Обеспечение комфортного и бесперебойного снабжения горячей водой (ГВС) является важной задачей для любого здания. В системах ГВС широко применяется двухступенчатая смешанная схема включения водонагревателей, которая отличается эффективностью, экономичностью и надежностью. В этой статье мы подробно рассмотрим принцип работы этой схемы, перечислим ее преимущества, опишем области применения, поделимся вариантами реализации и расскажем о нюансах расчета требуемой поверхности нагрева.
В системах горячего водоснабжения (ГВС) двухступенчатая смешанная схема включения водонагревателей является распространенным и эффективным решением. Она позволяет экономить энергию, снижать эксплуатационные расходы и обеспечивает надежное снабжение горячей водой.
Принцип работы:
В этой схеме используются два водонагревателя, работающие последовательно.
- Первый водонагреватель (I ступень) использует тепло обратной воды, возвращаемой из системы отопления.
- Второй водонагреватель (II ступень) догревает воду свежей сетевой водой до необходимой температуры.
Преимущества:
- Экономия энергии: За счет использования более «дешевой» обратной воды для подогрева воды на первой ступени, общее потребление энергии системой ГВС снижается.
- Снижение эксплуатационных расходов: Экономия энергии напрямую приводит к сокращению расходов на оплату отопления и ГВС.
- Надежность: Двухступенчатая схема обеспечивает более стабильную температуру горячей воды, уменьшая риск перепадов.
- Универсальность: Эту схему можно использовать в различных системах отопления, как с нормальным, так и с температурным графиком с надбавкой.
При закрытой схеме теплоснабжения системы горячего водоснабжения присоединяются к тепловым сетям через скоростные противоточные водоводяные подогреватели.
Для уменьшения количества греющей сетевой воды, требующейся для горячего водоснабжения, включение подогревателей осуществляется по двухступенчатым схемам с использованием первой ступени тепла обратной воды, поступающей из системы отопления и вентиляции.
Двухступенчатая смешанная схема включения подогревателей применяется:
А) в тепловых сетях, работающих по нормальному отопительному графику, независимо от соотношения максимальных часовых нагрузок горячего водоснабжения и отопления – для всех объектов, кроме бань, прачечных, плавательных бассейнов и т.п.;
Б) в тепловых сетях, работающих по температурному графику с надбавкой – для промышленных предприятий, научно-исследовательских институтов и других объектов, имеющих вентиляционные системы, подключенные к общей тепловой сети, независимо от соотношения нагрузок горячего водоснабжения и отопления;
В) в тепловых сетях, работающих по температурному графику с надбавкой – для объектов, не имеющих вентиляционных систем, при соотношении максимальных часовых нагрузок на горячее водоснабжение и отопление больше 10.
При смешанной схеме включения подогреватель первой ступени включается по греющей воде после системы отопления, а подогреватель второй ступени – параллельно с система отопления и вентиляции. При наличии в системе горячего водоснабжения циркуляционной линии она включается в трубопровод нагреваемой воды между подогревателями первой и второй ступеней.
Расчет требующейся поверхности нагрева подогревателей производится на максимум расхода тепла при минимальной температуре воды, подаваемой из тепловой сети во время отопительного периода, т.е. в точки излома отопительного графика, и проверяется при температуре воды, подаваемой из тепловой сети в летний период.
- Исходные данные для расчета подогревателей горячего водоснабжения при температурах греющей воды, соответствующих точке излома температурного графика:
QГВ – максимальный часовой расход тепла на горячее водоснабжение, ккал/ч;
QОТ – максимальный часовой расход тепла на отопление при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления, ккал/ч;
ТПОД – температуру греющей воды в подающем трубопроводе при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования и отопления, 0С;
ТОБР – то же, в обратном трубопроводе, 0С;
GОТ – расход греющей воды на отопление, т/ч:
GОТ = QОТ / (ТПОД – ТОБР)*1000
t1 – температура горячей воды, поступающей в местную системы горячего водоснабжения, 0С, обычно
t1 = 60÷650С;
t1 – температура холодной (водопроводной) воды в летний период, 0С, обычно
t1 = 50С;
GГВНАГР – расход нагреваемой воды на горячее водоснабжение, т/ч
GГВНАГР = QГВ / (t1 – t2)*1000
Т1 – температура греющей воды на входе в подогреватель второй ступени в точке излома температурного графика, 0С; при отопительном графике Т1 = 700С. При повышенном графике Т1 указывается теплоснабжающей организацией;
ТОТ – температура греющей воды после системы отопления, 0С. ТОТ зависит от схемы присоединения отопительной системы к тепловой сети.
При непосредственном присоединении системы отопления без снижения температуры греющей воды или через элеватор, или смесительные насосы, температура воды после системы отопления принимается по таблице.
При независимом присоединении системы отопления через скоростной водоводяной подогреватель температура греющей воды после подогревателя отопления принимается на 5÷100С выше температуры обратной воды после системы отопления, которая берется из таблицы.
Температура воды, возвращаемой из системы отопления при tВНУТР = 180С
Расчетная температура наружного воздуха, 0С | Фактическая температура наружного воздуха, 0С | ||||||||||
| +10 | +5 | 0 | -5 | -10 | -15 | -20 | -25 | -30 | -35 | -40 | |
| -5 | 41,4 | 52 | 61,5 | 70 | |||||||
| -6 | 40,6 | 50,8 | 60,1 | 68,7 | |||||||
| -7 | 40 | 49,9 | 59,9 | 67,6 | |||||||
| -8 | 39,3 | 49 | 57,7 | 65 | |||||||
| -9 | 38,6 | 47,9 | 56,3 | 64 | |||||||
| -10 | 38,2 | 47,2 | 55,4 | 62,9 | 70 | ||||||
| -11 | 37,5 | 46,2 | 54,2 | 61,6 | 68,4 | ||||||
| -12 | 37 | 45,7 | 53,5 | 60,6 | 67,3 | ||||||
| -13 | 36,5 | 45,1 | 52,8 | 59,8 | 66,3 | ||||||
| -14 | 36,2 | 44,8 | 51,7 | 58,5 | 65,1 | ||||||
| -15 | 35,8 | 43,8 | 51 | 57,8 | 64,2 | 70 | |||||
| -16 | 35,4 | 43,3 | 50,5 | 57 | 63,3 | 69 | |||||
| -17 | 34,9 | 42,6 | 49,4 | 55,9 | 62 | 67,5 | |||||
| -18 | 34,6 | 42 | 48,3 | 55,1 | 61 | 66,5 | |||||
| -19 | 34,2 | 41,6 | 48,1 | 54,3 | 60,1 | 65,5 | |||||
| -20 | 34 | 41 | 47,6 | 53,6 | 59,3 | 64,8 | 70 | ||||
| -21 | 33,6 | 40,7 | 47 | 52,9 | 58,5 | 63,8 | 69 | ||||
| -22 | 33,3 | 40,2 | 46,4 | 52,2 | 57,7 | 63 | 68 | ||||
| -23 | 33 | 39,8 | 45,9 | 51,6 | 57 | 62,2 | 67 | ||||
| -24 | 32,7 | 39,4 | 45,4 | 51 | 56,3 | 61,4 | 66,3 | ||||
| -25 | 32,5 | 38,9 | 44,8 | 50,4 | 55,6 | 60,6 | 65,4 | 70 | |||
| -26 | 32,3 | 38,6 | 44,5 | 49,8 | 55 | 59,8 | 64,6 | 69,1 | |||
| -27 | 32 | 38,3 | 44 | 49,3 | 54,2 | 59,2 | 63,8 | 68,3 | |||
| -28 | 31,8 | 37,9 | 43,5 | 48,8 | 53,3 | 58,5 | 63 | 67,4 | |||
| -29 | 31,5 | 37,6 | 43,1 | 48,3 | 53,2 | 57,8 | 62,4 | 66,6 | |||
| -30 | 31,3 | 37,3 | 42,7 | 47,8 | 52,6 | 57,2 | 61,6 | 65,9 | 70 | ||
| -31 | 31,1 | 37 | 42,3 | 47,4 | 52,1 | 56,6 | 60,9 | 65,2 | 69,2 | ||
| -32 | 31 | 36,7 | 41,9 | 46,9 | 51,6 | 56 | 60,3 | 64,4 | 68,4 | ||
| -33 | 30,7 | 36,4 | 41,6 | 46,5 | 51,1 | 55,4 | 59,7 | 63,7 | 67,7 | ||
| -34 | 30,6 | 36,1 | 41,2 | 46 | 50,5 | 54,9 | 59 | 63,1 | 66,9 | ||
| -35 | 30,3 | 35,9 | 40,9 | 45,6 | 50,1 | 54,3 | 58,5 | 62,4 | 66,3 | 70 | |
| -36 | 30,2 | 35,7 | 40,6 | 45,3 | 49,5 | 53,8 | 57,9 | 61,8 | 65,6 | 69,3 | |
| -37 | 30 | 35,4 | 40,3 | 44,8 | 49,2 | 53,4 | 57,3 | 61,2 | 64,9 | 68,6 | |
| -38 | 29,8 | 35,2 | 40 | 44,5 | 48,8 | 52,9 | 56,8 | 60,6 | 64,3 | 67,9 | |
| -39 | 29,7 | 34,9 | 39,7 | 44,1 | 48,4 | 52,4 | 56,3 | 60 | 63,7 | 67,3 | |
| -40 | 29,5 | 34,7 | 39,4 | 43,8 | 48 | 52 | 55,8 | 59,5 | 63,1 | 66,6 | 70 |
Т3 – температура греющей воды после подогревателя второй ступени и на входе в подогреватель первой ступени принимается равной температуре воды после системы отопления, 0С:
Т3 = ТОТ
t3 – температура нагреваемой воды на выходе из подогревателя первой ступени и на входе в подогреватель второй ступени принимается на 5-100С ниже температуры греющей воды после подогревателя второй ступени, 0С.
t3 = Т3 – 100С (50С)
QГВII – производительность подогревателя второй ступени, ккал/ч:
QГВII = QГВ*(t1 – t3) / (t1 – t2)
GГВГР – расход греющей воды через подогреватель второй ступени, т/ч:
GГВГР = QГВII / (Т1 – Т3)*1000
QГВI – производительность подогревателя первой ступени, ккал/ч:
QГВI = QГВ — QГВII
GСУМ – суммарный расход греющей воды через подогреватель первой ступени, т/ч:
GСУМ = GОТ + GГВГР
Т2 – температура греющей воды после подогревателя первой ступени, определяемая из уравнения теплового баланса подогревателя первой ступени, 0С:
QГВI = GСУМ*(Т3 – Т2), отсюда
Т2 = Т3 – (QГВI / GСУМ*1000)
По общепринятой методике теплового расчета подогревателей определяются требующиеся поверхности нагрева FI и FII и количество секций nI и nII первой и второй ступеней.
Для расчета подогревателя первой ступени используется: QГВI, GСУМ, GГВНАГР, Т2, Т3, t2 и t3.
Для расчета подогревателя второй ступени используется: QГВII, GГВГР, GГВНАГР, Т1, Т3, t1 и t3.
- Исходные данные для проверки подогревателя горячего водоснабжения в летний период:
GГВЛНАГР – летний расход нагреваемой воды, т/ч:
GГВЛНАГР = 0,8* GГВНАГР
QГВЛ – летний максимальный часовой расход тепла на горячее водоснабжение, ккал/ч:
QГВЛ = (0,8*QГВ*(60 – tХЛ)) / (60 – tХЗ)
0,8 – коэффициент, учитывающий снижение расхода воды на горячее водоснабжение в летнее время;
Т1Л – температура греющей волы в подающем трубопроводе тепловых сетей в летний период, 0С. Обычно Т1Л = 700С.
Т2Л – то же, в обратном трубопроводе, 0С. Обычно Т2Л задается теплоснабжающей организацией;
t1 – температура горячей воды, поступающей в систему горячего водоснабжения, 0С;
t2 – температура водопроводной воды в летний период (tХЛ), 0С. Обычно при отсутствии данных принимается равной 150С;
GГВЛГР – летний расход греющей воды, т/ч:
GГВЛГР = QГВЛ / ((T1Л – Т2Л)*1000)
Далее определяются требующиеся для летнего режима поверхность нагрева подогревателя FЛЕТ и количество секций nЛЕТ. Если суммарное количество секций nI + nII, требующееся для зимнего режима, больше или равно количеству секций летнего режима nЛЕТ, то к установке принимается подогреватель из nI и nII секций.
Если суммарное количество секций, необходимое для зимнего режима, меньше требуемого для летнего, к установке принимается подогреватель из количества секций, необходимого для летнего режима. Избыточное количество секций добавляется к подогревателю первой ступени:
nI1 = nЛЕТ — nII
- Гидравлический расчет подогревателя горячего водоснабжения:
— находим потерю напора греющей воды в межтрубном пространстве подогревателя первой ступени ΔhMI (в кгс/м2):
ΔhMI = B*VMI2* nI1
— находим потерю напора греющей воды в межтрубном пространстве подогревателя второй ступени ΔhMII (в кгс/м2):
ΔhMII = B*VMII2* nII
В – коэффициент, зависящий от номера подогревателя, приведен в Рекомендациях по расчету водоподогревателей (серия А9-10);
VMI и VMII – скорости греющей воды в межтрубном пространстве подогревателей первой и второй ступеней.
Находим потерю напора греющей воды в межтрубном пространстве подогревателя в летний период ΔhМ.ЛЕТ (в кгс/м2):
ΔhМ.ЛЕТ = B*VM.ЛЕТ2* nЛЕТ
Определяем потерю напора нагреваемой воды в трубках подогревателя первой ступени ΔhТI (в кгс/м2):
ΔhТI = 775*VТ2*nI
Находим потерю напора нагреваемой воды в трубках подогревателя второй ступени ΔhТII (в кгс/м2):
ΔhТII = 775*VТ2*nII
Определяем полную потерю напора нагреваемой воды в трубках ΔhТ (в кгс/м2):
ΔhТ = ΔhТI + ΔhТII
Определяем потерю напора нагреваемой воды в трубках в летний период hТ.ЛЕТ (в кгс/м2):
ΔhТ.ЛЕТ = 775*VТ.ЛЕТ2*nЛЕТ
VТ – скорость нагреваемой воды в трубках подогревателя, м/с.
Далее проверяется допустимость полученных потерь напора греющей и нагреваемой воды путем сравнения с располагаемыми напорами. Суммарная потеря напора греющей воды в системе отопления и подогревателе первой ступени ΔhMI (в зимний период) или ΔhМ.ЛЕТ (в летний период) должна быть меньше располагаемого напора греющей воды на вводе в тепловой пункт. Рекомендуется принимать потери напора греющей воды не более 2000 кгс/м2 в каждой ступени подогревателя.
Допустимость полученной полной потери напора нагреваемой воды проверяется по напору водопроводной воды перед подогревателем. Должно быть выполнено условие:
HВ>= ΔhТ + ΔhC + HC + 3000
HВ – напор водопроводной воды перед подогревателем, кгс/м2;
ΔhC – потеря напора горячей воды в системе от подогревателя до наиболее удаленной точки водоразбора, кгс/м2;
HC – геометрическая высота системы горячего водоснабжения от подогревателя до наиболее высокой точки водоразбора, мм.
Наименьший требующийся напор горячей воды у водоразборного крана принят 3000 кгс/м2. Рекомендуется принимать потери напора нагреваемой воды в трубках подогревателей не более 4000 кгс/м2.
Заключение
Двухступенчатая смешанная схема включения водонагревателей является отличным решением для систем ГВС, обеспечивающим экономию энергии, снижение эксплуатационных расходов и надежное снабжение горячей водой.
Благодаря своей универсальности эта схема может применяться в различных типах зданий, от жилых домов до промышленных предприятий.
Широкий выбор вариантов реализации позволяет подобрать оптимальное решение для любой системы ГВС.
При правильном проектировании, монтаже и эксплуатации двухступенчатая смешанная схема гарантирует эффективную и бесперебойную работу системы ГВС на протяжении многих лет.
Мы надеемся, что эта статья помогла вам лучше понять принцип работы, преимущества и области применения двухступенчатой смешанной схемы включения водонагревателей.