Особенности сетей горячего водоснабжения

Схемы сетей. Способы обеспечения циркуляции воды в системе. Конструктивные особенности сети. Определение расходов горячей воды. Горячее водоснабжение от ЦТП. Основы расчета систем горячего водоснабжения.

ОСОБЕННОСТИ СЕТЕЙ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

§ 45. СХЕМЫ СЕТЕЙ

Системы централизованного горячего водоснабжения являются частью внутреннего водопровода. Сети горячего водоснабжения имеют много общего с сетями холодного водоснабжения.

Сеть горячего водоснабжения также, как сеть холодного водопровода, бывает с нижней и с верхней разводками. Сеть горячего водоснабжения бывает тупиковой и закольцованной, но, в отличие от сетей холодного водопровода, кольцевание сети необходимо для выполнения важной функциональной задачи - сохранения высокой температуры воды.

Простые (тупиковые) сети горячего водоснабжения с подающими трубопроводами применяют в небольших малоэтажных зданиях с короткими стояками, а также в бытовых помещениях промышленных зданий и в зда ниях с длительным и более или менее стабильным потреблением горячей воды "(бани, прачечные).

Схемы сетей горячего водоснабжения с циркуляционным трубопроводом следует применять в жилых зданиях, гостиницах, общежитиях, лечебных учреждениях, санаториях и домах отдыха, в детских дошкольных учреждениях, а также во всех случаях, когда возможен неравномерный и кратковременный отбор воды.

Обычно сеть горячего водоснабжения состоит из горизонтальных подающих магистралей и вертикальных распределительных трубопроводов-стояков, от которых устраивают поквартирные разводки. Стояки горячего водоснабжения прокладывают как можно ближе к приборам.

Кроме того, сети горячего водоснабжения подразделяются на двухтрубные (с закольцованными стояками) и однотрубные (с тупиковыми стояками).

При увеличении радиуса действия систем горячего водоснабжения и разнообразии условий жилой застройки требовалось совершенствование схем централизованных систем горячего водоснабжения. Были созданы принципиально новые схемы с самостоятельными независимыми циркуляционными контурами, ограниченными пределами одной секции здания или пределами одной группы стояков. Небольшой радиус действия этих контуров позволяет поддерживать в них циркуляцию за счет гравитационного напора, в то время как обмен воды в магистральных трубах происходит или за счет водоразбора, или с помощью циркуляционного насоса.

Рассмотрим некоторые из большого числа возможных схем сетей горячего водоснабжения.

При верхней разводке магистралей (рисунок 1) сборный циркуляционный трубопровод замыкается в виде кольца. Циркуляция воды в трубопроводном кольце при отсутствии водоразбора осуществляется под действием гравитационного напора, возникающего в системе из-за разницы плотности охлажденной и горячей воды. Охлажденная в стояках вода опускается вниз в водонагреватель и вытесняет из него воду с более высокой температурой. Таким образом происходит непрерывный водообмен в системе.

Рисунок 1. Схема с верхней разводкой подающей магистрали

1 - водонагреватель; 2 - подающий стояк; 3 - распределительные стояки; 4 - циркуляционная сеть

Тупиковая схема сети (рисунок 2) имеет наименьшую металлоемкость, но из-за значительного остывания и нерационального сброса остывшей воды применяется в жилых зданиях высотой до четырех этажей, если на стояках не предусмотрены полотенцесушители и протяженность магистральных труб мала. Если же протяженность магистральных труб велика, а высота стояков ограничена, то применяют схему с закольцованными подающей и циркуляционной магистралями с установкой на них циркуляционного насоса (Рисунок 3). В этой схеме тоже следует ожидать остывания, но меньшего объема воды. Подобная схема позволяет увеличить протяженность сети.

Рисунок 2 - Тупиковая схема

горячего водоснабжения

1 - водонагреватель;

2 - распределительные стояки

Рисунок 3. Схема с закольцованными магистральными трубопроводами

1 - водонагреватель;

2 - распределительные стояки;

3 - диафрагма (дополнительное гидравлическое сопротивление);

4 - циркуляционный насос;

5 - обратный клапан

Наибольшее распространение получила двухтрубная схема (Рисунок 4), в которой циркуляция по стоякам и магистралям осуществляется с помощью насоса, забирающего воду из обратной магистрали и подающего ее в водонагреватель. Система с односторонним присоединением водоразборных точек к подающему стояку и с установкой полотенцесушителей на обратном стояке представляет собой наиболее распространенный вариант подобной схемы. Двухтрубная схема оказалась надежной в эксплуатации и удобной для потребителей, но для нее характерна высокая металлоемкость.

Рисунок 4. Двухтрубная схема горячего водоснабжения

1 - водонагреватель; 2 - подающая магистраль; 3 - циркуляционная магистраль; 4 - циркуляционный насос; 5 - подающий стояк;

6 - циркуляционный стояк; 7 - водоразбор; 8 – полотенцесушители

Для снижения металлоемкости в последние годы стали использовать схему (Рисунок 5), в которой несколько подающих стояков объединяются перемычкой с одним циркуляционным стояком. Такое решение схемы горячего водоснабжения чаще всего используется для общественных зданий, где не предусматривается установка полотенцесушителей. Схема отличается низкими эксплуатационными показателями, так как верхняя перемычка выполняется из труб того же диаметра, что и подающие стояки; сопротивление ее превышает сопротивление магистралей, поэтому вода движется только в стояках, близких к циркуляционному.

Рисунок 5. Схема с одним объединяющим циркуляционным стояком

1 - водонагреватель; 2 - подающая магистраль; 3 - циркуляционная магистраль; 4 - циркуляционный насос; 5 - водоразборные стояки; 6 - циркуляционный стояк; 7 - обратный клапан

Недавно появились схемы однотрубной системы горячего водоснабжения, предложенные МНИИТЭП, с одним холостым подающим стояком на группу водоразборных стояков (Рисунок 6). Холостой стояк изолирован и устанавливается в паре с одним водоразборным или в секционном узле, состоящем из 2-8 закольцованных водоразборных стояков. Основное назначение холостого стояка - транспортирование горячей воды из магистрали в верхнюю перемычку и далее в водоразборные стояки. В каждом стояке происходит самостоятельная, дополнительная циркуляция за счет гравитационного напора, возникающего в контуре секционного узла из-за остывания воды в водоразборных стояках с полотенцесушителями. Холостой стояк помогает правильному распределению потоков в пределах секционного узла. Как показывает опыт эксплуатации, в зданиях высотой 9 и более этажей гравитационный напор, возникающий в стояках при остывании воды, как правило, достаточен для обеспечения необходимой циркуляции.

Рисунок 6. Секционная однотрубная схема горячего водоснабжения

1 - подающая магистраль;

2 - циркуляционная магистраль;

3 - холостой подающий стояк;

4 - водоразборный стояк;

5 - кольцующая перемычка;

6 - запорная арматура;

7 - полотенцесушитель

СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИИ ВОДЫ В СИСТЕМЕ. ПРЕДЕЛЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ

Циркуляционные трубопроводы служат для предотвращения остывания горячей воды у точек водоразбора при незначительном водопотреблении или при полном его отсутствии.

Водообмен и следом за ним возобновление теплоты в системе можно достичь тремя путями:

естественная циркуляция;

искусственный путь, с использованием циркуляционных насосов;

использование комбинированной насосно-естественной системы циркуляции, при которой протяженный горизонтально расположенный трубопровод имеет свой циркуляционный контур, в котором циркулирует вода под напором центробежного насоса, а присоединяемые к магистрали самостоятельные контуры обладают обособленной (часто естественной) циркуляцией воды.

Естественная циркуляция обусловлена неоднородным распределением плотности воды в стояке, который представляет собой один из составных элементов циркуляционного контура.

Величина естественного (гравитационного) напора определяется разностью плотностей остывшей и нагретой воды:

ΔH_cir=gh(ρ₀ -ρ^h), (1)

где h – расстояние по вертикали от центра тяжести водонагревателя до кольцующей перемычки; р₀ и p^h – плотность при средней температуре охлажденной воды в обратном стояке и горячей (нагретой) воды в подающем стояке.

Из формулы (1) следует, что чем выше стояк горячей воды (и наверное, чем выше здание) и больше разница в плотности остывшей и горячей воды, тем больше величина гидростатического напора.

Естественная циркуляция возможна в случае, когда

ΔH_cir≥∑H+∑H_l,

где ∑H - сумма потерь напора по длине трубопроводов; ∑H_l - то же, на местные сопротивления.

Циркуляционный напор по своей величине невелик, поэтому диаметры циркуляционных труб подбирают на малые скорости движения воды.

Практический опыт показывает, что системы с естественной циркуляцией могут применяться для сети протяженностью не более 50 м при верхней разводке и не более 35 м при нижней разводке, но в случае расположения водонагревателя ниже самого нижнего водоразборного крана.

В таблице 1 приведены условия возможной работы системы горячего водоснабжения при естественной циркуляции.

Таблица 1

Превышение наиболее низко расположенного водоразборного крана над серединой водонагревателя, м	Наибольшее расстояние по горизонтали от водонагревателя до крана, м, в сети
с верхней разводкой	с нижней разводкой
	15-20 30-35 40-45 50-60	12-15 20-25 25-30 30-35

В комбинированных системах естественная циркуляция должна рассчитываться по отношению к точкам присоединения их к магистралям, находящимся под воздействием циркуляционного насоса.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СЕТИ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Трубопроводная сеть горячего водоснабжения выполняется так же, как и трубопроводы холодного водопровода, из стальных оцинкованных нефтеводогазопроводных труб.

К задачам сети горячего водоснабжения следует отнести:

предотвращение поступления горячей воды в водопроводную сеть холодного водоснабжения и наоборот (предотвращение так называемых «перетоков»);

уменьшение теплопотерь в трубопроводах;

необходимость компенсации температурных удлинений в стальных трубопроводах;

необходимость в установке специфических санитарно-технических приборов.

Для предотвращения поступления горячей воды в сеть холодного водоснабжения и наоборот обязательна установка обратных клапанов на подводках холодной воды к водонагревателям и групповым смесителям, на циркуляционном трубопроводе перед присоединением его к водонагревателям, в обвязке циркуляционного насоса.

Специфическим санитарно-техническим прибором горячего водоснабжения кроме смесительной арматуры является полотенцесушитель, который изготовляют из стальных оцинкованных труб диаметром 32 мм. Кроме того, отечественная промышленность выпускает латунные, никелированные или хромированные полотенцесушители типа ПО-30 (Рисунок 7, а) и ПО-20 (Рисунок 7,б) для отопления ванных и душевых комнат; их устанавливают согласно принятой схеме горячего водоснабжения на подающих стояках либо на циркуляционных стояках.

Рисунок 7. Полотенцесушители типа ПО-30 (а) и ПО-20 (б)

Трубопроводы горячего водоснабжения при повышении температуры удлиняются, и это удлинение необходимо компенсировать, если при наличии поворотов нельзя рассчитывать на естественную компенсацию («самокомпенсацию»). Каждый поворот трубопровода в зависимости от диаметра и толщины стенки может удлиниться на величину от 10 до 20 мм. В противном случае при удлинениях прямых участков до 50 мм необходима установка специальных компенсаторов.

В системах горячего водоснабжения чаще всего применяются гнутые компенсаторы (П-образные или лирообразные).

Компенсаторы устанавливают на прямых трубопроводах, разделенных на участки неподвижными опорами, которые распределяют таким образом общее удлинение трубопровода в соответствии с компенсирующей способностью принятого компенсатора.

Гибкие компенсаторы из труб применяют для компенсации тепловых удлинений трубопроводов независимо От параметров теплоносителя, способа прокладки и диаметров труб. В основном используются П-образные компенсаторы (Рисунок 8).

Рисунок 8. П-образный гнутый компенсатор

Расчетное тепловое удлинение трубопроводов, мм, для определения размеров гибких компенсаторов определяют по формуле:

Δх=ξΔl (12.2)

где Δl = αΔtL - полное тепловое удлинение расчетного участка трубопровода, мм; L - расстояние между неподвижными опорами трубопровода, м; α =0,000012 - средний коэффициент линейного расширения стали при нагревании от 0 до 1 °С; Δt - расчетный перепад температуры, характерный для системы; ξ - коэффициент, учитывающий релаксацию, т. е. понижение временного сопротивления металла в результате продолжительного действия нагрузки и предварительного растяжения компенсатора.

Трубопроводы жестко защемляются на неподвижных опорах.

Теплоизоляцию трубопроводов и оборудования применяют во избежание потерь теплоты на всех подающих и циркуляционных (за исключением, прокладываемых скрытно в шахтах или каналах) трубах, кроме подводок к водоразборной арматуре.

В верхних точках сети горячего водоснабжения предусматривается установка устройств для выпуска воздуха из системы, если в системе невозможен выпуск воздуха через водоразборную арматуру.

РАСЧЕТ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

РАСЧЕТ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В РЕЖИМЕ ВОДОРАЗБОРА

Расчет горячего водоснабжения в режиме водоразбора является продолжением гидравлического расчета холодного водопровода, но только по ответвлению одной и той же гидравлической системы, имеющей общий источник питания (общее обеспечение расхода воды) и общий источник энергии (общий источник напора). Различия в расчете заключаются в следующем.

1). Гидравлический расчет систем горячего водоснабжения производится на расчетный расход горячей воды q^h,cir с учетом циркуляционного расхода л/с, определяемого по формуле:

q^h,cir=q^h·(1+K_cir),

где k_cir - коэффициент, принимаемый для водонагревателей и начальных участков системы до первого водоразборного стояка:

q^h /q^cir . . . 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1

r_cir . . . 0,57 0,43 0,43 0,40 0,38 0,36 0,33 0,25 0,12 0,00

для остальных участков - равным 0.

2). Расчетные расходы воды на участке сети горячего водоснабжения определяются по формуле (7.9), но с той разницей, что q₀ принимается по потреблению воды приборами горячей воды, т.е. q_o=q₀^h.

3). Потери напора в трубопроводах горячего водоснабжения определяются с учетом зарастания внутреннего сечения из-за коррозии. Для этого используется формула, аналогичная формуле (7.2) определения дополнительных потерь на местные сопротивления

H_l= i ·(l + r_l) ·r_эк, (13.2)

где k_l - коэффициент, учитывающий потери на местные сопротивления; r_эк - коэффициент увеличения потерь напора из-за зарастания сечения труб в процессе эксплуатации, определяемый на основе практического опыта в зависимости от состава и свойств воды: 0,2 - для подающих и циркуляционных распределительных трубопроводов; 0,5 - для трубопроводов в пределах ЦТП, а также для трубопроводов водоразборных стояков с полотенцесушителями; 0,1 - для трубопроводов водоразборных стояков без полотенцесушителей и для циркуляционных стояков.

4). Дополнительным членом в формуле (7.1) должен быть член, отображающий потери напора в водонагревателе. В емкостных водонагревателях они очень малы и поэтому их принимают с известным запасом - не более 0,5 м. В скоростных водонагревателях потери "напора весьма значительны и вычисляются по формуле в зависимости от длины теплообменных трубок и числа секций водонагревателя.

5). Расчет сети горячего водоснабжения производится с помощью различных таблиц (для холодной и горячей воды раздельно).

6). От точки ответвления холодного водопровода к водонагревателю расчетный расход воды определяется по подаче смешанной воды, т.е. q_o=q_о^tot.

Для нормальной работы смесительной арматуры и стабильного регулирования температуры смешанной воды во время процедуры напоры в подводящих трубопроводах холодного и горячего водоснабжения должны быть примерно равными. Если разница напоров в сетях холодного и горячего водоснабжения будет более 10 м, то необходимо предусмотреть установку дополнительного насоса в сети горячего водоснабжения (перед водонагревателем).

При расчете сети горячего водоснабжения необходимо следить за гидравлической устойчивостью сети, для чего необходимо избегать возможных резких колебаний расходов воды. Для устранения колебаний наибольшие потери напора должны допускаться в конечных участках системы. Эти требования в особой степени относятся к системам с большим числом душевых установок (бытовые помещения промышленных зданий, бани, гостиницы).

РАСЧЕТ СИСТЕМ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В РЕЖИМЕ ЦИРКУЛЯЦИИ

Циркуляция в системе горячего водоснабжения предусматривается с целью сохранения постоянства температуры у наиболее удаленного водоразборного крана. В противном случае возможен сброс остывшей воды и значительное возрастание нерационального потребления воды. Очевидно, что наиболее неблагоприятным режимом при этом является полное отсутствие водоразбора из системы горячего водоснабжения, за исключением начальных участков до первого водоразборного стояка.

Циркуляционный расход горячего водоснабжения определяется по формуле:

(13.3)

где Q^ht - теплопотери в трубопроводах горячего водоснабжения, кВт;

Δt – разность температур в подающих трубопроводах системы от водонагревателя до наиболее удаленной водоразборной точки, °С;

β - коэффициент разрегулировки циркуляции.

Значения Q^ht и β в зависимости от схемы горячего водоснабжения следует принимать следующими:

для систем, в которых предусматривается циркуляция воды по водоразборным стоякам, Q^ht следует определять по подающим и разводящим трубопроводам при Δt =10°С и β =1;

для систем, в которых предусматривается циркуляция воды по водоразборным стоякам с переменным сопротивлением циркуляционных стояков, Q^ht следует определять по подающим, разводящим трубопроводам и водоразборным стоякам при Δt =10°С и β =1;

при одинаковых сопротивлениях секционных узлов или стояков Q^ht следует определять по водоразборным стоякам при Δt =8,5°С и β =1,3;

для водоразборного стояка или секционного узла теплопотери определяются по подающим трубопроводам, включая Кольцующую перемычку при Δt =8,5°С и β = 1,0.

Разница между потерями напора и подающих и циркуляционных трубопроводах от водонагревателя до наиболее удаленных водоразборных или циркуляционных стояков каждой ветви системы для разных ветвей Должна быть не более 10 %.

При невозможности гидравлической увязки давлений в сети трубопроводов системы горячего водоснабжения путем соответствующего подбора диаметров труб прибегают к установке диафрагм на циркуляционном трубопроводе системы. Диаметр отверстий регулирующих диафрагм определяется по формуле:

(13.4)

где H_ep - избыточный напор, м, который необходимо погасить диафрагмой.

В системах с одинаковым сопротивлением секционных узлов или стояков суммарные потери давления по подающему и циркуляционному трубопроводам в пределах между первым и последним стояками при циркуляционных расходах должны в 1,6 раза превышать потери давления в секционном узле или стояке при разрегулировке циркуляции β =1,3.

Диаметры трубопроводов циркуляционных стояков определяют при условии, чтобы при циркуляционных расходах в стояках или секционных узлах потери давления между точками присоединения их к распределительному подающему и сборному циркуляционному трубопроводам не отличались более чем на 10%.

В системах горячего водоснабжения, присоединяемых к закрытым тепловым сетям, потери давления в секционных узлах при расчетном циркуляционном расходе следует допускать в пределах 0,03-0,06 МПа.

Величина теплопотерь определяется по формуле:

(13.5)

где – коэффициент теплопередачи неизолированной трубы, принимаемый равным 11,63 Вт/(м²·град); d_i - наружный диаметр трубопроводов на расчетном участке, м; l_i - расчетная длина участка, м; η - коэффициент эффективности теплоизоляции (η ≈ 0,6); - разность температур между средней температурой на расчетном участке и температурой окружающего воздуха помещения; Q^hr_yд - удельные теплопотери 1 м трубопровода при заданном Δt_m, Вт/м (табл. 13.1).

Таблица 13.1

Условный диаметр трубы, мм	Теплопотери изолированных трубопроводов из стали на 1 м, Вт/м. при перепаде температуры Δt, 0С
	23,3	26,7	31,4
	29,0	33,7	44,2
	36,0	43,0	48,8
	46,5	53,5	61,6
	52,3	60,5	69,8
	62,8	71,1	83,7
	86,1	100,0	114,0
	97,7	111,7	127,9
	118,6	138,4	158,2
	145,4	169,8	194,2
	183,7	191,9	244,2

Расчет циркуляционного режима с насосным побуждением несложных (неразветвленных) сетей горячего водоснабжения можно производить по методу заданной кратности обмена воды в системе. По этому методу принято, что все теплопотери могут быть возмещены, если в системе в течение одного часа произойдет 2-4 – кратный обмен воды в циркуляционном контуре. Исходя из этих посылок вначале задаются кратностью обмена воды в контуре. Тогда объем воды, который должен быть заменен, будет равен вместимости подающего и циркуляционного трубопроводов. Производительность циркуляционного насоса, л/ч, будет равна:

q = m·V_cir (13.6)

где m - кратность обмена воды в циркуляционном контуре системы.

Рабочий напор циркуляционного насоса определяется по приближенной формуле:

H_r^cir =2∑R_i·l_i, (13.7)

где R_i - удельные потери напора на 1 м длины трубопроводов сети горячего водоснабжения (при υ≈0,5 м/с) в зависимости от условного диаметра:

d...................... 15 20 25 32 40 50 70 80 100

R_{i...................................} 80 50 32 24 17 13 9 6,5 5

Удвоение потерь напора на трение произведено в счет местных сопротивлений.

В заключение расчета необходимо вычислить возможное остывание в циркуляционном контуре по формуле:

_{Δt =} Q^ht / (m·V_cir) (13.8)

Если будет выполнено условие: для лечебных учреждений Δt ≤ 8,5°С, а для жилых зданий Δt ≤ 10°С, то расчет циркуляции на этом заканчивается. В противном случае кратность обмена воды в циркуляционном контуре должна быть увеличена (в десятых долях кратности) с точностью до одного знака после запятой и расчет должен быть повторен.