальный часовой расход воды q_ч:mах нельзя смешивать с приводимым в нормах расходом воды в час наибольшего водопотребления g_и.ч. Последний как некоторый предел применяется для определения вероятности действия водоразборных приборов и становится равным q_ч:mах только при бесконечно большом числе водоразборных приборов. Среднечасовой расход тепла на горячее водоснабжение в сутки отопительного периода Q_ч.ср., кДж/ч, определяют, согласно нормам, по выражению

(1.21)

где N число жителей; g_cyт.cp — расход горячей воды одним жителем в сутки отопительного сезона, кг/(сут-житель) [ в нормах этот расход дан в л/{ сут-житель), но при плотности воды р=1000 кг/м³ численные значения л/(сут-житель) и кг/(сут житель) совпадают ]; с —удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кг-°С); t_г — средняя температура воды в водоразборных стояках систем горячего водоснабжения, принимаемая равной 55°С; t_x — температура холодной воды в водопроводе, принимаемая при отсутствии особых указаний в задании на проектирование равной 5°С; — потери тепла подающими и циркуляционными трубопроводами в системе горячего водоснабжения, кДж/ч.

При проектировании централизованного теплоснабжения диаметры и длины трубопроводов местных систем горячего водоснабжения обычно бывают еще неизвестны и потому значения приходится оценивать ориентировочно, выражая их в долях расхода тепла на подогрев воды, т. е. полагая, что . В этом случае формула (1.21) принимает вид

(1.22)

Определение годовых расходов тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Часовые и годовые графики тепловых нагрузок и их роль в теплоснабжении.

Годовой расход тепла на отопление жилых зданий , ГДж/год, находится ,как сумма расходов тепла в I и II диапазонах наружных температур:

(1.27)

где — расчетный часовой расход тепла, кДж/ч, определяемый по формуле (1.1) или (1.17) при t_н= , и —средние относительные расходы тепла в I (при ) и II (при ) диапазонах наружных температур, определяемые соответственно по формулам (1.20) и (1.19) с подстановкой в них средних значений наружных температур и в каждом из диапазонов; z_от — продолжительность отопительного периода, ч/год; z_II— продолжительность II диапазона наружных температур, ч/год.

Рис. 1.4. Зависимость коэффициента максимальной часовой неравномерности потребления горячей воды К_ч от числа жителей N

Продолжительность II диапазона наружных температур очень невелика и при отсутствии более точных данных для всех городов нашей страны приближенно может быть принята равной 10% продолжительности отопительного периода, т. е. z_II =0,1z_от. Краткость II диапазона наружных температур позволяет без существенной погрешности определять среднюю наружную температуру в этом диапазоне как среднеарифметическую из двух краевых температур этого диапазона с корректирующим коэффициентом 0,95, учитывающим большую продолжительность стояния высоких наружных температур:

(1.28)

Так как средняя наружнаятемпература за весь отопительный период t_н.ср обычно бывает известна по климатологическим данным, из общего баланса градусо-часов отопительного периода находим

(1.29)

Годовой расход тепла на горячее водоснабжение жилого здания ГДж/год, определяется по выражению

(1.30)

где Q_ч.ср. ,Q_ч.ср.л. — часовые расходы тепла, кДж/ч, определяемые по формулам (1.22), (1.26); z_ot — продолжительность отопительного периода, ч/год; 8400 — общее число часов работы в году горячего водоснабжения, учитывающее 15-суточный перерыв на профилактику и ремонты.

Потребление горячей воды в жилых зданиях неравномерно в течение суток к по дням недели. Общее представление об этом дают рис. 1.1—1.3.

На рис. 1.1 показано внутрисуточное изменение расхода горячей воды в отдельном здании, полученное по показаниям записывающего счетчика; на рис. 1.2 показано изменение расхода горячей воды по дням недели в центральном тепловом пункте, обслуживающем около 3000 чел.; на рис. 1.3 приведен более подробный график расходов воды по дням недели в другом ЦТП с указанием расходов воды по отдельным часам суток. Конкретные виды таких графиков могут несколько различаться в зависимости от режима работы и привычек населения. Однако в расходах горячей воды в жилых зданиях наблюдаются и некоторые общие закономерности, заключающиеся в почти полном прекращении расхода воды в ночные часы, в наличии повышенных расходов воды в утренние (с 8 до 12) и вечерние (с 18 до 22) часы, в увеличении суточных расходов воды в нерабочие (суббота, воскресенье) и предпраздничные дни примерно на 20—30% по сравнению с расходом воды в остальные (рабочие) дни недели.

Рис. 1.1. Суточный график расхода горячей воды в жалом здании (пунктиром показан среднесуточный расход воды)

Рис. 1.2. График расхода горячей воды на одного жителя по дням недели (ЦТП—2980 чел.)

Рис. 1.3. График потребления горячей воды по часам суток и дням недели ЩТП —. 2580 чел.)

7. Классификация систем теплоснабжения: структурная схема, виды систем, характеристика теплоносителей - воды и пара, их достоинства и недостатки, технико-экономическое обоснование применения

Централизованные системы теплоснабжения обеспечивают потребителей теплом низкого и среднего потенциала (до 350°С), на выработку которого затрачивается около 25% всего добываемого в стране топлива.

Тепло, как известно, является одним из видов энергии, поэтому при решении основных вопросов энергоснабжения отдельных объектов и территориальных районов теплоснабжение должно рассматриваться совместно с другими энергообеспечивающими системами — электроснабжением и газоснабжением.

Система теплоснабжения состоит из следующих основных элементов (инженерных сооружений): источника тепла, тепловых сетей, абонентских вводов и местных систем теплопотребления.

Источниками тепла в централизованных системах теплоснабжения служат или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие одновременно и электроэнергию, и тепло, или крупные котельные, именуемые иногда районными тепловыми станциями. Системы теплоснабжения на базе ТЭЦ называются «теплофикационными».

Полученное в источнике тепло передают тому или иному теплоносителю (вода, пар), который транспортируют по тепловым сетям к абонентским вводам потребителей.

В зависимости от организации движения теплоносителя системы теплоснабжения могут быть замкнутыми, полузамкнутыми и разомкнутыми.

В замкнутых системах потребитель использует только часть тепла, содержащегося в теплоносителе, а сам теплоноситель вместе с оставшимся количеством тепла возвращается к источнику, где снова пополняется теплом (двухтрубные закрытые системы). В полузамкнутых системах у потребителя используется и часть поступающего к нему тепла, и часть самого теплоносителя, а оставшиеся количества теплоносителе и тепла возвращаются к источнику (двухтрубные открытые системы). В разомкнутых системах как сам теплоноситель, так и содержащееся в нем тепло полностью используются у потребителя (однотрубные системы).

На абонентских вводах происходит переход тепла (а в некоторых случаях и самого теплоносителя) из тепловых сетей в местные системы теплопотребления. При этом в большинстве случаев осуществляется утилизация неиспользованного в местных системах отопления и вентиляции тепла для приготовления воды систем горячего водоснабжения.

На вводах происходит также местное (абонентское) регулирование количества и потенциала тепла, передаваемого в местные системы, и осуществляется контроль за работой этих систем. В зависимости от принятой схемы ввода, т. е. в зависимости от принятой технологии перехода тепла из тепловых сетей в местные системы, расчетные расходы теплоносителя в системе теплоснабжения могут изменяться в 1,5—2 раза, что свидетельствует о весьма существенном влиянии абонентских вводов на экономику всей системы теплоснабжения.

В централизованных системах теплоснабжения в качестве теплоносителя используются вода и водяной пар, в связи с чем различают водяные и паровые системы теплоснабжения.

Вода как теплоноситель имеет ряд преимуществ перед паром. Некоторые из этих преимуществ приобретают особо важное значение при отпуске тепла с ТЭЦ. К последним относится возможность транспортирования воды на большие расстояния без существенной потери ее энергетического потенциала, т. е. ее температуры (понижение температуры воды в крупных системах составляет менее 1°С на 1 км пути). Энергетический потенциал пара—его давление — уменьшается при транспортировании более значительно, составляя в среднем 0,1— 0,15 МПа на 1 км пути. Таким образом, в водяных системах давление пара в отборах турбин может быть очень низким (от 0,06 до 0,2 МПа), тогда как в паровых системах оно должно составлять до 1—1,5 МПа. Повышение же давления пара в отборах турбин приводит к увеличению расхода топлива на ТЭЦ и уменьшению выработки электроэнергии на тепловом потреблении.

Кроме того, водяные системы позволяют сохранить на ТЭЦ в чистоте конденсат греющего воду пара без устройства дорогих и сложных паропреобразователей. При паровых же системах конденсат возвращается от потребителей нередко загрязненным и далеко не полностью (40—50%), что требует значительных затрат на его очистку и приготовление добавочной питательной воды котлов. К другим достоинствам воды как теплоносителя относятся: меньшая стоимость присоединений к тепловым сетям местных водяных систем отопления, а при открытых системах еще и местных систем горячего водоснабжения; возможность центрального (у источника тепла) регулирования отпуска тепла потребителям изменением температуры воды; простота эксплуатации — отсутствие у потребителей неизбежных при. паре конденсатоотводчиков и насосных установок по возврату конденсата.

Пар как теплоноситель в свою очередь имеет определенные достоинства по сравнению с водой:

а) большую универсальность, заключающуюся в возможности удовлетворения всех видов теплопотребления, включая технологические процессы;

б) меньший расход электроэнергии на перемещение теплоносителя ( расход электроэнергии на возврат конденсата в паровых системах весьма невелик по сравнению с затратами электроэнергии на перемещение воды в водяных системах);

в) незначительность создаваемого гидростатического давления вследствие малой удельной плотности пара по сравнению с плотностью воды.

Неуклонно проводимая в нашей стране ориентация на более экономичные теплофикационные системы теплоснабжения и указанные положительные свойства водяных систем способствуют их широкому применению в жилищно-коммунальном хозяйстве городов и поселков. В меньшей степени водяные системы применяются в промышленности, где более 2/3 всей потребности в тепле удовлетворяются паром. Так как промышленное, теплопотребление составляет около 2/3 всего теплопотребления страны, доля пара в покрытии общего расхода тепла остается еще очень значительной.

Общая характеристика водяных тепловых сетей (классификация, закрытые и открытые системы теплоснабжения, их достоинства и недостатки). Причины преимущественного распространения 2х-трубных водяных тепловых сетей

В зависимости от числа теплопроводов в тепловой сети водяные системы теплоснабжения могут быть однотрубными, двухтрубными, трехтрубными, четырехтрубными и комбинированными, если число труб а тепловой сети не остается постоянным. Упрощенные принципиальные схемы указанных систем приведены на рис. 2.1.

Наиболее экономичные однотрубные (разомкнутые) системы (рис. 2.1,а) целесообразны только тогда, когда среднечасовой расход сетевой воды, подаваемой на нужды отопления и вентиляции, совпадает со среднечасовым расходом воды, потребляемой для горячего водоснабжения. Но для большинства районов нашей страны, кроме самых южных, расчетные расходы сетевой воды, подаваемой на нужды отопления и вентиляции, оказываются больше расхода воды, потребляемой для горячего водоснабжения. При таком дебалансе указанных расходов неиспользованную для горячего водоснабжения воду приходится отправлять в дренаж, что является очень неэкономичным. В связи с этим наибольшее распространение в нашей стране получили двухтрубные системы теплоснабжения: открытые (полузамкнутые) (рис. 2.1,б) и закрытые (замкнутые) (рис. 2.1, в)

При значительном удалении источника тепла от тешюснабжаемого района (при «загородных» ТЭЦ) целесообразны комбинированные системы теплоснабжения, представляющие собой сочетание однотрубной системы и полузамкнутой двухтрубной системы (рис. 2.1,г). В такой системе входящий в состав ТЭ'Ц пиковый водогрейный котел размещается непосредственно в тешюснабжаемом районе, образуя дополнительную водогрейную котельную. От ТЭЦ до котельной подается по одной трубе только такое количество высокотемпературной воды, которое необходимо для горячего водоснабжения. Внутри же теплоснабжаемого района устраивается обычная полузамкнутая двухтрубная система.

В котельной к воде от ТЭЦ добавляется подогретая в котле вода из обратного трубопровода двухтрубной системы, и общий поток воды с более низкой температурой, чем температура воды, поступающей от ТЭЦ, направляется в тепловую сеть района. В дальнейшем часть этой воды используется в местных системах горячего водоснабжения, а остальная часть возвращается в котельную.

Трехтрубные системы находят применение в промышленных системах теплоснабжения с постоянным расходом воды, подаваемой на технологические нужды (рис. 2,1,д). Такие системы имеют две подающие трубы. По одной из них вода с неизменной температурой поступает к технологическим аппаратам и к теплообменникам горячего водоснабжения, по другой вода с переменной температурой идет на нужды отопления и вентиляции. Охлажденная вода от всех местных систем возвращается к источнику тепла, но одному общему трубопроводу.

Рис 2 1. Принципиальные схемы водяных систем теплоснабжения

а - однотрубной (разомкнутой), б - двухтрубной открытой (полузамкнутой), в- двухтрубной закрытой (замкнутой); г – комбинированной, д – трехтрубной, е – четырехтрубной, 1 – источник тепла, 2 - подающий трубопровод теплосети; 3 – абонентский ввод, 4 - калорифер вентиляции, 5 - абонентский теплообменник отопления; 6 - нагревательный прибор, 7 - трубопроводы местной системы отопления, 8 - местная система горячего водоснабжения, 9 – обратный трубопровод теплосети, 10 - теплообменник горячего водоснабжения, 11 – холодный водопровод, 12 – технологический аппарат, 13 - подающий трубопровод горячего водоснабжения, 14 – рециркуляционный трубопровод горячего водоснабжения, 15 – котельная, 16 – водогрейный котел, 17 – насос

Четырехтрубные системы (рис. 2.1,е) из-за большого расхода металла применяются лишь в мелких системах с целью упрощения абонентских вводов. В таких системах вода для местных систем горячего водоснабжения приготовляется непосредственно у источника тепла (в котельных) и по особой трубе подводится к потребителям, где непосредственно поступает в местные системы горячего водоснабжения. В этом случае у абонентов отсутствуют, подогревательные установки горячего водоснабжения и рециркуляционная вода систем горячего водоснабжения возвращается для подогрева к источнику тепла. Две другие трубы в такой системе предназначаются для местных систем отопления и вентиляции.