Описание технологического процесса.

Основная задача АТП – поддержание отопительного графика температуры теплоносителя, на который рассчитана система отопления здания, независимо от температуры наружного воздуха. Поддержание температурного графика наряду с устойчивой циркуляцией теплоносителя в системе отопления осуществляется путём подмеса необходимого количества холодного теплоносителя из обратного трубопровода в подающий с помощью клапана с одновременным контролем температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах внутреннего контура системы отопления. [7]

Рис.6.10.1.Упрощенная принципиальная схема АТП.

1 - регулятор перепада давления; 2 - трехходовой клапан с сервоприводом;

3 - насос; 4 - фильтр; 5 - обратный клапан; 6 - электромагнитный клапан;

7 – грязевик; 8-теплообменник; 9-двухходовой клапан с сервоприводом.

Модуль отопления содержит подающий и обратный трубопроводы ТС (тепловой сети), подающий и обратный трубопроводы СО (системы отопления) (рис.1).

На подающем трубопроводе ТС установлен регулятор перепада давления прямого действия (1) (рис.1), обеспечивающий постоянство расхода теплоносителя, цирку­лирующего в СО. Изменение температуры теплоносителя, поступающего в СО зда­ния, происходит за счет изменения положения трехходового распределительного клапана (2), изменяющего величину подмеса теплоносителя из обратного трубопро­вода СО. При максимальном подмесе расход теплоносителя в СО равен величине подмеса.

Уменьшение температуры теплоносителя в СО происходит следующим обра­зом. При поступлении соответствующего сигнала от регулятора отопления (на осно­вании входящих сигналов от датчиков температуры наружного воздуха - Т_нар, тем­пературы подающего трубопровода СО - Т_пр и обратного трубопровода СО – Т_обр) сервопривод перемещает шток трехходового клапана (2) в сторону, соответствую­щую уменьшению проходного сечения выхода в обратный трубопровод ТС и увели­чению проходного сечения выхода клапана на подмес в подающий трубопровод СО. Происходит увеличение подмеса и, соответственно, расхода теплоносителя в СО, что вызывает повышение разности давления в точках подключения импульсных трубок регулятора перепада давления прямого действия (1), а это приводит к уменьшению проходного сечения регулятора. Расход теплоносителя из подающего трубопровода ТС уменьшается, расход в СО возвращается к прежнему (постоянно­му) значению. Температура снижается за счет изменения коэффициента смешения теплоносителя из прямого и обратного трубопровода СО без изменения расхода в контуре СО.

Увеличение температуры происходит аналогичным образом в обратном по­рядке.

Подмес теплоносителя из обратного трубопровода СО в прямой трубопровод создают два насоса (3), работающие с 50 % или 100 % резервированием и установ­ленные на перемычке между этими трубопроводами. За счет изменения положения трехходового распределительного клапана (2) насосы автоматически переходят из подмешивающих в подкачивающие, увеличивая расход теплоносителя из ТС. По­этому данная схема применима при дефицитном теплоснабжении, то есть при не­достаточном (вплоть до нуля) располагаемом напоре на вводе от ТС.

Периодически в соответствии с расписанием, введенным в регулятор отопле­ния, происходит попеременная остановка насосов и промывка их фильтров (4) в обратном направлении. Обратные клапаны (5) установлены до насо­сов и фильтров. Во время промывки обратный клапан остановившегося насоса на­правляет поток теплоносителя через фильтр (4) в обратном направлении по линии, где установлен электромагнитный соленоидный клапан (6). В этот момент на соле­ноидный клапан поступает сигнал с электрического щита управления, он открыва­ется и, вымываемый осадок, оседает в грязевике (7), установленном на обратном трубопроводе ТС. Время промывки определяется реле времени и составляет 1-3 минуты. Осадок, скопившийся в грязевике (7), ежегодно удаляется после заверше­ния отопительного сезона.

При переходе АТП на летний режим, система отопления отключается и работает только сис­тема ГВС (горячее водоснабжение). В летнем режиме по заданию пользователя, введенному в регулятор ото­пления, периодически осуществляется кратковременное включение подмешиваю­щих насосов для их защиты от заиливания.

Кроме того, модуль отопления содержит КИП и преобразователи температуры, сигналы от которых являются входящими для регулятора отопления. КИП и датчики обеспечивают измерение и контроль параметров теплоносителя, и выдачу в щит управления сигналов о выходе параметров за пределы допустимых значений.

Модуль ГВС с теплообменником в закрытой системе содержит трубо­провод холодной воды, которая нагревается в теплообменнике (8), после чего по­ступает в систему ГВС.

При выходе температуры ГВС (Тгвс), определяемой по сигна­лу от датчика, за пределы, заданные пользователем, по команде регулятора отопле­ния происходит увеличение или уменьшение расхода теплоносителя через двуххо­довой клапан (9) (рис.6.10.1). Процесс длится до тех пор, пока температура теплоносителя в по­дающем трубопроводе системы ГВС не окажется в пределах санитарных норм.

Общая структура системы дистанционного мониторинга и управления, выглядит следующим образом:

◂╶╶╶ ▸ информационные и управляющие сигналы.

← потоки теплоносителя.

Рис.6.10.2.Обобщенная структурная схема АТП.

Управление автоматизированным тепловым пунктом может осуществляться с помощью клавиатуры регулятора отопления и переключателей щита электроуправления.

АТП представляет собой еди­ный многофункциональный комплекс, который может устанавливать и поддержи­вать заданные значения параметров теплоносителя.

Структурная схема АТП, предоставленная на рис.2., состоит из:

- модуля отопления;

- модуля ГВС;

- узла учета тепловой энергии и теплоносителя;

- регулятора отопления;

- щита электроуправления.

Модуль отопления включает в себя в общем виде набор контрольных датчи­ков и исполнительных механизмов, с помощью которых обеспечиваются требуемые параметры теплоносителя, поступающего в систему отопления (вентиляции, конди­ционирования) объекта.

Управление ИМ осуществляется РО на основании параметров объекта, обслуживаемого с помощью АТП, с учетом информации, поступающей с узла учета тепловой энергии и теплоно­сителя. РО представляет собой микропроцессор­ный контроллер, использующий как программно введенные постоянные, так и из­меряемые текущие значения параметров объекта.

В зависимости от вида, назначения и параметров объекта, заданных парамет­ров регулирования и выбранного алгоритма управления регулятор обеспечивает ав­томатическое регулирование параметров теплоносителя в контуре отопления в соответствии с температурой наружного воздуха и с учетом тепловой инер­цией здания. Регулятор отопления воспринимает сигналы от преобразователей тем­пературы и преобразователей расхода, обрабатывает поступившую информацию и в соответствии с алгоритмами управления, заложенными в регулятор, выдает коман­ды управления на внешние исполнительные устройства (ИУ), тем самым регулируя режимы работы контура отопления объекта потребления. РО оснащен по­следовательным интерфейсом RS-232 или RS-485, через который выводят измерительную, диагностическую и установочную информацию.

Щит электроуправления предназначен для управления электрооборудовани­ем, входящим в состав АТП, для аварийной сигнализации при возникно­вении нештатных ситуаций, выходе оборудования из строя и отклонении контроли­руемых параметров за установленные пределы, для индикации и управления режи­мами работы оборудования АТП и обеспечивает:

- питание электрооборудования АТП: ∼380 В 50Гц, ∼220 В 50Гц, 24 В;

- переход на питание по резервному вводу в ручном режиме;

- управление исполнительными устройствами, работой подмешивающих насо­сов и системой автоматической промывки их фильтров в автоматическом (с помо­щью регулятора отопления) и ручном режимах;

- переключение зимнего и летнего режимов работы АТП.

Также щит электроуправления служит для размещения:

- контактных колодок подключения АТП к сетевому питанию;

- контактных колодок подключения по напряжению питания составляющих АТП;

- элементов индикации и управления АТП;

- регулятора отопления;

- контактных колодок соединения соединяющих АТП с регулятором отопления.

АТП комплектуется узлом учета тепловой энергии. Узел учета, как правило, состоит из теплосчетчика-регистратора, двух расходомеров, двух датчиков температуры и датчика давления. Состав теплосчетчика за­висит от количества контролируемых теплосистем и количества точек измерения каждого из первичных параметров (расхода, температуры, давления). Узел учета может активизировать в регуляторе отопления функцию ограничения расхода теплоносителя из подаю­щего трубопровода ТС, причем сигнал расхода в регулятор отопления поступает с теплосчетчика-регистратора.

АТП комплектуется узлом учета тепловой энергии и теплоносителя. Узел учета, как правило, состоит из теплосчетчика-регистратора и расходомера. Состав теплосчетчика за­висит от количества контролируемых теплосистем и количества точек измерения каждого из первичных параметров (расхода, температуры, давления). Узел учета может активизировать в регуляторе отопления функцию ограничения расхода теплоносителя из подаю­щего трубопровода ТС, причем сигнал расхода в регулятор отопления поступает с теплосчетчика-регистратора.

Схема присоединение системы отопления к тепловой сети с трехходовым распределительным клапаном и регулятором перепада давления (рис.6.10.3) предназначена для применения при дефицитном теплоснабжении, то есть при малых располагаемых напорах (в плоть до нуля) и больших потерях температуры на тупиковых участках теплотрасс.

Рис.6.10.3. Модуль отопления с трехходовым распределительным клапаном и регулятором перепада давления.

1. Трехходовой клапан регулирующий.

2. Регулятор перепада давления.

3. Насос подмешивающий.

4. Клапан электромагнитный соленоидный нормально открытый.

5. Клапан электромагнитный соленоидный нормально закрытый.

6. Накладной электромагнитный термостат.

Трёхходовой распределительный клапан обеспечивает совмещение подмешивающих и подкачивающих функций насосов. Регу­лятор перепада кроме поддержания постоянства расхода обеспечивает развязку взаимного влияния ДТП (при автоматизации боль­шого количества объектов на одной теплотрассе). Принцип работы данной структуры был описан выше.

Поясним работу узла безопасности (рис. 6.10.3), применение которого в данной конструкции позволяет обеспечить защиту СО здания от перегрева и в случае аварий­ного отключения электропитания.

Для этого на отрицательной импульсной линии регулятора перепада давления установлены соленоидные электромагнитные клапаны и дополнительно на подающем трубопроводе накладной электроконтактный термостат (поз.6) , который при превышении температуры теплоносителя, поступающего в систему отопления здания, размыкает электрическую цепь электромагнитных клапа­нов и клапан (поз.5) закрывается, т.е. переходит в свое нормальное состояние, а клапан (поз.4) открывается и давление в импульс­ной трубке регулятора перепада давления падает до атмосферного. Регулятор перепада давления закрывается. Капиллярное от­верстие на вводе импульсной трубки в регулятор отрицательного импульса препятствует возникновению удара при закрытии.

При понижении температуры теплоносителя, поступающего в СО, с термостата подается сигнал или попросту напряжение на клапаны и они переходят в рабочее состояние, тем самым открывая проходное сечении регулятора перепада давления.

С датчиками, теплосчетчиками , ИМ можно познакомиться в курсе

Лыков А.Н., Друзьякин И.Г. Элементы систем автоматики. Уч. пособие. ПГТУ. Электронный. вариант. 2006.

С учетом тепловой энергии, с микропроцессорными регуляторами, выбором их параметров можно ознакомиться в курсах:

Лыков А.Н. Автоматизация производственных процессов. Курс лекций (эл.вид).ПГТУ, 2005

Лыков А.Н. Микропроцессорные устройства. Курс лекций (эл.вид).ПГТУ, 2006

Более подробно о подобном АТП можно ознакомиться на примере проекта , помещенного в конце этой темы.

Современные системы теплоснабжения и отопления зданий в массовом строительстве Москвы

В последние несколько лет при поддержке московского правительства в Москве осуществляется комплексная программа энергосбережения. Применительно к зданиям массового строительства в ходе реализации программы разработаны Московские городские строительные нормы “Энергосбережение в зданиях”, проводится работа по повышению теплозащитных характеристик ограждающих конструкций, внедряются новые типы окон - с трехслойным остеклением и повышенной герметичностью, разработана концепция перехода в массовом строительстве на энергосберегающие системы теплоснабжения и отопления, опробованная на ряде экспериментальных объектов массового и индивидуального строительства.

Концепция предполагает использование современного оборудования, позволяющего создать высокоэффективные системы отопления и горячего водоснабжения (ГВС) здания с использованием термостатов и индивидуальных тепловых пунктов (ИТП). Этим обеспечивается автоматическое индивидуальное регулирование на каждом отопительном приборе и поддержание работы систем отопления и горячего водоснабжения в режиме авторегулирования.

Схемные решения систем удовлетворяют следующим основным требованиям:

• надежность поддерживания теплового режима каждого помещения и здания в целом, определяемая работой как оборудования, так и сетей;

• возможность поддержания комфортных условий с учетом индивидуальных требований проживающих;

• осуществление коммерческого учета потребления тепла и воды.

Безотказность работы оборудования и сетей помимо строгого отбора по этому показателю фирм-поставщиков и изготовителей достигается следующими путями:

• исключением из внутриквартальных сетей трубопроводов системы горячего водоснабжения, что обусловливает установку всего оборудования ГВС в ИТП;

• резким уменьшением подпитки сырой необработанной водой систем отопления в результате отказа от сальниковых насосов, установкой в качестве расширительных сосудов закрытых гидропневматических баков, использованием в качестве запорной арматуры шаровых кранов вместо ненадежных пробковых кранов и задвижек.

Поддержание необходимых параметров теплоносителя в системах теплопотребления зданий при отклонении от требуемых параметров теплоносителя в системе теплоснабжения города обеспечивается непосредственным подсоединением ИТП к городским тепловым сетям, исключающим, в частности, дополнительное снижение температуры в водонагревателях центральных тепловых пунктов (ЦТП).

МНИИТЭП разработал номенклатурный ряд ИТП для жилых зданий массового строительства, который определен исходя из числа жителей и тепловых нагрузок (табл. 1).

Реализация основных положений, заложенных в концепцию, осуществляется следующим образом.

Учитывая сложившуюся в Москве технологию и практику строительства по проектам массовых серий с однотрубной системой отопления, при участии МНИИТЭПа разработано и освоено производство блока отопительных приборов на базе конвекторов “Универсал-20” и “Универсал-20 С” (АО “Сантехпром”, Москва) с узлом обвязки, включающим замыкающий участок и термостат РТД (АО “Данфосс”, Москва). Блоки отопительных приборов перед поставкой на объект проходят гидравлические испытания на заводе-изготовителе. После монтажа в здании блоков отопительных приборов выполняется их обвязка междуэтажными вставками. Головки термостатов поставляются на стройку отдельно и устанавливаются при заселении дома поквартирно. Для зданий, строящихся по индивидуальным проектам, разработано и освоено производство блоков отопительных приборов с термостатами РТД АО “Данфосс” на базе алюминиевого радиатора РС Ступинского металлургического комбината для однотрубных систем отопления и, в вариантном исполнении, - для двухтрубных систем отопления. Обвязка блоков отопительных приборов, их гидравлические испытания и гарантийное обслуживание выполняются ТОО “СБС” с участием АО “Сантехпром”, Ступинского металлургического комбината и АО “Данфосс”.

Т а б л и ц а 1. Варианты ИТП для жилых домов с различным числом жителей и при различных тепловых нагрузках

Технология монтажа указанных выше систем отопления отрабатывается на домостроительном комбинате №1 (Москва) с участием упомянутых форм и может быть использована на других строительных комплексах и в объединениях.

Индивидуальные тепловые пункты в комплекте с установленными приборами учета, регулирования, циркуляционными насосами, запорной и регулирующей арматурой, гидропневматическими расширительными баками и трубной обвязкой поставляются на стройку в агрегированном исполнении фирмами-изготовителями по номенклатуре и схемам, разрабатываемым МНИИТЭПом для проектов массовых серий. ИТП рекомендуется устанавливать, как правило, в подвалах зданий, в местах, где обычно находились узлы управления системами отопления. Изготовители ИТП, такие как АО “Сатекс”, “Теплопрогресс”, “Химавтоматика”, з-д “Водоприбор” и другие, осуществляют поставку, монтаж, наладку и выведение ИТП на эксплуатационный режим, гарантийное обслуживание и сервис.

При строительстве одиночных объектов в районах сложившейся застройки, где имеется резерв мощности на ЦТП, или в случаях, когда теплосеть “Мосэнерго” выдает условия присоединения только от ЦТП, вместо ИТП предполагается использование автоматизированных узлов управления (АУУ). Они обеспечивают работу системы отопления объекта в режиме авторегулирования идентично ИТП. Теплообменники систем отопления и горячего водоснабжения в этом варианте остаются в ЦТП. Система авторегулирования режима отопления, включая контроль за соблюдением графика наружных температур при помощи датчика наружной температуры, установленного на теневом фасаде здания, остается идентичной схеме, принятой в ИТП.

Таким образом, осуществляется реализация современных систем теплоснабжения, отопления здания и теплоучета, обеспечивающих экономию энергии и регулирование санитарно-гигиенических условий в каждом отдельно взятом помещении, исходя из реального его назначения и пожелания пользователя.

Проверка основных принципов, заложенных в концепцию перехода на современные системы теплоснабжения и отопления здания, была осуществлена в ходе натурных испытаний системы отопления с индивидуальным автоматическим регулированием отопительных приборов, проведенных в течении двух отопительных сезонов 1994-1996 гг. Агентством по энергосбережению при участии МНИИТЭПа. Испытывалась однотрубная система отопления с верхним разливом в 14-этажном жилом доме массовой серии П-55. На подводках к отопительному прибору были установлены термостаты RTD АО “Данфосс”. У отопительных приборов помещений лестнично-лифтового узла и первого нежилого этажа термостаты не устанавливались. Регулирование температуры воды, поступающей в систему отопления, осуществлялось в смесительном узле АУУ регулирующим клапаном, установленном на подающем трубопроводе сетевой воды и управляемым электронным регулятором фирмы “Данфосс”. Регулятор перепада давления прямого действия, установленный перед регулирующим клапаном, ограничивал максимальный расход сетевой воды. Циркуляция воды в системе отопления обеспечивалась насосом фирмы “Грундфосс”, установленном на подающем трубопроводе системы отопления. Имеющийся опыт по автоматическому регулированию отпуска тепла в системах отопления говорит о том, что при этом недопустимы жалобы населения, поскольку они вынуждают эксплуатационный персонал повышать уровень отпуска тепла, что резко снижает эффективность энергосбережения. Исключение жалоб населения достигается, с одной стороны, устройством индивидуального автоматического регулирования, а с другой - повышением уровня ограничения максимального расхода сетевой воды. В связи с этим уровень ограничения расхода сетевой воды в испытываемой системе был увеличен на 25 % по сравнению с теоретическим.

Показатели работы системы приведены в табл. 2.За весь период испытаний не было ни одного отказа в работе оборудования АУУ и термостатов. Шум при работе регулирующих клапанов в АУУ не возникал даже при сокращении расхода воды в 25 раз и перепаде давлений 25 м вод ст. Результаты испытаний позволили выполнить экономическую оценку эффективности применения современных систем отопления. Экономическая эффективность индивидуального автоматического регулирования оценивалась в двух вариантах: с учетом и без учета стоимости автоматического оборудования узла. Возможность отказа от учета стоимости автоматического оборудования АУУ вытекает из того положения, что независимо от наличия индивидуального автоматического регулирования температуры воды, подаваемой в систему отопления, должна поддерживаться по графику либо в ЦТП, либо в ИТП.

Т а б л и ц а 2. Показатели работы системы в периоды с различной температурой наружного воздуха

П р и м е ч а н и е. Gс^ф, Gd^р- фактический и расчетный расход сетевой воды; Q^ф, Q^р- фактическое и расчетное количество потребляемого тепла.

Расчет капитальных затрат

Стоимость оборудования АУУ: тыс.р.

насос “Грундфос”..................................................................... 4 785

электронный регулятор “Данфосс”......................................... 3 450

регулирующий клапан “Данфосс”........................................... 1 780

привод клапана “Данфосс”..................................................... 1 820

обратный клапан “Данфосс”................................................... 810

регулятор перепада давления “Данфосс”............................. 5 400

фильтр сетчатый.................................................................... 1 600

Всего..................................................................................................... 19 645

Стоимость термостатов (460 шт.)....................................................... 59 800

Стоимость дополнительной поверхности

отопительных приборов................................................................. 11 500

Всего .................................................................................................... 71 300

Затраты, связанные с увеличением поверхности отопительных приборов, необходимо учитывать только в системах отопления с конвекторами, которые выполняются по проточной схеме.

Дополнительные капитальные затраты составляют, тыс.р.:

без учета стоимости АУУ ........................................................71 300

с учетом стоимости АУУ ............................71 300 + 19 645 = 90 945

Расчет экономии теплоты

Расчетная тепловая мощность системы ........................... 0,7 Гкал/ч (2,94 ГДж/ч)

Стоимость тепловой энергии ............................................. 88,43 тыс.р./Гкал (21,05 тыс.р./ГДж)

Экономия теплоты .............................................................. 272 Гкал/год (1142,4 ГДж/год)

Экономия теплоты .............................................................. 24 053 тыс.р./год

Срок службы отопительного оборудования узла принят 10 лет, а термостатов и систем отопления - 30 лет. Срок службы термостатов подтвержден эксплуатацией ряда систем отопления зданий.

Затраты на восстановление оборудования определены по приложению 2 инструкции СН 509-78 Госстроя СССР, при этом отчисления для оборудования со сроком службы 10 лет составили 0,0627 стоимости оборудования, со сроком службы 30 лет - 0,0061.

Тогда годовые затраты на восстановление составят, тыс.р./год:

оборудование АУУ ......................................19 645 х 0,0627=1231,7

термостатов и отопительных приборов ..713 000 х 0,0061=434,93

Итого, экономия с учетом затрат на восстановление составляет, тыс.р./год:

без учета стоимости АУУ ...................24 053-434,93=23 616,07

с учетом стоимости АУУ .......24 053-1231,7=434,93=22 386,37

С учетом вышеприведенного срок окупаемости составит, год:

без учета стоимости АУУ ......................................................3,02

с учетом стоимости АУУ .....................................................4,075

Результаты расчета показывают экономическую приемлемость рассмотренного метода энергосбережения. При этом не учитывается динамика увеличения стоимости тепла, которая может привести в ближайшие годы к снижению срока окупаемости до 1-1,5 года.

Необходимо отметить, что дополнительные затраты при капиталовложении не являются определяющими, так как в настоящее время стоимость теплоснабжения, наружных коммуникаций, благоустройства территории вообще не учитывается при определении стоимости 1 м² жилой площади. Особенно следует подчеркнуть, что доля затрат на инженерное оборудование зданий составляет не более 9 % капитальных затрат, а эффект от получения нового качества жилища, улучшения санитарно-гигиенического режима помещений делает его предпочтительнее при продаже. Не меньшее значение имеют новые эксплуатационные параметры систем инженерного обеспечения, систем отопления и горячего водоснабжения. Надежность и качество применяемого оборудования обеспечивают его многолетнюю работу без обслуживания, а также высокую степень диспетчеризации, а новые формы ответственности за работу оборудования (гарантийное обслуживание и сервис фирм-изготовителей) значительно упрощают его эксплуатацию.

ОАО «СТ-Теплосервис» (г.Москва) проводит следующие работы:

• монтаж автоматики "под ключ";

• сетевое объединение нескольких узлов автоматики на один диспетчерский пункт;

• компьютерное программирование систем регулировки процессами теплоснабжения;

• комплекс обследования систем теплоснабжения с целью выявления недостатков с выдачей рекомендаций по более рациональному использованию энергоресурсов и реконструкции тепловых пунктов для экономии. При обследовании выявляется экономическая эффективность модернизации и выдается официальный Акт с результатами обследования и рекомендациями по реконструкции теплового пункта.