Системы теплоснабжения: организация и технологии

Системы отопления

Споры об эффективности и целесообразности централизованных, децентрализованных (местных) и автономных систем теплоснабжения ведутся по сегодняшний день. Для каждой системы есть своя область применения, особенно в специфических условиях России, и именно сегодня, когда государство стимулирует развитие малоэтажного строительства.

Между тем доля систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) в населенной части России составляет почти 70 %. Столь широкое их применение вполне объяснимо. Как известно, системная организация СЦТ позволяет существенно экономить энергию, оптимизируя работу всех своих компонентов. За счет механизмов резервирования, дублирования, структурной взаимосвязанности повышается надежность энергоснабжения.

Но при этом нынешнее состояние СЦТ в России не выглядит оптимистичным. В частности, после развала Советского Союза образовался дисбаланс в энергетической системе, общая инфраструктурная неразбериха, повлекшая сбои в обслуживании и ремонте, и т.д. Кроме того, тепловые сети и практически все энергооборудование устарели и физически, и морально. Как и много лет назад, сегодня КПД некоторых котельных не превышает 60 %. Растет число аварий на теплотрассах.

В результате СЦТ находятся в предкризисном состоянии. Поэтому все больше внимания уделяется децентрализованной и автономной организации отопления. В первом случае теплогенерирующие источники обслуживают отдельно взятые населенные пункты, и никаких связей между ними, как правило, нет. Такое построение теплоснабжения эффективно применяется в труднодоступных, удаленных регионах (например, в Якутии), однако в таких районах для повышения устойчивости и надежности энергообеспечения необходимо иметь повышенные резервы мощностей.

Автономное отопление присуще загородному малоэтажному строительству: каждый дом обладает собственной системой генерации и подачи тепла. Но в последнее время широко применяется и поквартирное отопление. Такой способ теплоснабжения уже долгое время применяется в странах Европы, в Японии и некоторых других, однако все еще вызывает много вопросов о своей приемлемости в социальных и климатических условиях РФ. В частности, в России печальной традицией стали неплатежи за газ и обслуживание котлов. Последнее, в свою очередь, не может не сказаться на безопасности.

Как видно, каждая из перечисленных систем имеет свои преимущества и недостатки, а также ареал применения, но технологически их уровень практически одинаков. В результате качество и техническое совершенство отопительного оборудования во многом определяет надежность, эффективность и экономичность любой системы. В конце концов трудности, с которыми столкнулись российские СЦТ, в немалой степени обусловлены именно отсутствием в их составе современной техники.

Устройства автоматики и приборов учета, применение современного котельного, насосного и другого оборудования должны многократно повысить эффективность СЦТ.

Кроме того, необходимо диспетчеризовать индивидуальные тепловые пункты (ИТП) — при наличии их в зданиях — и оптимизировать их взаимодействие с центральными тепловыми пунктами (ЦТП). Примером может служить опыт Дании, где доля централизованных систем отопления составляет порядка 60 %.

Насколько же далеко продвинулись отопительные технологии и что сегодня может предложить рынок для эффективного функционирования систем теплоснабжения? 

Котел

Начнем с главного теплогенерирующего элемента — котла. Его изобрели приблизительно в XVIII в. Первый отопительный котел работал на древесном и угольном топливе. С открытием газа и нефти, кроме твердотопливных, появились газовые и жидкотопливные устройства выработки тепла. Позднее изобрели комбинированный вариант, в котором можно сжигать любой вид топлива. По материалу теплообменника современные котлы делятся на стальные, чугунные и медные. Первые два типа наиболее распространены. Они могут быть настенного или напольного исполнения. К сегодняшнему дню КПД агрегатов заметно увеличился (с 50 до 97 %). Улучшено вспомогательное оборудование, внедрены системы автоматизации и безопасности.

У нас в стране в основном используются газовые и жидкотопливные напольные котлы. Они высокоэффективны (КПД стандартных газовых котлов достигает порядка 95 %, а формальный КПД (с учетом теплоты парообразования) конденсационных агрегатов (например, Rendamax) достигает 105 %), экономичны, надежны и долговечны (срок службы — до 20 лет). Твердотопливные котлы не так распространены, поскольку их КПД несколько ниже (около 84 %).

Одной из последних разработок является газогенераторный (или пиролизный) котел. Он работает на древесном топливе и торфе, но, в отличие от традиционного варианта, сжигание происходит с высокой эффективностью. При этом в дыме практически отсутствуют токсичные продукты горения.

В комбинированном котле после сжигания твердого топлива предусмотрен переход на газ или солярку, в зависимости от чего устанавливается соответствующий тип горелки. Кроме того, многие модели оснащаются системой электрического подогрева. После полного сжигания топлива она позволяет поддерживать требуемую температуру теплоносителя.

Практически все виды современных котлов имеют автоматические 
системы регулирования различных параметров. Они обеспечивают функции безопасности, управляют горелкой, задают и контролируют температурный режим. Увеличить эффективность работы агрегата позволяют микропроцессорные устройства управления. С их помощью можно регулировать температуру теплоносителя сразу в нескольких контурах отопления. Автоматика существенно облегчает обслуживание котла, оптимизирует его работу, не допуская «перетопов» и «недотопов», следит за жесткостью воды, изменением давления и т.д.

Так, в современных газовых котлах предусмотрена электронная регулировка мощности (например, в котлах производства Viessmann, Baxi, Wolf, Buderus, De Dietrich). Это значит, что модуляция пламени горелки происходит непрерывно, оптимизируя работу оборудования и экономя топливо. Для поддержания комфорта в помещении можно подключить к котлу контролирующее систему отопления устройство. Такой контроллер (например, Clima Manager), как правило, представляет собой программирующее устройство, с помощью которого можно задать необходимые параметры работы оборудования, а также установить наиболее комфортный температурный режим в помещении. В функции прибора входит также регулирование контура ГВС, проведение диагностики и определение неисправности узлов системы. Основные параметры работы и возможные неисправности отображаются на дисплее. 

Трубы

Неотъемлемой частью систем теплоснабжения являются магистрали. По ним вода (130 °С) от ТЭЦ поступает в контур теплообменников, где греет теплоноситель, который разводится по потребителям. В России большая часть таких трубопроводов изготовлена из стали (около 70 %). Они были проложены много лет назад и с тех пор практически не реконструировались. По некоторым данным, более 40 % линий, работающих в сфере ЖКХ, находятся в крайне изношенном состоянии и требуют замены.

Стальные трубы обладают очень высокой прочностью, пожаробезопасностью и, что очень важно для систем отопления, газовой герметичностью. Однако они коррозионно неустойчивы, из-за чего срок их эксплуатации невелик и составляет порядка 15 лет. Кроме того, стальные трубы отличаются трудоемкостью монтажа. Имея большую массу, они поставляются в виде относительно коротких отрезков, что приводит к значительному увеличению сварочных соединений. Так, по оценкам специалистов, на километре длины (при диаметре трубы 110 мм) требуется около 84 стыковочных узлов.

В число металлических изделий входят также чугунные и медные трубопроводы, однако в силу своих недостатков они не получили широкого распространения. Первые очень массивны, хрупки и сложны в монтажных работах. Вторые очень дороги и при массовом внедрении нерентабельны.

Для обустройства внутренних систем наиболее перспективны сегодня пластиковые трубы. На данный момент насчитывается несколько их основных разновидностей: трубы из ПВХ, полиэтилена, металлопластика, а также полипропилена. Последний тип наиболее совершенен и по характеристикам превосходит все остальные. Полипропиленовые трубопроводы (например, «Акватекс-пласт», Россия) обладают коррозионной устойчивостью, имеют низкую теплопроводность (в некоторых случаях не требуется даже изоляция). Кроме того, они экологичны, очень просты в монтаже благодаря малому весу и большой длине монтируемых отрезков. Срок их службы составляет более 50 лет. Верхний температурный предел таких труб лежит в диапазоне 90–95 °С, что позволяет применять их (кроме водоснабжения и канализации) и в системах отопления для организации внутренней разводки, где температура ниже. 

Циркуляционный насос

Насос — важный элемент в организации переноса тепла. Учитывая большую протяженность и разветвленность систем теплоснабжения, от эффективности насосных групп во многом зависит действенность теплопередачи. Около 60 лет назад появились первые насосы с мокрым ротором, которые сейчас в основном используются в автономных системах отопления. Как видно из названия, их конструкция предполагает погружение основных элементов (крыльчатки и ротора) в перекачиваемую жидкость. Корпус насоса выполняется главным образом из чугуна или нержавеющей стали. Такие устройства достаточно бесшумны, просты в монтаже и могут функционировать без техобслуживания в течение нескольких лет. Однако КПД насосов мокрого типа сравнительно мал (75–80 %), поэтому для более крупных систем применяют другие конструкционные решения.

Циркуляционные насосы сухого типа (где ротор не омывается перекачиваемой жидкостью) получили широкое распространение в коллективных сетях теплоснабжения. КПД их высок и может достигать 85– 87 %, и в системах отопления преимущественно применяется именно этот тип. В ранних моделях использовались сальниковые вкладыши, требующие регулярного обслуживания и не обеспечивающие должной герметичности насоса. Сейчас в основном применяются более эффективные скользящие торцевые уплотнения. 
Наиболее современные модели насосов (например, Grundfos серии TPE, а также изделия компаний Wilo, DAB) оборудуются устройствами частотного регулирования. Это позволяет точно выбирать режим работы агрегата, что дает возможность существенно (до 50 %) сократить энергозатраты. 

Радиатор/конвектор

Последнее звено в цепи системы — отопительный прибор. Непосредственно от него потребитель получает тепло. При этом если процесс носит в основном характер конвекции (циркуляционное нагревание воздуха, проходящего сквозь поверхность обогрева), то отопительный прибор называется конвектором. Холодный воздух, проходя через него, быстро нагревается и поднимается вверх. Конвектор, как правило, представляет собой заключенный в кожух нагревательный элемент (реже без него), теплообменники которого изготавливаются из стальных или медных трубок со стальным или алюминиевым оребрением.

Конвекторы известны достаточно давно, например, еще во времена СССР были популярны такие модели, как «Комфорт-20», «Универсал», «Аккорд» и др. Сегодня их число заметно увеличилось, исполнение стало разнообразнее, все модели теперь снабжены аккуратным кожухом, который заметно улучшает эстетические качества этих изделий. Так, существуют плинтусные и внутрипольные конвекторы, которые признаны оптимальным решением для отопления зимних садов, а также других помещений, большая часть ограждающих конструкций которых остеклена. Конвекторы от ведущих зарубежных производителей (Kampmann, Kermi, Jaga, IMP Clima) производятся в различных вариантах и имеют очень приятный внешний вид. Они могут быть окрашены не только в традиционный белый цвет, но и другие. В случае впольного исполнения используются различные декоративные решетки.

Другой вид отопительного прибора — радиаторы. В отличие от конвекторов, существенную долю тепла они передают путем излучения. Эти отопительные приборы классифицируют по конструкционному исполнению и материалу. Наиболее известны (более 100 лет) и распространены чугунные секционные радиаторы. На данный момент в России они занимают около 50 % рынка отопительных приборов. Особенно популярна модель МС–140. В основном это двухканальные, соединенные между собой секции, количество которых может быть разным, в зависимости от необходимой мощности. Рабочее давление в таких батареях 6 атм, внешний вид нельзя назвать шедевром дизайна. Внутренние поверхности неровные, что способствует «зарастанию» радиатора шламом.

Однако эти радиаторы надежны, практичны, а главное, хорошо приспособлены для российских систем теплоснабжения с преобладающе однотрубным исполнением и низким уровнем водоподготовки. Им свойственна высокая коррозионная стойкость, химическая нейтральность, хорошая теплопроводность и долговечность. Но при этом они обладают большой тепловой инерционностью, долго прогреваются, вследствие чего имеют сложности в терморегулировке. Кроме того, они весьма тяжелы, что усложняет монтаж.

Из секционных отопительных приборов можно также выделить алюминиевые и биметаллические радиаторы. Первые изготавливаются из сплава алюминия с кремнием (так называемых силуминов). При этом каждая секция радиатора может представлять собой либо цельную литую деталь, либо синтез трех элементов, механически соединенных друг с другом.

Эти радиаторы обладают малым весом, высокой теплоотдачей, легко регулируются термостатическими вентилями. Однако их эффективное использование возможно только в системах отопления со стабильным давлением и высоким качеством теплоносителя из-за повышенной химической активности сплавов алюминия по отношению к воде, стали, меди. По мнению директора научно-технической фирмы ООО «Витатерм» (г. Москва) В.И. Сасина, решить эту проблему вполне возможно путем применения металлополимерных трубопроводов. Ведущие итальянские производители (традиционно алюминиевые и биметаллические радиаторы производятся именно в Италии) предлагают модели, разработанные специально для российских условий. Большинство из них работают под давлением 16 атм, некоторые, например, изделия компании Faral, обладают внутренним антикоррозийным покрытием. 

Секции биметаллических радиаторов выполнены, как правило, из стальных трубок (по которым протекает теплоноситель) с оребрением из алюминия. Тем самым используются позитивные свойства двух металлов — высокая теплопроводность алюминия и прочность стали. Однако даже при заявленной прочности биметаллического радиатора (с расчетом на рабочее давление до 35 атм) он рассчитан на эксплуатацию в системе со специально подготовленным теплоносителем. При этом не следует забывать, что рабочее давление в жилых и административных зданиях нормировано российскими СНиПами до 10 атм. На это же давление рассчитана стандартная запорная и регулировочная арматура всех производителей, так что заявленное давление в 35 атм не имеет особого смысла — это скорее погоня за цифрами, чем необходимость в использовании.

В Европе сегодня гораздо более популярны стальные трубчатые радиаторы. Это приборы, состоящие из отдельных секций, сваренных между собой. Рабочее давление варьирует от 4 до 18 атм. Благодаря способу производства стальные трубчатые радиаторы могут быть практически любой длины и высоты, что позволяет использовать их не только в качестве отопительных приборов, но и элементов дизайна. Первый такой радиатор, Charleston, был выпущен швейцарской компанией Zehnder в 1930 г., которая и сейчас остается лидером на европейском рынке среди производителей трубчатых радиаторов.

Входные и выходные патрубки могут располагаться практически в любом месте прибора, кроме того, конструкция радиатора позволяет реализовывать различные дизайнерские идеи. Например, трубчатые радиаторы могут иметь угловое и радиусное исполнение для установки в эркеры различных форм, а также изготавливаться в форме трапеции или арки. Кроме того, они не создают трудностей в уходе, травмобезопасны и гигиеничны (благодаря обтекаемости форм и легкости доступа ко всем поверхностям радиатора) и идеально подходят для отопления детских и медицинских учреждений.

К сожалению, применение стальных радиаторов в России осложнено тем, что большинство отопительных систем у нас открытые. Содержащийся в воде кислород окисляет сталь, что приводит к внутренней коррозии радиатора. Но производители постоянно ищут пути решения данной проблемы. В качестве примера можно привести один из продуктов компании Zehnder — трубчатый стальной радиатор Charleston Pro со специальным внутренним антикоррозийным покрытием. Он сочетает в себе все положительные качества стального прибора (внешний вид, теплоотдача, легкость регулировки температуры за счет низкой инертности) и чугунного с его химической пассивностью к воздействию кислорода и других веществ. Charleston Pro имеет гладкую поверхность, скругленные углы (что немаловажно для безопасности), а также несколько вариантов подключения к системе отопления. Специальное антикоррозионное покрытие внутренней поверхности радиатора (наносимое путем апплицирования) позволяет ему долгое время (более 25 лет) работать в любых системах отопления.

В северных странах без эффективных систем теплоснабжения проживание и любая хозяйственная деятельность невозможны. В полной мере это относится и к России, 80 % территории которой находится в суровых климатических условиях, значит, оставлять без внимания преобразования отопительных технологий нельзя. Только своевременное и комплексное замещение физически и морально изношенного оборудования (котельного, радиаторного, насосного и т.д.), а также внедрение новых технологий откроют прямой путь к выстраиванию высокоэффективной, экономичной и надежной системы теплоснабжения любого уровня.

По материалам сайта www.airweek.ru