Комплекс установок, предназначенных для подготовки, транспорта и использования теплоносителя называется системой централизованного теплоснабжения.

Различают две основные категории потребления тепла.

1. Для создания комфортных условий труда и быта (коммунально-бытовая нагрузка).

Сюда относят потребление воды на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение (ГВС), кондиционирование.

2. Для выпуска продукции заданного качества (технологическая нагрузка).

По уровню температуры тепло подразделяется на:

- низкопотенциальное, с температурой до 150 ⁰С;

- среднепотенциальное, с температурой от 150 ⁰С до 400 ⁰С;

- высокопотенциальное, с температурой выше 400 ⁰С.

Коммунально-бытовая нагрузка относится к низкопотенциальным процессам.

Максимальная температура в тепловых сетях не превышает 150 ⁰С (в прямом трубопроводе), минимальная – 70 ⁰С (в обратном).

Для покрытия технологической нагрузки как правило применяется водяной пар с давлением до 1.4 МПа.

В качестве источников тепла применяются теплоподготовительные установки ТЭЦ и котельных. На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепла и электроэнергии на основе теплофикационного цикла. Раздельная выработка тепла и электроэнергии осуществляется в котельных и на конденсационных электростанциях. При комбинированной выработке суммарный расход топлива ниже, чем при раздельной.

 

1. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ

 

Тепловую нагрузку можно разделить на сезонную и круглогодичную. Изменение сезонной нагрузки зависит главным образом от климатических условий – температуры наружного воздуха, его влажности, скорости ветра, солнечной радиации и т.п. Основную роль играет изменение температуры наружного воздуха. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой. К сезонной нагрузке относят нагрузки отопления, вентиляции (зимние нагрузки), кондиционирования (летняя нагрузка). К круглогодичной нагрузке относятся нагрузка горячего водоснабжения (ГВС) и технологическая нагрузка. График технологической нагрузки зависит от характера производства. График нагрузки ГВС зависит от благоустройства зданий, состава населения, графика рабочего дня, режима работы коммунальных предприятий. Технологическая и нагрузка ГВС слабо зависят от времени года.

 

1.1. Сезонная нагрузка.

 

Цель отопления – поддержание температуры внутреннего воздуха в помещении на заданном уровне. Температура воздуха в помещении зависит от назначения помещения, а в промышленных зданиях от характера выполняемых работ. Значения температуры воздуха в помещениях принимаются согласно [1,2]. В частности,

- для жилых зданий - от 18 до 20 ⁰С;

- для промышленных зданий - от 16 до 20 ⁰С;

- для общественных зданий - от 14 до 25 ⁰С.

 

1.1.1. Расчет отпуска тепла на отопление.

 

Для поддержания температуры воздуха в помещении постоянной необходимо обеспечить равенство теплопотерь и теплопритоков. Потери тепла обусловлены теплопередачей через ограждения, на которых перепад температур более 5 ⁰С - Q_т, а также инфильтрацией, Q_инф - затрат тепла на нагрев воздуха, поступающего извне через неплотности ограждений.

,

- коэффициент инфильтрации.

В производственных помещениях тепло расходуется также на нагрев материалов и транспортных средств, поступающих извне - Q_мт.

Приток тепла в помещения осуществляется через отопительные установки - Q_о и от внутреннего тепловыделения - Q_вт.

В общем случае баланс тепла можно записать в виде

.

Для жилых и общественных зданий:

Q_мт = Q_инф = Q_вт = 0, тогда Q_о = Q_т.

Для производственных помещений:

Q_о = Q_т (1 + ) + Q_мт - Q_вт

в производственных помещениях может составлять 25...35 % от Q_о

Здесь: b – постоянная инфильтрации, b =(35…40) 10^-2;

g - ускорение свободного падения;

L - высота проема в который поступает воздух;

Т_н - температура наружного воздуха, К;

Т_в - температура воздуха в помещении, К;

W - скорость ветра, м/с.

Потери тепла теплопередачей рассчитываются по уравнению

, или

, (1.1)

где:

n - поправка на температурную разность. Учитывается для пола 1-го этажа и потолка верхнего (n 1);

- коэффициент, учитывающий добавки на ориентацию относительно сторон света, этажность здания, скорость ветра, размещения помещения в здании. Приводится в СНиП.

где - поправка, учитывающая ориентацию по сторонам света.

Формулой (1.1) пользуются при проектировании систем отопления конкретного здания, то есть по результатам расчетов определяется количество отопительных приборов, устанавливаемых в помещениях.

При проектировании источников тепла потребность тепла на отопление может быть определена по укрупненным показателям.

 

1.1.1.1. Определение расхода тепла на отопление по объему здания.

где:

q_о - отопительная характеристика здания, зависящая от объема и назначения здания. Приводится в СниП, а также в [1,2].; V - объем здания по наружному замеру.

Максимальные потери тепла и, соответственно, максимальный отпуск тепла на отопление определяется по расчетной температуре для отопления - t_но. Это есть средняя температура наиболее холодной пятидневки из восьми зим за последние 50 лет.

При расчете по укрупненным показателям при отсутствии перечня зданий с указанием их назначения t_в принимают равной 18 ⁰С, если t_но -31 ⁰С и равной 20 ⁰С, если

t_но -31 ⁰С.

Для жилых и общественных зданий расчетное количество тепла на отопление определяется по формуле

.

При

.

Для экономного использования топлива большое значение имеет правильный выбор начала и конца отопительного периода. По СниПу начало и конец отопительного периода принимается при значении среднесуточной температуры равной +8 ⁰С. Для производственных помещений с внутренними тепловыделениями отопительный период начинается при той температуре наружного воздуха, при которой .

Для промышленных зданий:

- при t_н t_но

 

- при t_н > t_но

 

Q_o

Длительность отопительного периода определяется числом суток с устойчивой среднесуточной температурой меньшей и равной +8 ⁰С.

1

 

2

t_н, ⁰С

+8 t_но

 

1 – для жилых и общественных зданий;

2 – для промышленных зданий.

Рис.1.1. График отпуска тепла на отопление.

 

1.1.1.2. Определение расхода тепла на отопление по площади застройки

Такой способ определения расхода тепла применяется только для жилых районов. При ,

где q_F- отпуск тепла на 1 м² площади застройки, Вт/ м² [1,2]; F- площадь застройки, м².

F = f_уд z, где z- число жителей;

f_уд = 12,5 м² / чел – для зданий построенных до 1980 года; f_уд = 18 м² / чел – для зданий, построенных после 1980 года;

k₁=0.25- коэффициент, учитывающий отпуск тепла на отопление общественных зданий. При t_н > t_но

 

1.1.2. Расчет отпуска тепла на вентиляцию

 

Под вентиляционной нагрузкой понимают потребность в тепле для подогрева воздуха, подаваемого извне в помещения. В жилых зданиях без специальной приточной системы вентиляции расход тепла Q_в = 0.

Для общественных и промышленных зданий:

Q_в = C’ V_в (t_в - t_н) m,

где С’ - объемная теплоемкость воздуха, 1260 Дж/(м³К);

V_в - объем вентилируемого помещения по внутреннему замеру;

m - кратность обмена воздуха в помещении.

При расчете по укрупненным показателям отпуск тепла определяют при известном

объеме здания.

Q_в = q_в V (t_в - t_н).

Для общественных зданий, расположенных в жилом районе

где k₂ = 0,4 - для зданий старой постройки, k₂ = 0,6 - для новых зданий.

Различают три категории вентилируемых помещений:

А - с незначительным выделением вредностей. Максимальный отпуск тепла для этих зданий определяется по расчетной температуре для вентиляции - t_нв - средней температуры наиболее холодного периода, составляющего 15 % длительности отопительного сезона.

При отпуск тепла на вентиляцию не увеличивается, при этом уменьшается кратность обмена воздуха. Минимального значения кратность обмена достигает при .

.

При

.

Б - здания со значительным выделением вредностей:

В - при особом техническом обосновании (очень много вредностей) определяется по средней температуре наиболее холодных суток.

А

Q_в

Б

 

+

+8 t_нв t_но t_н, ⁰С

Рис.1.2. График отпуска тепла на вентиляцию

 

1.1.2. Круглогодичная нагрузка.

 

К круглогодичной нагрузке относятся технологическая нагрузка и нагрузка ГВС. Технологическая нагрузка задается технологами и зависит от вида производства.

Нагрузка ГВС имеет существенно неравномерный характер как в течение суток, так и по дням недели. Наибольший расход горячей воды наблюдается в утренние и вечерние часы, из дней недели – в субботу.

Среднедельный расход тепла на ГВС отдельных жилых, общественных и промышленных зданий определяется по формуле

, где

 

Рис.1.3. Графики потребления тепла на ГВС.

 

a – норма расхода горячей воды с t =60 ⁰С на единицу измерения; m – количество единиц измерения; с – теплоемкость воды, 4190 Дж/(кгК); t_г, t_х – температура горячей и холодной воды; n_c – расчетная длительность подачи воды на ГВС, сек./сут. или час./сут. Зимой принимают t_х =5 ⁰C, летом – t_х =15 ⁰C. Величина а дается для t_г = 60 ⁰C. При других значениях t_х

.

В местах водоразбора должна поддерживаться температура горячей воды для открытых систем – не ниже 60 ⁰C и не выше 70 ⁰C; для закрытых систем – не ниже 55 ⁰C и не выше 75 ⁰C. Для жилых зданий, больниц, детских садов, санаториев, домов отдыха и т.п. n_c =86400 сек./сут., или 24 час./сут. При отсутствии данных о количестве и типе жилых и общественных зданий в новых районах средненедельный расход тепла на ГВС можно определять по формуле

а =80…120 л/сут на одного человека для жилых зданий, в =18…22 л/сут на одного человека для общественных зданий. Летом

.

Средний за сутки наибольшего водопотребления расход тепла на ГВС равен , где - коэффициент недельной неравномерности, равный для жилых и общественных зданий 1.2. Для производственных зданий =1. Расчетный (максимально-часовой) расход тепла на ГВС равен . Здесь - коэффициент суточной неравномерности. Для городов =1.7…2.2, для производственных зданий =1.

 

Рис.1.4. График отпуска тепла на ГВС

 

По способу подачи тепла на ГВС различают открытые и закрытые системы теплоснабжения.

В открытых системах на ГВС подается вода из тепловой сети.

Схема абонентского ввода:

 

 

ОК - обратный клапан; Э - водоструйный эжектор или элеватор; РТ - регулятор температуры; В - воздушник; ОП - отопительный прибор; С - смеситель.

Рис.1.5. Открытая схема присоединения абонентской установки

 

В закрытых системах сетевая вода используется для подогрева вторичной воды, поступающей в систему ГВС, т.е. на абонентском вводе закрытых систем устанавливаются водоводяные подогреватели 1 или 2. Подключение их может быть одноступенчатое или двухступенчатое, выполненное по параллельной, двухступенчатой последовательной или двухступенчатой смешанной схемам.

 

Рис.1.6. Двухступенчатая последовательная схема присоединения системы ГВС

 

1.2. Расчет годового отпуска тепла. График продолжительности тепловой нагрузки.

 

Для построения графика нужны данные о стоянии температур. Приводятся в справочниках [1,2]:

-40...-35 ⁰С - n₁ часов;

-35...-30 ⁰С - n₂ часов;

-30...-25 ⁰С - n₃ часов;

......................……………

0...+5 ⁰С - n_i-1 часов;

+5...+10 ⁰С - n_i часов.

 

 

Рис.1.7. График продолжительности суммарной тепловой нагрузки

 

На оси абсцисс откладывают количество часов, в течение которых наблюдается температура равная или меньшая данной. По оси ординат откладывают часовой расход тепла. Построим на графике два прямоугольника, площадь которых равна площади графика. Тогда для прямоугольника 0BCD0 высота CD равна среднему расходу тепла за отопительный период. Для прямоугольника 0KLN0 отрезок 0N представляет длительность использования расчетной тепловой нагрузки за сезон.

Если тепловая нагрузка обеспечивается из различных источников, то удобно пользоваться интегральным графиком. График продолжительности суммарной тепловой нагрузки делят на равные интервалы по оси ординат. a – относительная тепловая нагрузка. a_с = - отношение тепловой нагрузки i-го источника к расчетной нагрузке района. - отношение количества тепла источника за сезон к суммарному расходу тепла за сезон. Тогда площадь 0abc0 равна расходу тепла от источника, мощность которого равна 20 % расчетной, т.е. .

Интегральные графики, построенные для какого-либо одного географического пункта можно с достаточной точностью использовать для всего климатического пояса.

 

 

Рис.1.8. Интегральный график тепловой нагрузки

 

F_0abc0/F =0.4 – точка A. При получим - т.В, и т.д.

Например, есть два источника тепла. У одного мощность равна 60 % максимального потребления, . Другой способен покрыть остальные 40 %. В этом случае первый источник может обеспечить 92 % максимальной потребности в тепле, второй – 8 %.

 

1.3. Водяные системы теплоснабжения

 

Водяные системы теплоснабжения подразделяются на открытые и закрытые. В открытых системах на нужды ГВС забирается вода из тепловой сети. В закрытых системах вода на нужды ГВС подогревается сетевой водой в теплообменниках. Схемы присоединения установок ГВС показаны на рис.1.5, 1.6. По числу трубопроводов системы ТС делятся на одно-, двух-, трех- и многотрубные. Открытая система ТС должна иметь как минимум одну трубу. В закрытой системе необходимы как минимум два трубопровода. В городах в большинстве случаев применяются двухтрубные системы. Они применяются в том случае, если всем потребителям нужно тепло примерно одного потенциала. Там, где требуется еще и нагрузка повышенного потенциала, применяется трехтрубная система. В этом случае две магистрали – подающие, и одна – обратная. В зависимости от характера абонентских установок, выбирается та или иная схема присоединения их к тепловой сети.

Отопительные установки могут присоединяться по зависимой и независимой схемам. При зависимом присоединении вода, циркулирующая в системе отопления, нагревается в теплообменнике водой из тепловой сети. В зависимой схеме в отопительные приборы поступает вода из тепловой сети. При этом существует жесткая гидравлическая связь между системой отопления и тепловой сетью. Максимальное давление в отопительной установке ограничено прочностью отопительных приборов. Надежность зависимых систем невелика.