Топочная, мощностью 200 кВт, для жилых домов

Тема данной статьи касается большей частью напольных котлов и их обвязки. Рассматривая частный пример топочной, расположенной в Киеве, мы опишем все примененные в ней проектные решения и попытаемся отобразить их назначения, которые сводятся, по сути, к экономии газа и сохранению работоспособности котельного оборудования.

I.         Основные расчетные показатели объекта.

— тип, назначение – комплекс частных жилых домов;
— суммарная жилая площадь всех построек – 1635 м2, в том числе: 
— корпус «А» - 620 м2; 
— корпус «Б» - 497 м2; 
— корпус «В» - 486 м2; 
— корпус «Г» - 32 м2; 
— высота всех помещений – 3 м; 
— суммарный жилой объем всех построек – 4900 м3; 
— количество приборов разбора горячей воды – 30 , в том числе: 
— мойка кухонная – 5 шт.; 
— умывальник – 14 шт.; 
— ванна – 5 шт.; 
— душ – 13 шт.; 
— биде – 2 шт; 
— количество проживающих людей – 9 человек; 
— размер чаши бассейна – 15 х 3 х 1,6 (м) = объем 72 м3; 
— размер помещения бассейна – 18,2 х 7,4 х 3,7 (м) = объем 500 м3;
— контура потребления тепла – отопление корпусов «А», «Б», «В» и «Г»; горячее водоснабжение с рециркуляцией, теплый пол, подогрев бассейна, подогрев приточной вентиляции;
— вид топлива – природный газ. 

II. Расчет тепловых нагрузок.

Для расчета тепловых нагрузок по укрупненным показателям воспользуемся нормативными документами.

Отопление.

Согласно обязательному приложению «В» ДБН В.2.6-31:2006 «Тепловая изоляция зданий» г. Киев находится в 1-й температурной зоне Украины с числом ГСОП > 3501.

Есть такое понятие в строительной теплофизике – ГСОП – Градусо Сутки Отопительного Периода. Это универсальный показатель характеризующий степень суровости климата. Если учесть, что параметры комфортности для человека во всех странах примерно одинаковы, то ГСОП опосредованно характеризует уровень энергозатрат на поддержание параметров комфортности – чем меньше ГСОП, тем меньше энергии будет израсходовано на отопление.



где: tв – расчетная температура внутреннего воздуха, оС (согласно обязательному приложению «Г» ДБН В.2.6-31:2006 «Тепловая изоляция зданий» tв=20°С);
tот.пер, Zот.пер – средняя температура, оС и продолжительность, сутки, периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной +8 оС, по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

Так, для Киева, количество дней в году, когда температура ниже +8°С: 176 суток. Среднесуточная температура в этот период: - 0,6°С. Тогда ГСОПКиева = (20 + 0,6) * 176 = 3626.

Согласно обязательному приложению 25 «Контрольные показатели удельного теплового потока для отопительных систем жилых и общественных зданий», СНиП 2.04.05-91* (2000) «Отопление, вентиляция и кондиционирование», при ГСОП > 3501:

— Удельные теплопотери жилого дома – 86 Вт/м2
— Удельное годовое потребление тепла – 0,7 ГДж/(м2*год)
Тогда суммарные тепловые потери жилого дома составляют: 1635 м2 * 86 Вт = 140,6 кВт, в том числе:

— корпус «А» - 620 м2 * 86 Вт = 54 кВт; 
— корпус «Б» - 497 м2 * 86 Вт = 43 кВт; 
— корпус «В» - 486 м2 * 86 Вт = 42 кВт; 
— корпус «Г» - 32 м2 * 86 Вт = 3 кВт.
Мощность контуров системы отопления принята как разность теплопотерь и мощности теплого пола соответствующего корпуса (см. ниже сводную таблицу тепловых нагрузок).

Теплый пол.

Тепловая мощность теплого пола составляет 58 кВт, в том числе:

— корпус «А» - 290 м2 * 100 Вт (шаг укладки – 0,15 м) = 29 кВт; 
— корпус «Б» - 140 м2 * 100 Вт (шаг укладки – 0,15 м) = 14 кВт; 
— корпус «В» - 150 м2 * 100 Вт (шаг укладки – 0,15 м) = 15 кВт.

Горячая вода (ГВС).

Расход горячей воды на нужды ГВС рассчитаем по СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий».

Количество санитарных приборов в корпусах – 39, в том числе:

— мойка кухонная – 5 шт.; 
— умывальник – 14 шт.; 
— ванна – 5 шт.; 
— душ – 13 шт.; 
— биде – 2 шт.
Количество проживающих людей – 9 человек.

Тогда, с учетом нормы расхода воды санитарными приборами (обязательное приложение 2) и потребителями (обязательное приложение 3), а также вероятности действия и использования санитарных приборов (приложение 4, таблица 2), максимальный часовой расход горячей воды во всех корпусах составит 1,374 м3/ч, для чего, при нагреве её на 50°С (с 5°С {обязательное приложение 1} до 55°С {п. 2.2}), потребуется: 1,374 * 50 * 1,163 = 80 кВт. Средний часовой расход горячей воды за сутки составит 0,1125 м3/ч или 7 кВт.

Бассейн.

Тепловая мощность, необходимая для нагрева бассейна, рассчитывается по следующим показателям:

— Время нагрева бассейна «с нуля»: 2 суток = 48 часов; 
— Температура нагрева: +28°С; 
— Температура воды в водопроводе зимой: +5°С; 
— Объем воды в бассейне: 72 м3.
Откуда тепловая мощность равна: 72 м3 * (28°С – 5°С) / 48 ч * 1,163 = 40 кВт.

Приточная вентиляция.

Расход тепла на подогрев приточного воздуха в помещение бассейна рассчитаем по следующим показателям:

— Объем помещения бассейна: 500 м3; 
— Кратность воздухообмена в час: 10; 
— Температура наружного воздуха зимой: –22°С; 
— Температура внутреннего воздуха: +30°С.
Откуда тепловая мощность равна: 500 м3 * 10/ч * (30°С + 22°С) * 0,336 * 1,163 / 1000 = 102 кВт.

Все полученные тепловые нагрузки отобразим в сводной таблице.

№	Контур потребления тепла	Тепловая нагрузка, кВт				Всего по контурам, кВт
		Корпус «А»	Корпус «Б»	Корпус «В»	Корпус «Г»
1	Отопление	25	29	27	3	84
2	Теплый пол	29	14	15	-	58
3	ГВС	80				80
4	Бассейн	40				40
5	Вентиляция	102				102
6	Всего по объекту					364

 

Годовое потребление тепла объектом (СНиП 2.04.05-91*):

1635 м2 * 0,7 ГДж/(м2*год) = 1144,5 ГДж/год,

для чего, при теплотворной способности газа 33,7 МДж/м?, и при КПД котлов 92%, необходимо:

1144,5 ГДж/год / (0,92 * 0,0337 ГДж/м?) = 36915 м3 газа в год.

При цене на газ для потребителей, с годовым расходом более 12000 м3 и наличием счетчика, равной 2685,6 грн. за 1000 м3, стоимость потребленного газа составит:

36,915 * 2685,6 = 99138 грн./год.


III. Комплектация котельной.

На данном объекте проектом предусмотрена установка двух напольных газовых чугунных 2-х ступенчатых котла RMG 100 Mk.II, мощностью по 100 кВт каждый, производства компании Fonderie SIME S.p.A. При том, что суммарная тепловая нагрузка, потребляемая объектом (364 кВт), гораздо больше суммарной установленной мощности котлов (200 кВт), топочная полностью справляется со своей задачей, благодаря установленной каскадной и погодной автоматике приготовления и распределения тепла.

В основу такого распределения заложен временной график пребывания людей в доме или в отдельных его корпусах, приоритетность контура ГВС перед другими контурами, периодичность использования подогрева бассейна и вентиляции. Ведь если подавать тепло на объект только в необходимое время, а не круглые сутки, можно добиться колоссальной экономии как эксплуатационных затрат, так и капитальных. Именно такой принцип заложен при строительстве нашей котельной – больше возможностей автоматики и меньше мощность котлов.

Итак, несколько строк об оборудовании котельной из разряда пояснительных записок соответствующих проектов.

Для предотвращения возможной деформации теплообменников в результате аварийных утечек воды в топочной, котлы установлены на фундаментальное основание (рис. 1), высотой 10 см, а в конструкции пола предусмотрен трап для удаления воды в систему дренажа.



Приготовление горячей воды на нужды системы ГВС осуществляется в двух емкостных водонагревателях косвенного типа (рис. 1), объемом по 500 л каждый, со встроенным теплообменником, мощностью 41 кВт. Каждый бойлер имеет свой загрузочный насос по теплоносителю и свой датчик температуры от котельной автоматики. Такое решение обеспечивает следующие возможности:

— обслуживания бойлеров без отключения горячей воды потребителям; 
— регулирования запаса готовой горячей воды в целях экономии газа; 
— нагрев бойлеров максимум 2 раза в сутки – освобождение мощности котлов для других контуров.

Рециркуляция воды в системе ГВС осуществляется насосом с бронзовым корпусом, управляемым котельной автоматикой по времени и температуре возвратной воды.

Циркуляция теплоносителя в системах отопления и теплого пола осуществляется насосами (рис. 2), оснащенными автоматикой поддержания постоянного перепада давления – частотным преобразователем. Эти насосы, помимо экономии электроэнергии, позволяют экономить газ путем уменьшения расхода теплоносителя в соответствующем контуре, если там закрылись радиаторные терморегуляторы, зональные клапана, смесительные клапана, регуляторы расхода теплоносителя и т.д.

 
Разделение контура приготовления тепла от контуров потребления тепла осуществляется с помощью термогидравлического распределителя («гидрострелки», рис. 3), включающего в себя мусоросборник и клапан автоматического выпуска воздуха. Это позволяет насосам различных контуров не влиять друг на друга при включении/выключении и работе. Размеры гидравлической стрелки выбираются таким образом, чтобы скорость теплоносителя в ней была минимальная (не более 0,5 м/с). Только в этом случае достигается максимальный эффект от её применения, поскольку при малых скоростях теплоносителя из него успевает удалиться воздух и шлам. При этом исчезает необходимость в установке отдельных механических фильтров и деаэраторов. Кроме того, теплообмен между встречными потоками контуров приготовления и потребления тепла происходит более плавно и равномерно, что понижает вероятность резких скачков температуры в котлах и, как следствие, увеличивает срок их эксплуатации. Также, гидрострелка необходима в котельных с двумя и более котлами для предотвращения циркуляции теплоносителя через неработающие котлы насосами работающих котлов и отопительных контуров. Котлы с выключенной горелкой в составе каскадной установки при прохождении через них теплоносителя остужают его, являясь, по сути, охладителями, а не нагревателями. Это влечет за собой повышенный расход газа.


 
При изменении температуры теплоносителя в системах его объем и давление изменяются вследствие температурного расширения. Для компенсации избытка или недостатка этого объема проектом предусмотрена установка мембранных расширительных баков как для теплоносителя, так и для воды в системе ГВС. Если расширительные баки не ставить – это не вызовет неполадок в системе – избыточное давление выйдет через предохранительные клапана на котлах и бойлерах, но при остывании системы давление может упасть ниже допустимого значения. Для того чтобы поднять давление теплоносителя необходимо открыть кран подпитки (или клапан автоподпитки сделает это сам) и запустить в систему воду извне: водопровод или емкости запаса подпиточной воды; эту воду надо нагреть до температуры основного теплоносителя, для чего котлы сжигают дополнительный газ. При повторном нагреве системы избыточное давление вновь выпускается через предохранительные клапана в систему дренажа, фактически, выбрасывая горячую воду в канализацию. Таким образом, при установке расширительных баков на контурах теплоносителя и системы ГВС, мы экономим воду и газ.

Для теплоснабжения систем отопления согласно заданному отопительному графику проектом предусмотрена установка 3-х ходовых смесительных клапанов (рис. 2) с электроприводами, управляемыми погодной автоматикой. Корректировка температуры теплоносителя по температуре внутреннего воздуха осуществляется с помощью комнатных термостатов, установленных в корпусах «А», «Б» и «В» и подключенных к общей автоматике котельной. На этих термостатах пользователи могут устанавливать желаемую температуру в помещениях, не выходя в котельную.

Существует три способа регулирования подачи тепла потребителям: качественный, количественный и смешанный.

Качественный способ – это подача теплоносителя с постоянным расходом и переменной температурой, то есть циркуляционный насос работает постоянно, а смесительный клапан подмешивает обратку в подачу таким образом, чтобы температура в системе отопления или теплого пола соответствовала заданному отопительному графику. Для этого необходимо, прежде всего, наличие самого смесительного клапана, а уж потом – максимальной температуры теплоносителя перед клапаном и погодной автоматики. Качественный способ регулирования является более безопасным для систем, поскольку исключает резкие скачки температуры теплоносителя, что влечет за собой повышенный износ оборудования. К тому же подача тепла осуществляется непрерывно, не вызывая дискомфорта у потребителя. Для контура теплого пола возможен только этот способ регулирования, так как, наряду с другими высокотемпературными контурами, в теплый пол необходимо подавать теплоноситель с пониженной температурой.

Количественное регулирование – это подача теплоносителя с переменным расходом и постоянной температурой, то есть циркуляционный насос работает согласно временному графику или комнатному термостату, а смесительного клапана вообще нет. Такой способ требует наличия устройства, включающего и выключающего циркуляционный насос, и является менее приемлемым для оборудования, поскольку подразумевает максимальную амплитуду изменения температуры теплоносителя с минимальным периодом. То есть, при выключенном насосе все системы (котловой и отопительный контура) остывают. Затем, при включении насоса включается и котел, который работает на максимальную мощность, чтобы заново нагреть теплоноситель «с нуля» и прогреть всю систему. А это может вызвать повышенный расход газа.

Смешанное регулирование, предусмотренное на данном объекте, подразумевает сочетание качественного и количественного способов для обеспечения максимального комфорта потребителя и экономии газа.

Источник водоснабжения объекта – индивидуальная скважина. Подготовка воды для подпитки системы отопления и на хозяйственно-питьевые нужды осуществляется в станции подготовки воды (рис. 4), состоящей из следующих компонентов:

1.Мультимедийный фильтр от механических примесей 50-30 микрон (механическая очистка).
2.Обработка воды в установке умягчения и обезжелезивания воды (умягчение, обезжелезивание).
3.Мультимедийный фильтр сорбционной очистки с активированным углем (удаление запаха сероводорода).
4.Тонкая очистка воды на механическом фильтре в картридже 20 мкм (дополнительная очистка после угольного фильтра и емкости запаса воды).
5.Система обеззараживания ультрафиолетом (удаление вирусов, бактерий).
6.Питьевая система «Обратного осмоса» (получение питьевой воды). Устанавливается на кухнях.


 

Надо ли говорить о важности качества потребляемой нами воды? Думаю, это и так все прекрасно понимают. А вот о необходимости подготовки воды для котельных догадываются далеко не все, судя по практике. Потребитель понимает об этом только тогда, когда показываешь ему распиленный пополам теплообменник котла, радиатор, термостатический радиаторный клапан, смесительный клапан, трубы, рабочее колесо насосов, и т.д.

При анализе воды из скважины были обнаружены следующие показатели:

1.Жесткость воды превышает европейскую норму в 3 раза.
2.Содержание железа превышает норму в 26 раз. 
3.Щелочность превышает норму в 2 раза. 
4.Мутность превышает норму в 4 раза.

В городском водопроводе ситуация получше, хотя жесткость и содержание железа там все равно делают воду непригодной для использования в качестве теплоносителя. Экономия газа при установке водоподготовительных станций налицо – при отложении накипи, окислении железа и скоплении механического мусора на внутренних стенках теплообменника котла, трубах, радиаторах и т.д. производительность системы падает в результате ухудшения теплообменных и гидравлических характеристик этого оборудования. В результате, для того, чтобы потребитель получил то же количество тепла, что и прежде, котлы сжигают дополнительное количество газа. Так может продолжаться до тех пор, пока эффективность всей системы теплоснабжения не станет равной нулю (радиаторы совсем не греют) или пока насосы не выдут из строя в результате длительной работы с нулевым расходом теплоносителя. Тогда то и распиливают полностью закупоренные трубы, арматуру, радиаторы с узким проходным сечением. Но главное - теплообменники котлов, поскольку самый активный процесс отложения накипи происходит именно в котле, где вода нагревается об раскаленную поверхность.

В целях энергосбережения и безопасности обслуживания все трубы и оборудование в котельной предусмотрены в теплоизоляции (рис. 2, 3 и 5). При отсутствии теплоизоляции температура воздуха в помещении котельной может достигать слишком высоких значений (30-60°С), которые, при нормативном 3-х кратном воздухообмене, превращаются в колоссальные теплопотери и повышенный расход газа.





Дымоходы котлов выполнены из нержавеющей стали, изолированы стекловатой и обшиты кожухом из нержавеющей стали. При отсутствии теплоизоляции на дымоходе, в том числе на внутренней его части, существует вероятность получения серьёзных ожогов обслуживающего персонала и собственников котельных. Кроме того, при охлаждении дымовых газов уже во внутренней части дымохода, понижается их температура, а это влечет за собой уменьшение перепада температур и плотностей между дымовыми газами и наружным воздухом. В результате уменьшается естественная тяга в дымоходе, что может привести к её опрокидыванию (дымовые газы идут по дымоходу не вверх, а вниз) и попаданию дыма в помещение котельной. Конечно, в котлах есть защита и от таких случаев – это встроенный термостат дымовых газов. Но, чтобы перезапустить котел, нужно нажать на соответствующую кнопку разблокировки термостата, и пока дымоход не будет исправлен – увеличена его высота или теплоизоляция – нажимать на эту кнопку придется все время.

Ну и наконец, автоматика котельной (рис. 6 и 7) представляет собой объединенные в одну систему котловые контроллеры и погодные регуляторы отопительных контуров, главные функции которой заключаются в следующем:

— Управление каскадом из 2-х котлов с 2-х ступенчатой горелкой – 4-х ступенчатое регулирования всей мощности котельной. 
— Управление 2-мя котловыми насосами. 
— Управление 3-мя контурами со смесительным клапаном по индивидуальным отопительным графикам: отопление корпусов «А», «Б» и «В». 
— Управление системой ГВС: 2 бойлера с индивидуальными насосами и датчиками температуры, контур рециркуляции с насосом и датчиком температуры. 
— Управление 4-мя прямыми контурами: отопление корпуса «Г», подогрев приточной вентиляции, подогрев бассейна и контур теплого пола. Смесительные клапана для теплого пола установлены в распределительных шкафах каждого из корпусов.


                 
Электроснабжение котельной осуществляется посредством стабилизатора напряжения (рис. 8), основная задача которого защитить автоматику и насосы от выхода из строя в результате возможных скачков напряжения.


    

Сигналы о работающем оборудовании и возникших неполадках выводятся на ЩСИ (щит сбора информации, рис. 9). Общий сигнал аварии выведен на внешнюю сторону наружной стены котельной посредством светозвукосигнального устройства оповещения. Аварийный сигнал подается в следующих случаях:

— Обнаружение газа или дыма в помещении котельной. При этой аварии прекращается подача газа на вводе газопровода в котельную.
— Низкое давление воды в котловом контуре.
— Отсутствие пламени в котлах при попытке их розжига.
— Перегрев котлов – температура теплоносителя больше 100°С.
— Опрокидывание тяги в дымоходах.

 

При любом аварийном случае требуется вмешательство пользователя для устранения неполадки и возобновления работы котельной.

IV. Вывод

Подводя итог нашей статьи, хочу обратить ваше внимание на то, что эффективность и безопасность работы современных напольных газовых котлов зависит в первую очередь от комплекса мероприятий по энергосбережению и диспетчеризации, предусмотренных в котельной, а уже потом – от КПД самих котлов, который среди аналогов различных производителей практически не отличается.