Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Факультет энергетического строительства

Кафедра "Теплогазоснабжение и вентиляция"

на тему: "Теплоснабжение и отопление высотных зданий"

Подготовил: студент гр. №11004414

Новикова К.В.

Проверил: Нестеров Л.В.

Минск – 2015

Введение

Если в помещении, здании температурная обстановка благоприятная, то специалистов по отоплению и вентиляции как-то и не вспоминают. Если же обстановка неблагоприятная, то в первую очередь критикуют специалистов в этой области.

Однако ответственность за поддержание заданных параметров в помещении лежит не только на специалистах по отоплению и вентиляции.

Принятие инженерных решений по обеспечению заданных параметров в помещении, объемы капитальных вложений на эти цели и последующие эксплуатационные расходы зависят от объемно-планировочных решений с учетом оценки ветрового режима и аэродинамических показателей, строительных решений, ориентации, коэффициента остекления здания, расчетных климатических показателей, в том числе качества, уровня загрязнения атмосферного воздуха по совокупности всех источников загрязнения. Многофункциональные высотные здания и комплексы представляют собой чрезвычайно сложное сооружение с точки зрения проектирования инженерных коммуникаций: систем отопления, общеобменной и противодымной вентиляции, общего и противопожарного водопровода, эвакуации, противопожарной автоматики и др. Это объясняется главным образом высотой здания и допустимым гидростатическим давлением, в частности, в водяных системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Все здания по высоте можно разделить на 5 категорий:

До пяти этажей, где не требуется установка лифтов – малоэтажные здания;

До 75 м (25 этажей), в пределах которых не требуется зонирование по вертикали на пожарные отсеки – многоэтажные здания;

76–150 м – здания повышенной этажности;

151–300 м – высотные здания;

Свыше 300 м – сверхвысокие здания.

Градация кратная 150 м обусловлена изменением расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления и вентиляции – через каждые 150 м она понижается на 1 °С.

Особенности проектирования зданий выше 75 м связаны с тем, что их по вертикали необходимо делить на герметичные пожарные отсеки (зоны), границами которых являются ограждающие конструкции, обеспечивающие требуемые пределы огнестойкости для локализации возможного пожара и нераспространения его на смежные отсеки. Высота зон должна составлять 50–75 м, причем необязательно разделять вертикальные пожарные отсеки техническими этажами, как это принято в теплых странах, где технические этажи не имеют стен и используются для сбора людей при пожаре и последующей их эвакуации. В странах с суровым климатом необходимость технических этажей обусловлена требованиями размещения инженерного оборудования.

При установке его в подвальной части только часть этажа, расположенного на границе пожарных отсеков, может быть использована для размещения вентиляторов противодымной защиты, остальная – под рабочие помещения. При каскадной схеме подключения теплообменников, как правило, они вместе с насосными группами размещаются на технических этажах, где им требуется больше места, и занимают этаж полностью, а в сверхвысоких зданиях иногда и два этажа.

Ниже будет дан анализ проектных решений по тепловодоснабжению и отоплению перечисленных жилых зданий.

1. Теплоснабжение

Теплоснабжение внутренних систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции, кондиционирования высотных зданий рекомендуется предусматривать:

От сетей централизованного теплоснабжения;

от автономного источника тепла (АИТ), при условии подтверждения допустимости его воздействия на состояние окружающей среды в соответствии с действующим природоохранным законодательством и нормативно-методическими документами;

от комбинированного источника тепла (КИТ), в том числе гибридных теплонасосных систем теплоснабжения, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии и вторичные энергоресурсы (грунт, вентиляционные выбросы здания и т.п.) в комбинации с тепловыми и/или электрическими сетями.

Потребители тепла высотного здания по надежности теплоснабжения делятся на две категории:

первая – системы отопления, вентиляции и кондиционирования помещений, в которых при аварии не допускаются перерывы в подаче расчетного количества тепла и снижение температуры воздуха ниже минимально допустимых по ГОСТ 30494. Перечень указанных помещений и минимально допустимые температуры воздуха в помещениях необходимо приводить в Техническом задании;

вторая – остальные потребители, для которых допускается снижение температуры в отапливаемых помещениях на период ликвидации аварии не более 54 часов, не ниже:

16С – в жилых помещениях;

12С – в общественных и административно-бытовых помещениях;

5С – в производственных помещениях.

Теплоснабжение высотного здания следует проектировать, обеспечивая бесперебойную подачу тепла при авариях (отказах) на источнике тепла или в подающих тепловых сетях в течение ремонтно-восстановительного периода от двух (основного и резервного) независимых вводов тепловых сетей. От основного ввода должна обеспечиваться подача 100 % необходимого количества тепла для высотного здания; от резервного ввода ‒ подача тепла в количестве не менее требуемого для систем отопления и вентиляции и кондиционирования потребителей первой категории, а также систем отопления второй категории для поддержания температуры в отапливаемых помещениях не ниже указанной выше. К началу рабочего цикла температура воздуха в этих помещениях должна соответствовать нормативной.

Системы внутреннего теплоснабжения следует присоединять:

при централизованном теплоснабжении ‒ по независимой схеме к тепловым сетям;

при АИТ ‒ по зависимой или независимой схеме.

Системы внутреннего теплоснабжения необходимо делить по высоте зданий на зоны (зонировать). Высоту зоны следует определять величиной допустимого гидростатического давления в нижних элементах систем теплоснабжения каждой зоны.

Давление в любой точке систем теплоснабжения каждой зоны при гидродинамическом режиме (как при расчетных расходах и температуре воды, так и при возможных отклонениях от них) должно обеспечивать заполнение систем водой, предотвращать вскипание воды и не превышать значения, допустимого по прочности для оборудования (теплообменников, баков, насосов и др.), арматуры и трубопроводов.

Подача воды в каждую зону может осуществляться по последовательной (каскадной) или параллельной схеме через теплообменники с автоматическим регулированием температуры нагреваемой воды. Для потребителей тепла каждой зоны необходимо предусматривать, как правило, свой контур приготовления и распределения теплоносителя с температурой, регулируемой по индивидуальному температурному графику. При расчете температурного графика теплоносителя начало и конец отопительного периода следует принимать при среднесуточной температуре наружного воздуха +8С и усредненной расчетной температуре воздуха в отапливаемых помещениях.

Для систем теплоснабжения высотных зданий необходимо предусматривать резервирование оборудования по следующей схеме.

В каждом контуре приготовления теплоносителя следует устанавливать не менее двух теплообменников (рабочий + резервный), поверхность нагрева каждого из которых должна обеспечивать 100 % требуемого расхода тепла для систем отопления, вентиляции, кондиционирования и горячего водоснабжения.

При установке в контуре приготовления горячей воды резервных емкостных электронагревателей резервирование теплообменников систем ГВС допускается не предусматривать.

Допускается установка в контуре приготовления теплоносителя для системы вентиляции трех теплообменников (2 рабочих + 1 резервный), поверхность нагрева каждого из которых должна обеспечивать 50 % требуемого расхода тепла для систем вентиляции и кондиционирования.

При каскадной схеме теплоснабжения количество теплообменников для теплоснабжения верхних зон допускается принимать 2 рабочих + 1 резервный, причем поверхность нагрева каждого следует принимать по 50 % или по техническому заданию.

Теплообменники, насосы и другое оборудование, а также арматуру и трубопроводы следует выбирать с учетом гидростатического и рабочего давления в системе теплоснабжения, а также предельного пробного давления при гидравлическом испытании. Рабочее давление в системах следует принимать на 10 % ниже допустимого рабочего давления для всех элементов систем.

Параметры теплоносителя в системах теплоснабжения, как правило, следует принимать с учетом температуры нагреваемой воды в зональных теплообменниках контура приготовления воды соответствующей зоны по высоте здания. Температуру теплоносителя следует принимать не более 95 С в системах с трубопроводами из стальных или медных труб и не более 90 С – из полимерных труб, разрешенных к применению в системах теплоснабжения. Параметры теплоносителя в системах внутреннего теплоснабжения допускается принимать более 95 С, но не более 110 С в системах с трубопроводами из стальных труб с учетом проверки не вскипания перемещаемой воды по высоте здания. При прокладке трубопроводов с температурой теплоносителя более 95 С следует предусматривать их прокладку в самостоятельных или общих с другими трубопроводами, выгороженных шахтах с учетом соответствующих мер безопасности. Прокладка указанных трубопроводов возможна только в местах, доступных эксплуатирующей организации. Следует принимать меры, исключающие попадание пара при повреждении трубопроводов за пределы технических помещений.

Особенностью проектирования систем тепло- и водоснабжения является то, что все насосное и теплообменное оборудование рассматриваемых высотных жилых зданий расположено на уровне земли или минус первого этажа. Это обусловлено опасностью размещения трубопроводов перегретой воды на жилых этажах, неуверенностью в достаточности защиты от шума и вибрации смежных жилых помещений при работе насосного оборудования и стремлением сохранения дефицитной площади для размещения большего количества квартир.

Такое решение возможно благодаря применению высоконапорных трубопроводов, теплообменников, насосов, запорного и регулирующего оборудования, выдерживающих рабочее давление до 25 атм. Поэтому в обвязке теплообменников со стороны местной воды используют дисковые затворы с воротниковыми фланцами, насосы с U-образным элементом, регуляторы давления "до себя" прямого действия, устанавливаемые на подпиточном трубопроводе, электромагнитные клапаны, рассчитанные на давление 25 атм. в станции заполнения систем отопления.

При высоте зданий выше 220 м в связи с возникновением сверхвысокого гидростатического давления рекомендуется применять каскадную схему подключения зональных теплообменников отопления и горячего водоснабжения. Другой особенностью теплоснабжения реализованных высотных жилых зданий является то, что во всех случаях источник теплоснабжения – это городские тепловые сети. Подключение к ним производится через ЦТП, который занимает довольно большую площадь. ЦТП включает теплообменники с циркуляционными насосами систем отопления разных зон, систем тепло-снабжения калориферов вентиляции и кондиционирования воздуха, систем горячего водоснабжения, насосные станции заполнения систем отопления и системы поддержания давления с расширительными баками и оборудованием авторегулирования, аварийные электрические накопительные водонагреватели горячего водоснабжения. Оборудование и трубопроводы располагаются по вертикали, с тем чтобы в процессе эксплуатации они были легко доступны. Через все ЦТП проходит центральный проезд шириной не менее 1,7 м для возможности перемещения специальных погрузчиков, позволяющих вывезти тяжелое оборудование при его замене (рис. 1).

Такое решение обусловлено еще и тем, что высотные комплексы, как правило, являются многофункциональными по назначению с развитой стилобатной и подземной частью, на которой могут находиться несколько зданий. Поэтому в комплексе, который включает 3 высотных жилых здания в 43–48 этажей и 4 здания высотой 17–25 этажей, объединенных пятиуровневой стилобатной частью, от этого единого ЦТП отходят технические коллекторы с многочисленными трубопроводами, и для их сокращения в технической зоне высотных корпусов расположили повысительные насосные станции водоснабжения, которые осуществляют подкачку холодной и горячей воды в каждую зону высотных корпусов.

Возможно и иное решение – ЦТП служит для ввода городских тепловых сетей на объект, размещения регулятора перепада давлений "после себя", узла учета тепловой энергии и, при необходимости, установки когенерации и может быть совмещен с одним из индивидуальных локальных тепловых пунктов (ИТП), служащих для присоединения местных систем теплопотребления, близких по расположению к данному тепловому пункту. Из этого ЦТП перегретая вода по двум трубам, а не по нескольким от гребенки, как в предыдущем случае, подается в локальные ИТП, расположенные в других частях комплекса, в том числе и на верхних этажах, по принципу приближенности к тепловой нагрузке. При таком решении нет необходимости присоединения системы внутреннего теплоснабжения калориферов приточных систем по независимой схеме через теплообменник. Калорифер сам является теплообменником и подключается к трубопроводам перегретой воды напрямую с насосным подмешиванием для повышения качества регулирования нагрузки и повышения надежности защиты калориферов от замерзания.

Одним из решений по резервированию централизованного тепло- и электроснабжения высотных зданий может быть устройство автономных мини-ТЭЦ на базе газотурбинной (ГТУ) или газопоршневой (ГПУ) установок, одновременно вырабатывающих оба вида энергии. Современные средства защиты от шума и вибрации позволяют размещать их непосредственно в здании, в том числе и на верхних этажах. Как правило, мощность этих установок не превышает 30–40 % максимальной потребной мощности объекта и в штатном режиме эти установки работают, дополняя централизованные системы энерго-снабжения. При большей мощности когенерационных установок возникают проблемы передачи избытков того или иного энергоносителя в сеть.

Существует литература, в которой приводится алгоритм расчета и подбора мини-ТЭЦ при энергоснабжении объекта в автономном режиме и анализ оптимизации выбора мини-ТЭЦ на примере конкретного проекта. При дефиците только тепловой энергии для рассматриваемого объекта в качестве источника тепло-снабжения может быть принят автономный источник теплоснабжения (АИТ) в виде котельной с водогрейными котлами. Могут использоваться пристроенные, расположенные на крыше или выступающих частях здания либо отдельно стоящие котельные, проектируемые согласно СП 41–104–2000. Возможность и место размещения АИТ следует увязывать со всем комплексом его воздействия на окружающую среду, в том числе и на жилое высотное здание.

На температурную обстановку в помещении оказывает существенное влияние площадь и теплотехнические показатели остекленной поверхности. Известно, нормативное приведенное сопротивление теплопередаче окон почти в 6 раз меньше приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен. Кроме того, через них в час поступает, если отсутствуют солнцезащитные устройства, до 300 - 400 Вт/м2 тепла за счет солнечной радиации. К сожалению, при проектировании административных и общественных зданий коэффициент остекления допускается превышать на 50% при наличии соответствующего обоснования (при сопротивлении теплопередаче не менее 0,65 м2°С /Вт). В действительности не исключено использование этого допущения без соответствующего обоснования.

2. Отопление

В высотных зданиях могут использоваться следующие системы отопления:

водяные двухтрубные с горизонтальной разводкой по этажам или вертикальные;

воздушные с отопительно-рециркуляционными агрегатами в пределах одного помещения или совмещенные с системой механической приточной вентиляции;

электрические по заданию на проектирование и при получении технических условий от энергоснабжающей организации.

Допускается применять напольное (водяное или электрическое) отопление для обогрева ванных комнат, раздевалок, помещений бассейнов и т.п.

Параметры теплоносителя в системах отопления соответствующей зоны следует по принимать по СП 60.13330 не более 95С в системах с трубопроводами из стальных или медных труб и не более 90С ‒ из полимерных труб, разрешенных к применению в строительстве.

Высоту зоны системы отопления следует определять величиной допустимого гидростатического давления в нижних элементах системы. Давление в любой точке системы отопления каждой зоны при гидродинамическом режиме должно обеспечивать заполнение систем водой и не превышать значения, допустимого по прочности для оборудования, арматуры и трубопроводов.

Приборы, арматуру и трубопроводы систем отопления следует выбирать с учетом гидростатического и рабочего давления в системе отопления зоны, а также предельного пробного давления при гидравлическом испытании. Рабочее давление в системах следует принимать на 10 % ниже допустимого рабочего давления для всех элементов систем.

Воздушно-тепловой режим высотного здания

При расчете воздушного режима здания в зависимости от конфигурации здания оценивают влияние скорости ветра по вертикали на фасадах, на уровне кровли, а так же перепад давлений между наветренной и заветренным фасадом здания.

Расчетные параметры наружного воздуха для систем отопления, вентиляции, кондиционирования, тепло- и холодоснабжения высотного здания следует принимать по техническому заданию, но не ниже, чем по параметрам Б согласно СП 60.13330 и СП 131.13330.

Расчеты потерь тепла наружными ограждающими конструкциями, воздушного режима высотных зданий, параметров наружного воздуха в местах размещения воздухозаборных устройств и др. следует выполнять с учетом изменения скорости и температуры наружного воздуха по высоте зданий по приложению А и СП 131.13330.

Параметры наружного воздуха следует принимать с учетом следующих факторов:

понижения температуры воздуха по высоте на 1 °С на каждые 100 м;

повышения скорости ветра в холодный период года;

появления мощных конвективных потоков на фасадах здания, облучаемых солнцем;

размещения воздухозаборных устройств в высотной части здания.

При размещении приемных устройств для наружного воздуха на юго-восточном, южном или юго-западном фасадах температуру наружного воздуха в теплый период года следует принимать на 3-5 С выше расчетной.

Расчетные параметры микроклимата внутреннего воздуха (температура, скорость движения и относительная влажность) в жилых, гостиничных и общественных помещениях высотных зданий следует принимать в пределах оптимальных норм по ГОСТ 30494

В холодный период года в жилых, общественных, административно-бытовых и производственных помещениях (холодильные установки, машинные отделения лифтов, венткамеры, насосныеи др.), когда они не используются и в нерабочее время, допускается снижение температуры воздуха ниже нормируемой, но не менее:

16С ‒ в жилых помещениях;

12С ‒ в общественных и административно-бытовых помещениях;

5С ‒ в производственных помещениях.

К началу рабочего времени температура воздуха в этих помещениях должна соответствовать нормативной.

На входных тамбурах высотных зданий, как правило, следует предусматривать двойное шлюзование холла или вестибюля. В качестве входных дверей рекомендуется применять воздухонепроницаемые устройства кругового или радиусного типа.

Следует предусматривать мероприятия по снижению давления воздуха в вертикальных лифтовых шахтах, формирующегося по высоте здания за счет гравитационного перепада, а так же по исключению неорганизованных потоков внутреннего воздуха между отдельными функциональными зонами здания.

Системы водяного отопления высотных зданий зонируются по высоте и, как уже было сказано, если пожарные отсеки разделяются техническими этажами, то зонирование систем отопления, как правило, совпадает с пожарными отсекам, т. к. технические этажи удобны для прокладки разводящих трубопроводов. При отсутствии технических этажей зонирование систем отопления может не совпадать с разделением здания на пожарные отсеки. Органами пожарного надзора допускается пересечение границ пожарных отсеков трубопроводами водонаполненных систем, и высота зоны определяется значением допустимого гидростатического давления для нижних отопительных приборов и их обвязки.

Первоначально проектирование зональных систем отопления проводилось, как для обычных многоэтажных зданий. Применялись, как правило, двухтрубные системы отопления с вертикальными стояками и нижней разводкой подающей и обратной магистралей, проходящих по техническому этажу, что позволяло включать систему отопления, не дожидаясь возведения всех этажей зоны. Такие системы отопления были реализованы, на пример, в жилых комплексах "Алые Паруса", "Воробьевы Горы", "Триумф Палас"(г.Москва) . Каждый стояк оборудуется автоматическими балансировочными клапанами для обеспечения автоматического распределения теплоносителя по стоякам, а каждый отопительный прибор – автоматическим терморегулятором с повышенным гидравлическим сопротивлением для предоставления жильцу возможности установления нужной ему температуры воздуха в помещении и сведения к минимуму влияния гравитационной составляющей циркуляционного напора и включения/выключения термостатов на других отопительных приборах, подключенных к данному стояку.

Далее, во избежание разбалансировки системы отопления, связанной с несанкционированным изъятием термостатов в отдельных квартирах, что неоднократно имело место на практике, было предложено переходить на систему отопления с верхней разводкой подающей магистрали с попутным движением теплоносителя по стоякам. Это выравнивает потери давления циркуляционных колец через отопительные приборы независимо от того, на каком этаже они расположены, повышает гидравлическую устойчивость системы, гарантирует удаление воздуха из системы и облегчает настройку терморегуляторов.

Однако впоследствии, в результате анализа различных решений, проектировщики пришли к выводу, что наилучшей системой отопления, особенно для зданий без технических этажей, являются системы с поквартирной горизонтальной разводкой, подключаемые к вертикальным стоякам, проходящим, как правило, по лестничной клетке, и выполненным по двухтрубной схеме с нижней разводкой магистралей. Например,такая система запроектирована в венчающей части (9 этажей третьей зоны) высотного комплекса "Триумф Палас" и в строящемся 50-этажном доме без промежуточных технических этажей.

Поквартирные системы отопления оборудуются узлом с запорной, регулирующей с помощью балансировочных клапанов и спускной арматурой, фильтрами и прибором учета тепловой энергии. Этот узел должен располагаться вне квартиры на лестничной клетке для беспрепятственного доступа службы эксплуатации. В квартирах более 100 м2 подключение производится не петлей, периметрально проложенной по квартире (поскольку при увеличении нагрузки возрастает диаметр трубопровода, а вследствие этого усложняется монтаж и повышается стоимость из-за применения дорогих фитингов большого размера), а через промежуточный квартирный распределительный шкаф, в котором устанавливается гребенка, и от нее теплоноситель по лучевой схеме трубопроводами меньшего диаметра направляется к отопительным приборам по двухтрубной схеме.

Трубопроводы применяют из термостойких полимерных материалов, как правило, из сшитого полиэтилена РЕХ, прокладка выполняется в подготовке пола. Расчетные параметры теплоносителя, исходя из технических условий на такие трубопроводы, 90–70 (65) °Сиз опасения, что дальнейшее понижение температуры приводит к значительному росту поверхности нагрева отопительных приборов, что не приветствуется инвесторами из-за роста стоимости системы. Опыт применения металлопластиковых труб в системе отопления комплексов был признан неудачным. В процессе эксплуатации в результате старения разрушается клеевой слой и внутренний слой трубы "схлопывается", вследствие чего сужается проходное сечение и система отопления перестает нормально работать.

Некоторые специалисты считают, что при поквартирной разводке оптимальным решением является применение автоматических балансировочных клапанов ASV-P (PV) на обратном трубопроводе и запорно-измерительных клапанов ASV-М (ASV-1) на подающем. Использование этой пары клапанов дает возможность не только компенсировать влияние гравитационной составляющей, но и ограничивать расход на каждую квартиру в соответствии с параметрами. Клапаны, как правило, подбираются по диаметру трубопроводов и настраиваются на поддержание перепада давлений на уровне 10 кПа. Такая величина настройки клапанов выбирается исходя из значения требуемых потерь давления на радиаторных терморегуляторах для обеспечения их оптимальной работы. Ограничение расхода на квартиру задается настройкой на клапанах ASV-1, причем учитывается, что в этом случае потери давления на данных клапанах необходимо включить в перепад давлений, поддерживаемый регулятором ASV-РV. теплоснабжение температурный водяной отопление

Применение поквартирных горизонтальных систем отопления по сравнению с системой c вертикальными стояками приводит к уменьшению протяженности магистральных трубопроводов (они подходят только к лестничному стояку, а не к самому удаленному стояку в угловой комнате), снижению потерь теплоты трубопроводами, упрощению поэтажного ввода здания в эксплуатацию и повышению гидравлической устойчивости системы. Стоимость устройства поквартирной системы ненамного отличается от стандартных с вертикальными стояками, однако срок службы выше за счет применения труб из термостойких полимерных материалов.

В поквартирных системах отопления значительно проще и с абсолютной наглядностью для жильцов можно осуществить учет тепловой энергии. Надо согласиться с мнением авторов, что хотя установка теплосчетчиков не относится к энергосберегающим мероприятиям, однако, оплата за фактически потребленную тепловую энергию является мощным стимулом, заставляющим жителей бережно относиться к ее расходованию. Естественно, достигается это, в первую очередь, обязательным применением термостатов на отопительных приборах. Опыт их эксплуатации показал, что во избежание влияния на тепловой режим смежных квартир в алгоритм управления термостатом должно быть введено ограничение снижения температуры в обслуживаемой ими комнаты не ниже 15–16 °С, а отопительные приборы следует подбирать с запасом мощности не менее 15%.

Таковы решения систем теплоснабжения и отопления самых высоких жилых зданий, построенных к настоящему времени. Они понятны, логичны и принципиально не отличаются от решений, применяемых при проектировании обычных многоэтажных зданий высотой менее 75 м, за исключением разделения систем отопления и водоснабжения на зоны. Но внутри каждой зоны сохраняются стандартные подходы выполнения этих систем. Обращается большее внимание к установкам заполнения систем отопления и поддержания давления в них, а также в циркуляционных линиях от разных зон перед подключением их к общей гребенке, автоматическому регулированию подачи тепла и распределению теплоносителя для реализации комфортного и экономичного режимов, резервированию работы оборудования для обеспечения бесперебойного снабжения потребителей теплом.

Недостатком зависимой системы присоединения со смещением воды является возможность повышения в ней гидростатического давления, непосредственно передающегося через обратный теплопровод в обратную магистраль системы до значения, опасного для целости отопительных приборов (превышающего их рабочее давление).

Смесительный насос можно применять в системе отопления со значительным гидравлическим сопротивлением, тогда как при использовании элеваторной смесительной установки гидравлическое сопротивление системы должно быть сравнительно небольшим. Все же водоструйные элеваторы получили широкое распространение благодаря безотказному и бесшумному действии.

Обратная вода из системы отопления смешивается с высокотемпературной водой из наружного подающего теплопровода при помощи смесительного насоса или водоструйного элеватора. При использовании смесительного насоса возможно не только местное качественно-количественное регулирование параметров воды, но и сохранение циркуляции воды в системе отопления при аварийном прекращении подачи ее из наружных теплопроводов.

Теплоноситель в системе насосного водяного отопления может нагреваться в местной водогрейной котельной (местное теплоснабжение) или высокотемпературной водой поступающей из TЭЦ, или центральной тепловой станции (централизованное теплоснабжение). В зависимости от источника теплоснабжения, параметров теплоносителей в тепловой сети и в системе отопления изменяется оборудование теплового пункта.

ПРИСОЕДИНЕНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ К НАРУЖНЫМ ТЕПЛОВЫМ СЕТЯМ

ЛЕКЦИЯ 12

В регуляторе косвенного действия обычно используется электрическая энергия для нагревания термобаллона уменьшенного объема, который, в свою очередь, связан со штоком регулирующего клапана. Для индивидуального ручного регулирования теплопередачи приборов служат краны и вентили и воздушные клапаны в кожухе конвекторов.

Для индивидуального автоматического регулирования применяют регулятор температуры прямого и косвенного действия. Принцип работы регулятора прямого действия основан на изменении объема среды при давлении или понижении ее температуры. Изменение объема среды термоактивного материала (например, резины) непосредственно вызывает перемещение клапана регулятора в потоке основного теплоносителя.

Эксплуатационное регулирование теплопередачи приборов может быть автоматизировано. Местное автоматическое регулирование в тепловом пункте проводят, ориентируясь на изменение температуры наружного воздуха. Индивидуальные автоматическое регулирование теплопередачи прибора происходит при отклонении температуры воздуха в помещении.

Принципиальная схема системы насосного водяного отопления при местном теплоснабжении от водогрейной котельной, находящейся в отапливаемом здании или близ него, показана на рис. 12.I, а.

Рис. 12.1 Принципиальные схемы системы насосного водяного отопления при местном теплоснабжении (а) и централизованном (б,в,г)

1-циркуляционный насос; 2- котел; 3-подача топлива; 4- расширительный бак. 5 - отопительные приборы; 6-водопровод; 7 - теплообменник? 8- подпиточны насос: 9, 1О-наружные обратный и подающий теплопроводы 11 - смесительная установка

Вода подогревается в котельной до температуры ТI(tг). Горячая вода распределяется по отопительным приборам. Движение воды создается циркуляционным насосом, включенным в общую обратную магистраль, куда собирается охлажденная до температуры Т2 (to) вода приборов. К обратной магистрали присоединен расширительный бак. Первоначальное заполнение и пополнение системы при утечке (подпитку производят холодной водой из водопровода через обратный клапан, исключающий вытекание воды из системы при понижении давления в водопроводной сети.

При централизованном теплоснабжении применяют три основные схемы присоединения системы насосного водяного отопления к наружным теплопроводам (рис. 12.1, б-г).

Независимая схема присоединения системы насосного водяного отопления к наружным теплопроводам (рис.12.1, б) близка по своим элементам к схеме при местном теплоснабжении. Заполнение и подпитку системы осуществляют деаэрированной водой из наружной тепловой сети. При этом используют давление в ней или применяют подпиточный насос, если этого давления недостаточно. В водо-водяном теплообменнике первичная высокотемпературная вода (температура TII(t1) из наружного подающего теплопровода подогревает вторичную - местную воду и, охлаждаясь, до Т2 (t2), удаляется в наружный обратный теплопровод.

Независимую схему применяют для получения обособленного тепло-гидравлического режима в системе отопления, в которую по каким-либо причинам недопустима непосредственная подача высокотемпературной води. Преимуществом независимой схемы, кроме обеспечения тепло-гидравлического режима, индивидуального для каждого здания, является возможность сохранения циркуляции с использованием теплосодержания воды в течение некоторого времени, обычно достаточного для устранения аварийного повреждения наружных теплопроводов. Система отопления по независимой схеме служит дольше, чем система с местной котельной, вследствие уменьшения коррозионной активности воды.

Зависимая схема со смешением воды для присоединения системы отопления к наружным теплопроводам (рис.12.1) в) проще по конструкции и в обслуживании. Стоимость ее ниже по стоимости независимой схемы благодаря исключению таких элементов, как теплообменник, расширительный бак и подпиточный насос, Функции которых выполняются централизованно на тепловой станции. Эту схему присоединения выбирают, когда в системе требуется температура воды TI и допускается повышение гидростатического давления до значения, под которым находится вода в наружном обратном теплопроводе.

Зависимая прямоточная схема присоединения системы водяного отопления к наружный теплопроводам наиболее проста по конструкции и в обслуживании: в системе отсутствуют такие элементы, как теплообменник или смесительная установка, циркуляционный и подпиточный насосы, расширительный бак (рис.12.1,г). Прямоточное присоединение применяют, когда в системе допускается подача высокотемпературной воды (TI=TII) и значительное гидростатическое давление, или при подаче воды, имеющей температуру ниже ЮО°С. Система отопления отличается пониженной стоимостью и уменьшенным расходом металла.

Недостатками прямоточного присоединения является невозможность местного качественного регулирования и зависимость теплового режима системы отопления (и помещений) от обезличенной температуры воды в наружном подающем теплопроводе. Высота зданий, в которых можно использовать высокотемпературную воду, ограничена вследствие необхо­димости сохранять в системе гидростатическое давление, достаточно высокое для предотвращения вскипания воды.

При централизованном теплоснабжении с применением независимого и зависимого присоединения в системе отопления обеспечивается циркуляция деаэрированной воды (воздух удаляется на тепловой станции). Это не только упрощает сбор и удаление воздуха из системы (тактически удаление воздуха проводят только в пусковой период после монтажа и ремонта), но и увеличивает срок ее службы.

Высотные здания обычно зонируются - делятся на части - зоны определенной высоты, между которыми помещаются технические этажи. В системах водяного отопления высота зоны определяется допустимым давлением воды (рабочим давлением) в наиболее низко расположенных приборах и возможностью размещения оборудования и коммуникаций на техни­ческих этажах.

В настоящее время отопление подавляющего большинства существующих жилых многоэтажных зданий в нашей стране осуществляется в основном вертикальными однотрубными системами водяного отопления. Достоинства и недостатки таких систем отмечены в и других источниках. Среди основных недостатков следует отметить следующие:

□ невозможно проводить учет расхода теплоты на отопление каждой квартиры;

□ невозможно осуществлять оплату расхода теплоты за фактически потребленную тепловую энергию (ТЭ);

□ очень сложно поддержать требуемую температуру воздуха в каждой квартире.

Поэтому можно сделать вывод о том, что необходимо отказаться от использования вертикальных систем для отопления жилых многоэтажных зданий и применять поквартирные системы отопления (СО), как это рекомендует . При этом в каждой квартире необходимо устанавливать счетчик ТЭ.

Поквартирные СО в многоэтажных зданиях - это такие системы, которые могут обслуживаться жителями квартиры без изменения гидравлического и теплового режимов соседних квартир и обеспечивать поквартирный учет расхода теплоты. При этом повышается тепловой комфорт в жилых помещениях и экономия теплоты на отопление. На первый взгляд это две противоречивые задачи. Однако никакого противоречия здесь нет, т.к. устраняется перегрев помещений за счет отсутствия гидравлической и тепловой разрегулировки СО. Кроме того, на 100% используется теплота солнечной радиации и бытовые теплопоступления в каждую квартиру. Актуальность решения этой проблемы осознают строители и службы эксплуатации. Существующие системы поквартирного отопления в нашей стране для отопления многоэтажных зданий применяются редко по разным причинам и, в том числе, из-за их невысокой гидравлической и тепловой устойчивости. Система поквартирного отопления, защищенная действующим патентом РФ № 2148755 F24D 3/02, по мнению авторов, отвечает всем требованиям . На рис. 1 представлена схема СО для жилых зданий, имеющих небольшое количество этажей.

СО содержит подающий 1 и обратный 2 теплопроводы сетевой воды, сообщенные с индивидуальным тепловым пунктом 3 и соединенным, в свою очередь, с подающим теплопроводом 4 СО. К подающему теплопроводу 4 присоединен вертикальный подающий стояк 5, соединенный с поэтажной горизонтальной веткой 6. К ветке 6 присоединены отопительные приборы 7. В тех же квартирах, где установлен вертикальный подающий стояк 5, установлен обратный стояк 8, который присоединен к обратному теплопроводу СО 9 и горизонтальной поэтажной ветке 6. Вертикальные стояки 5 и 8 ограничивают длину поэтажных веток 6 одной квартирой. На каждой поэтажной ветке 6 установлен квартирный тепловой пункт 10, который служит для обеспечения подачи требуемого расхода теплоносителя и учета расхода теплоты на отопление каждой квартиры и регулирования температуры воздуха внутри помещения в зависимости от температуры наружного воздуха, поступления теплоты от солнечной радиации, тепловыделений в каждой квартире, скорости и направления ветра. Для отключения каждой горизонтальной ветки предусмотрены вентили 11 и 12. Воздушные краны 13 служат для удаления воздуха из отопительных приборов и веток 6. У отопительных приборов 7 могут устанавливаться краны 14 для регулирования расхода воды, проходящей через отопительные приборы 7.

Рис. 1. Схема системы отопления зданий, имеющих небольшое количество этажей: 1 - подающий теплопровод сетевой воды; 2 - обратный теплопровод сетевой воды; 3 - индивидуальный тепловой

пункт; 4 - подающий теплопровод системы отопления; 5 - вертикальный подающий стояк; 6 - поэтажная горизонтальная ветка; 7 - отопительные приборы; 8 - обратный стояк; 9 - обратный теплопровод системы отопления;

10 - квартирный тепловой пункт; 11, 12 - вентили; 13 - воздушные краны; 14 - краны, для регулирования расхода воды.

В случае выполнения СО многоэтажного здания (рис. 2) подающий вертикальный стояк 5 выполнен в виде группы стояков - 5, 15 и 16, а вертикальный обратный стояк 8 выполнен в виде группы стояков 8, 17 и 18. В этой СО подающий стояк 5 и обратный стояк 8, сообщенные соответственно с теплопроводами 4 и 9, объединяют в блок «А» горизонтальные поэтажные ветки 6 нескольких (в данном конкретном случае трех веток) верхних этажей здания. Подающий стояк 15 и обратный стояк 17 также соединены с теплопроводами 4 и 9 и объединяют в блок «В» горизонтальные поэтажные ветки следующих трех этажей. Вертикальные подающий стояк 16 и обратный стояк 18 объединяют поэтажные ветки 6 трех нижних этажей в блок «С» (количество веток в блоках А, В и С может быть больше или меньше трех). На каждой горизонтальной поэтажной ветке 6, расположенной в одной квартире, установлен квартирный тепловой пункт 10. Он включает, в зависимости от параметров теплоносителя и местных условий, запорно-регулирующую и контрольно-измерительную арматуру, регулятор давления (расхода) и устройство для учета расхода теплоты (теплосчетчик). Для отключения горизонтальных веток предусмотрены вентили 11 и 12. Краны 14 служат для регулирования теплоотдачи отопительного прибора (в случае необходимости). Воздух удаляется через краны 13.

Количество горизонтальных веток в каждом блоке определяется расчетом и может быть больше или меньше трех. Следует отметить, что вертикальные подающие стояки 5, 15, 16 и обратные 8, 17, 18 проложены в одной квартире, т.е. так же, как и на рис. 1, а это обеспечивает высокую гидравлическую и тепловую устойчивость СО многоэтажного здания и, следовательно, эффективную работу СО.

Изменяя количество блоков, на которые по высоте делится СО, можно практически полностью исключить влияние естественного давления на гидравлическую и тепловую устойчивость системы водяного отопления многоэтажного здания.

Другими словами, можно сказать, что при количестве блоков, равном числу этажей в здании, получим систему водяного отопления, в которой естественное давление, возникающее от остывания воды в отопительных приборах, присоединенных к поэтажным веткам, не будет влиять на гидравлическую и тепловую устойчивость СО.

Рассмотренная СО обеспечивает высокие санитарно-гигиенические показатели в отапливаемых помещениях, экономию теплоты на отопление, эффективное регулирование температуры воздуха в помещении. Осуществить пуск СО в действии можно по желанию жителя (при наличии теплоносителя) в тепловом пункте 3 в любое время, не дожидаясь пуска СО в других квартирах или во всем доме. Учитывая, что тепловая мощность и длина горизонтальных веток приблизительно одинакова, то при изготовлении трубной заготовки достигается максимальная унификация узлов СО, а это снижает расходы на изготовление и монтаж СО. Разработанная система поквартирного отопления для многоэтажных жилых зданий универсальна, т.е. такую СО можно использовать при теплоснабжении:

□ от центрального источника теплоты (от тепловых сетей);

□ от автономного источника теплоты (в том числе крышной котельной).

Рис. 2. Схема системы отопления многоэтажных зданий. 1 - подающий теплопровод сетевой воды; 2 - обратный теплопровод сетевой воды; 3 - индивидуальный тепловой пункт; 4 - подающий теплопровод системы отопления; 5, 15, 16 - вертикальные подающие стояки; 6 - поэтажная горизонтальная ветка; 7 - отопительные приборы; 8, 17, 18 - обратные стояки; 9 - обратный теплопровод системы отопления; 10 - квартирный тепловой пункт; 11, 12 - вентили; 13 - воздушные краны; 14 - краны, для регулирования расхода воды.

Такая система обладает гидравлической и тепловой устойчивостью, может быть однотрубной и двухтрубной и в ней могут быть использованы отопительные приборы любого типа, удовлетворяющие требованиям . Схема подачи теплоносителя в отопительный прибор может быть различна , при установке крана у отопительного прибора можно регулировать тепловую мощность отопительного прибора. Такая СО может применяться не только для отопления жилых зданий, но и общественных и производственных зданий. В этом случае горизонтальная ветка прокладывается у пола (или в углублении пола) вдоль плинтуса. Такую СО возможно ремонтировать и реконструировать, если возникла необходимость в перепланировке здания. Для устройства описанной выше системы требуется меньший расход металла. Монтаж таких СО можно осуществлять из стальных, медных, латунных и полимерных труб, разрешенных к применению в строительстве . Теплоотдача теплопроводов должна учитываться при расчете отопительных приборов. Применение поквартирных СО обеспечивает снижение расхода теплоты на 10-20% .

Идея использовать поквартирные системы для отопления многоэтажных жилых зданий зародилась давно. Однако такие системы отопления не применялись даже во вновь строящихся жилых домах по многим причинам, и в том числе - из-за отсутствия нормативной базы и рекомендаций по проектированию. За последние 5 лет создана нормативная база и разработаны рекомендации по проектированию таких систем. В России пока отсутствует опыт эксплуатации поквартирных СО, подключенных к различным источникам теплоты.

При проектировании таких систем возникает много вопросов по поводу размещения горизонтальных веток и мест прокладки вертикальных подающих и обратных стоков. Расход трубопроводов для устройства горизонтальных веток будет минимальным, если квартира в плане будет иметь форму квадрата или приближаться к квадрату.

Следует отметить, что подающие и обратные вертикальные стояки могут прокладываться в специальных шахтах, расположенных в лестничных клетках или общих коридорах. В шахтах на каждом этаже должны располагаться монтажные шкафы, в которых размещают квартирные узлы ввода.

Для массового жилищного строительства по- квартирные СО целесообразно выполнять однотрубными горизонтальными с замыкающими участками и последовательным подсоединением отопительных приборов. В этом случае значительно уменьшается расход труб, но при этом поверхность нагрева отопительных приборов увеличивается (за счет сокращения теплового напора) в среднем на 10-30%.

Горизонтальные ветки следует прокладывать у наружных стен, над полом либо в конструкции пола или в специальных плинтусах - коробах в зависимости от высоты отопительного прибора, его вида и расстояния от пола до подоконной доски (расстояние от пола до подоконной доски при новом строительстве при необходимости может быть увеличено на 100-250 мм).

При длинных отопительных приборах, например конвекторах, можно будет применять проходные конвекторы и использовать разностороннее (диагональное) присоединение приборов к горизонтальной ветке, а это во многих случаях улучшает прогреваемость приборов и, следовательно, увеличивает их теплоотдачу. При открытой прокладке горизонтальных веток увеличивается их теплоотдача в помещение, а это в итоге приводит к уменьшению поверхности отопительных приборов и, следовательно, снижается расход металла на их изготовление.

Такая система удобна для монтажа и, как правило, для горизонтальных веток используются трубопроводы одного диаметра. Кроме того, при однотрубной СО можно использовать и более высокие параметры теплоносителя (до 105 О С). При использовании трехходовых кранов (или другом конструктивном решении) можно увеличить количество затекающей в прибор воды, а это уменьшает поверхность нагрева приборов. При таком конструктивном выполнении системы обеспечивается возможность ее ремонта, т.е. замена трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры и отопительных приборов в каждой квартире без вскрытия конструкции пола и т.д.

Неоспоримым достоинством таких систем отопления является то, что для их устройства можно использовать материалы и изделия только Российского производства.

Литература

1. СканавиА.Н., МаховЛ.М. Отопление. УчебникдляВУЗов - М.: Издательство АСВ, 2002. 576 с.

2. СНиП. 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой России. - М.: ФГУП ЦПП, 2004.

3. Ливчак И.Ф. Квартирное отопление. - М.: Стройиздат, 1982.

Высотные здания и санитарно-технические устройства в них зонируются: делятся на части – зоны определенной высоты, разделенные техническими этажами. Оборудование и коммуникации помещаются на технических этажах. В системах отопления, вентиляции и водоснабжения допустимая высота зоны определяется значением гидростатического давления воды в нижних отопи-тельных приборах или других элементах и возможностью размещения оборудо-вания, воздуховодов, труб и других коммуникаций на технических этажах.

Для системы водяного отопления высота зоны в зависимости от гидростатического давления, допустимого как рабочего для отдельных видов отопительных приборов (от 0,6 до 1,0 МПа), не должна превышать (с некоторым запасом) 55 м, при использовании чугунных и стальных приборов (при радиаторах типа МС – 80 м) и 90 м для приборов со стальными греющими трубами.

В пределах одной зоны систему водяного отопления устраивают при водяном теплоснабжении по схеме с независимым присоединением к наружным теплопроводам, т.е. гидравлически изолированной от наружной тепловой сети и от других систем отопления. Такая система имеет собственные водо-водяной теплообменник, циркуляционный и подпиточный насосы, расширительный бак.

Число зон по высоте здания, как и высота отдельной зоны, определяется допустимым гидростатическим давлением, но не для отопительных приборов, а для оборудования в тепловых пунктах, расположенных при водяном теплоснабжении обычно в подвальном этаже. Основное оборудование этих тепловых пунктов, а именно обычного вида водо-водяные теплообменники и насосы, даже изготовленные по специальному заказу, могут выдерживать рабочее давление не более 1,6 МПа. Это означает, что при таком оборудовании высота здания при водо-водяном отоплении гидравлически изолированными системами имеет предел, равный 150…160 м. В таком здании могут быть устроены две (по 75…80 м высотой) или три (по 50…55 м высотой) зональных системы отопления. При этом гидростатическое давление в оборудование системы отопления верхней зоны, находящемся в подвальном этаже, достигнет расчетного предела.

Рис. 5.8. Схема водяного отопления высотного здания:

I и II – зоны здания с водо-водяным отоплением; III – зона здания с пароводяным отоплением; 1 – расширительный бак; 2 – циркуляционный насос; 3 – пароводяной теплообменник; 4 – водо-водяной теплообменник

В зданиях высотой от 160 до 250 м может применяться водо-водяное отопление с использованием специального оборудования, рассчитанного на рабочее давление 2,5 МПа. Может быть также выполнено, если имеется в наличии пар, комбинированное отопление (рис. 5.8): помимо водо-водяного отопления в зонах ниже 160 м, в зоне сверх 160 м устраивается пароводяное отопление.

Теплоноситель пар, отличающийся незначительным гидростатическим давлением, подается на технический этаж под верхней зоной, где оборудуют еще один тепловой пункт. В нем устанавливают пароводяной теплообменник, свои циркуляционный насос и расширительный бак, приборы для качественно-количественного регулирования.

Рис. 5.9. Схема единой системы водо-водяного отопления высотного здания:

1 – водо-водяной теплообменник; 2 – циркуляционный насос; 3 – зональный циркуляционно-повысительный насос; 4 – открытый расширительный бак; 5 – регулятор давления «до себя»

Комплекс комбинированного отопления действует в центральной части главного корпуса Московского государственного университета: в нижних трех зонах устроено водо-водяное отопление с чугунными радиаторами, в верхней четвертой зоне – пароводяное отопление. В зданиях высотой более 250 м предусматривают новые зоны пароводяного отопления или прибегают к электроводяному отоплению.

Для снижения стоимости и упрощения конструкции возможна замена комбинированного отопления высотного здания одной системой водяного отопления, при которой не требуется второй первичный теплоноситель. На рис. 5.10 показано, что в здании может быть устроена гидравлически общая система с одним водо-водяным теплообменником, общими циркуляционным насосом и расширительным баком. Система по высоте здания по-прежнему делится на зональные части по приведенным выше правилам. Вода в зону II и последующие зоны подается зональными циркуляционно-повысительными насосами и возвращается из каждой зоны в общий расширительный бак. Необходимое гидростатическое давление в главном обратном стояке каждой зональной части поддерживается регулятором давления типа «до себя». Гидростатическое давление в оборудовании теплового пункта, в том числе и в повысительных насосах, ограничено высотой установки открытого расши-рительного бака и не превышает стандартного рабочего давления 1 МПа.

Для систем отопления высотных зданий характерны деление их в пределах каждой зоны по сторонам горизонта (по фасадам) и автоматизация регулирования температуры теплоносителя.

Описание:

Рассматриваемые в книге здания можно отнести к категории высотных зданий. Надеемся, что в будущем появится книга об отечественном опыте проектирования инженерного оборудования сверхвысоких зданий, образно называемых небоскребами.

Тепловодоснабжение и отопление высотных жилых зданий

К выходу в свет книги

В. И. Ливчак , вице-президент НП «АВОК», начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы

В Москве спустя полвека после сооружения семи «сталинских» высоток возобновилось строительство высотных зданий. Ныне построены здания выше 40 этажей: в 2003 году – «Эдельвейс» на Давыдковской ул., вл. 3 (высота 176 м, 43 этажа), «Алые Паруса» корпус 4 (179 м, 48 этажей) на Авиационной ул., вл. 77–79; в 2004 году – «Воробьевы Горы» (188 м, 49 этажей) на Мосфильмовской ул., вл. 4–6, «Триумф Палас» – самое высокое жилое здание в Европе (225 м, 59 этажей, со шпилем – 264 м), Чапаевский пер., вл. 2.

Намечаются к строительству не-сколько десятков зданий высотой 30–50 этажей по городской инвестиционной программе «Новое кольцо Москвы». В деловом центре «Москва-Сити» строится ряд небоскребов высотой более 300 м, и апофеозом всего предполагается сооружение башни «Россия» высотой 600 м по проекту английского архитектора Нормана Фостера, к проектированию которой приступили в 2006 году.

Проект жилого дома «Эдельвейс» выполнен ЦНИИЭПжилища, инженерная часть остальных перечисленных высотных жилых зданий, построенных компанией «ДОН-строй», явилась плодом творчества проектно-производственной фирмы «Александр Колубков» под руководством А. Н. Колубкова и носящей его имя. Интересно и то, что «ДОН-строй» сам и эксплуатирует сооружаемые им дома, а потому примененные решения подтверждены практикой их работы.

Опыт, накопленный при проектировании этих зданий и их эксплуатации, был положен в основу книги «Инженерное оборудование высотных зданий», изданной «АВОК-ПРЕСС» в 2007 году под общей редакцией проф. МАрхИ М. М. Бродач.

На наш взгляд, все здания по высоте можно разделить на 5 категорий:

До пяти этажей, где не требуется установка лифтов – малоэтажные здания;

До 75 м (25 этажей), в пределах которых не требуется зонирование по вертикали на пожарные отсеки – многоэтажные здания;

76–150 м – здания повышенной этажности;

151–300 м – высотные здания;

Свыше 300 м – сверхвысокие здания.

Градация кратная 150 м обусловлена изменением расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления и вентиляции – через каждые 150 м она понижается на 1 °С.

Особенности проектирования зданий выше 75 м связаны с тем, что их по вертикали необходимо делить на герметичные пожарные отсеки (зоны), границами которых являются ограждающие конструкции, обеспечивающие требуемые пределы огнестойкости для локализации возможного пожара и нераспространения его на смежные отсеки. Высота зон должна составлять 50–75 м, причем необязательно разделять вертикальные пожарные отсеки техническими этажами, как это принято в теплых странах, где технические этажи не имеют стен и используются для сбора людей при пожаре и последующей их эвакуации. В странах с суровым климатом необходимость технических этажей обусловлена требованиями размещения инженерного оборудования. При установке его в подвальной части только часть этажа, расположенного на границе пожарных отсеков, может быть использована для размещения вентиляторов противодымной защиты, остальная – под рабочие помещения. При каскадной схеме подключения теплообменников, как правило, они вместе с насосными группами размещаются на технических этажах, где им требуется больше места, и занимают этаж полностью, а в сверхвысоких зданиях иногда и два этажа.

Рассматриваемые в книге здания можно отнести к категории высотных зданий. Надеемся, что в будущем появится книга об отечественном опыте проектирования инженерного оборудования сверхвысоких зданий, образно называемых небоскребами.

Ниже будет дан анализ проектных решений по тепловодоснабжению и отоплению перечисленных жилых зданий. И это только часть тематики, которой посвящена рассматриваемая книга, за рамками данной статьи остается анализ передовых решений, реализованных в ряде зарубежных высотных зданий, и особенностей влияния наружного климата, опыт проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха жилых и общественных зданий, систем пожаробезопасности, водоотведения и мусороудаления, автоматизации и диспетчеризации, также приведенных в книге «Инженерное оборудование высотных зданий».

Теплоснабжение

Особенностью проектирования систем тепло- и водоснабжения является то, что все насосное и теплообменное оборудование рассматриваемых высотных жилых зданий расположено на уровне земли или минус первого этажа. Это обусловлено опасностью размещения трубопроводов перегретой воды на жилых этажах, неуверенностью в достаточности защиты от шума и вибрации смежных жилых помещений при работе насосного оборудования и стремлением сохранения дефицитной площади для размещения большего количества квартир.

Такое решение возможно благодаря применению высоконапорных трубопроводов, теплообменников, насосов, запорного и регулирующего оборудования, выдерживающих рабочее давление до 25 атм. Поэтому в обвязке теплообменников со стороны местной воды используют дисковые затворы с воротниковыми фланцами, насосы с U-образным элементом, регуляторы давления «до себя» прямого действия, устанавливаемые на подпиточном трубопроводе, электромагнитные клапаны, рассчитанные на давление 25 атм. в станции заполнения систем отопления.

При высоте зданий выше 220 м в связи с возникновением сверхвысокого гидростатического давления рекомендуется применять каскадную схему подключения зональных теплообменников отопления и горячего водоснабжения, пример такого решения приводится в книге.

Другой особенностью теплоснабжения реализованных высотных жилых зданий является то, что во всех случаях источник теплоснабжения – это городские тепловые сети. Подключение к ним производится через ЦТП, который занимает довольно большую площадь, например, в комплексе «Воробьевы Горы» он занимает 1 200 м 2 с высотой помещения 6 м (расчетная мощность 34 МВт).

ЦТП включает теплообменники с циркуляционными насосами систем отопления разных зон, систем тепло-снабжения калориферов вентиляции и кондиционирования воздуха, систем горячего водоснабжения, насосные станции заполнения систем отопления и системы поддержания давления с расширительными баками и оборудованием авторегулирования, аварийные электрические накопительные водонагреватели горячего водоснабжения. Оборудование и трубопроводы располагаются по вертикали, с тем чтобы в процессе эксплуатации они были легко доступны. Через все ЦТП проходит центральный проезд шириной не менее 1,7 м для возможности перемещения специальных погрузчиков, позволяющих вывезти тяжелое оборудование при его замене (рис. 1).

Рисунок 1.

Такое решение обусловлено еще и тем, что высотные комплексы, как правило, являются многофункциональными по назначению с развитой стилобатной и подземной частью, на которой могут находиться несколько зданий. Поэтому в комплексе «Воробьевы Горы», который включает 3 высотных жилых здания в 43–48 этажей и 4 здания высотой 17–25 этажей, объединенных пятиуровневой стилобатной частью, от этого единого ЦТП отходят технические коллекторы с многочисленными трубопроводами, и для их сокращения в технической зоне высотных корпусов расположили повысительные насосные станции водоснабжения, которые осуществляют подкачку холодной и горячей воды в каждую зону высотных корпусов.

Возможно и иное решение – ЦТП служит для ввода городских тепловых сетей на объект, размещения регулятора перепада давлений «после себя», узла учета тепловой энергии и, при необходимости, установки когенерации и может быть совмещен с одним из индивидуальных локальных тепловых пунктов (ИТП), служащих для присоединения местных систем теплопотребления, близких по расположению к данному тепловому пункту. Из этого ЦТП перегретая вода по двум трубам, а не по нескольким от гребенки, как в предыдущем случае, подается в локальные ИТП, расположенные в других частях комплекса, в том числе и на верхних этажах, по принципу приближенности к тепловой нагрузке. При таком решении нет необходимости присоединения системы внутреннего теплоснабжения калориферов приточных систем по независимой схеме через теплообменник. Калорифер сам является теплообменником и подключается к трубопроводам перегретой воды напрямую с насосным подмешиванием для повышения качества регулирования нагрузки и повышения надежности защиты калориферов от замерзания.

Одним из решений по резервированию централизованного тепло- и электроснабжения высотных зданий может быть устройство автономных мини-ТЭЦ на базе газотурбинной (ГТУ) или газопоршневой (ГПУ) установок, одновременно вырабатывающих оба вида энергии. Современные средства защиты от шума и вибрации позволяют размещать их непосредственно в здании, в том числе и на верхних этажах. Как правило, мощность этих установок не превышает 30–40 % максимальной потребной мощности объекта и в штатном режиме эти установки работают, дополняя централизованные системы энерго-снабжения. При большей мощности когенерационных установок возникают проблемы передачи избытков того или иного энергоносителя в сеть.

В книге приводится алгоритм расчета и подбора мини-ТЭЦ при энергоснабжении объекта в автономном режиме и анализ оптимизации выбора мини-ТЭЦ на примере конкретного проекта. При дефиците только тепловой энергии для рассматриваемого объекта в качестве источника тепло-снабжения может быть принят автономный источник теплоснабжения (АИТ) в виде котельной с водогрейными котлами. Могут использоваться пристроенные, расположенные на крыше или выступающих частях здания либо отдельно стоящие котельные, проектируемые согласно СП 41–104–2000. Возможность и место размещения АИТ следует увязывать со всем комплексом его воздействия на окружающую среду, в том числе и на жилое высотное здание.

Отопление

Системы водяного отопления высотных зданий зонируются по высоте и, как уже было сказано, если пожарные отсеки разделяются техническими этажами, то зонирование систем отопления, как правило, совпадает с пожарными отсекам, т. к. технические этажи удобны для прокладки разводящих трубопроводов. При отсутствии технических этажей зонирование систем отопления может не совпадать с разделением здания на пожарные отсеки. Органами пожарного надзора допускается пересечение границ пожарных отсеков трубопроводами водонаполненных систем, и высота зоны определяется значением допустимого гидростатического давления для нижних отопительных приборов и их обвязки.

Первоначально проектирование зональных систем отопления проводилось, как для обычных многоэтажных зданий. Применялись, как правило, двухтрубные системы отопления с вертикальными стояками и нижней разводкой подающей и обратной магистралей, проходящих по техническому этажу, что позволяло включать систему отопления, не дожидаясь возведения всех этажей зоны. Такие системы отопления были реализованы в жилых комплексах «Алые Паруса», «Воробьевы Горы», «Триумф Палас». Каждый стояк оборудуется автоматическими балансировочными клапанами для обеспечения автоматического распределения теплоносителя по стоякам, а каждый отопительный прибор – автоматическим терморегулятором с повышенным гидравлическим сопротивлением для предоставления жильцу возможности установления нужной ему температуры воздуха в помещении и сведения к минимуму влияния гравитационной составляющей циркуляционного напора и включения/выключения термостатов на других отопительных приборах, подключенных к данному стояку.

Далее, во избежание разбалансировки системы отопления, связанной с несанкционированным изъятием термостатов в отдельных квартирах, что неоднократно имело место на практике, было предложено переходить на систему отопления с верхней разводкой подающей магистрали с попутным движением теплоносителя по стоякам. Это выравнивает потери давления циркуляционных колец через отопительные приборы независимо от того, на каком этаже они расположены, повышает гидравлическую устойчивость системы, гарантирует удаление воздуха из системы и облегчает настройку терморегуляторов.

Однако впоследствии, в результате анализа различных решений, проектировщики пришли к выводу, что наилучшей системой отопления, особенно для зданий без технических этажей, являются системы с поквартирной горизонтальной разводкой, подключаемые к вертикальным стоякам, проходящим, как правило, по лестничной клетке, и выполненным по двухтрубной схеме с нижней разводкой магистралей. Такая система запроектирована в венчающей части (9 этажей третьей зоны) высотного комплекса «Триумф Палас» и в строящемся 50-этажном доме без промежуточных технических этажей на ул. Пырьева, д. 2.

Поквартирные системы отопления оборудуются узлом с запорной, регулирующей с помощью балансировочных клапанов и спускной арматурой, фильтрами и прибором учета тепловой энергии. Этот узел должен располагаться вне квартиры на лестничной клетке для беспрепятственного доступа службы эксплуатации. В квартирах более 100 м 2 подключение производится не петлей, периметрально проложенной по квартире (поскольку при увеличении нагрузки возрастает диаметр трубопровода, а вследствие этого усложняется монтаж и повышается стоимость из-за применения дорогих фитингов большого размера), а через промежуточный квартирный распределительный шкаф, в котором устанавливается гребенка, и от нее теплоноситель по лучевой схеме трубопроводами меньшего диаметра направляется к отопительным приборам по двухтрубной схеме.

Трубопроводы применяют из термостойких полимерных материалов, как правило, из сшитого полиэтилена РЕХ (обоснование его использования приводится в книге), прокладка выполняется в подготовке пола. Расчетные параметры теплоносителя, исходя из технических условий на такие трубопроводы, 90–70 (65) °С из опасения, что дальнейшее понижение температуры приводит к значительному росту поверхности нагрева отопительных приборов, что не приветствуется инвесторами из-за роста стоимости системы. Опыт применения металлопластиковых труб в системе отопления комплекса «Триумф Палас» был признан неудачным. В процессе эксплуатации в результате старения разрушается клеевой слой и внутренний слой трубы «схлопывается», вследствие чего сужается проходное сечение и система отопления перестает нормально работать.

Авторы книги считают, что при поквартирной разводке оптимальным решением является применение автоматических балансировочных клапанов ASV-P (PV) на обратном трубопроводе и запорно-измерительных клапанов ASV-М (ASV-1) на подающем. Использование этой пары клапанов дает возможность не только компенсировать влияние гравитационной составляющей, но и ограничивать расход на каждую квартиру в соответствии с параметрами. Клапаны, как правило, подбираются по диаметру трубопроводов и настраиваются на поддержание перепада давлений на уровне 10 кПа. Такая величина настройки клапанов выбирается исходя из значения требуемых потерь давления на радиаторных терморегуляторах для обеспечения их оптимальной работы. Ограничение расхода на квартиру задается настройкой на клапанах ASV-1, причем учитывается, что в этом случае потери давления на данных клапанах необходимо включить в перепад давлений, поддерживаемый регулятором ASV-РV.

Применение поквартирных горизонтальных систем отопления по сравнению с системой c вертикальными стояками приводит к уменьшению протяженности магистральных трубопроводов (они подходят только к лестничному стояку, а не к самому удаленному стояку в угловой комнате), снижению потерь теплоты трубопроводами, упрощению поэтажного ввода здания в эксплуатацию и повышению гидравлической устойчивости системы. Стоимость устройства поквартирной системы ненамного отличается от стандартных с вертикальными стояками, однако срок службы выше за счет применения труб из термостойких полимерных материалов.

В поквартирных системах отопления значительно проще и с абсолютной наглядностью для жильцов можно осуществить учет тепловой энергии. Надо согласиться с мнением авторов, что хотя установка теплосчетчиков не относится к энергосберегающим мероприятиям, однако, оплата за фактически потребленную тепловую энергию является мощным стимулом, заставляющим жителей бережно относиться к ее расходованию. Естественно, достигается это, в первую очередь, обязательным применением термостатов на отопительных приборах. Опыт их эксплуатации показал, что во избежание влияния на тепловой режим смежных квартир в алгоритм управления термостатом должно быть введено ограничение снижения температуры в обслуживаемой ими комнаты не ниже 15–16 °С, а отопительные приборы следует подбирать с запасом мощности не менее 15 %.

Водоснабжение

Для повышения надежности водо-снабжения в зданиях до 250 м преду-сматривают не менее двух вводов от независимых водопитателей (отдельных линий наружной кольцевой водопроводной сети), при большей высоте каждый ввод прокладывается в две линии, каждая из которых должна быть рассчитана на пропуск не менее 50 % расчетного расхода.

С целью повышения надежности и обеспечения бесперебойности в работе горячего водоснабжения во всех высотных жилых домах предусматривают дополнительно к скоростным водоводяным водонагревателям установку емкостных электроводонагревателей, включающихся во время отключения теплосети на плановые профилактические работы или аварии. Объем этих резервных водонагревателей подбирается из расчета полуторачасового пикового расхода горячей воды. Мощность нагревательного элемента назначается таким образом, чтобы время нагрева данного объема воды составляло 8 часов – это промежуток между пиковыми утренним и вечерним водозаборами.

Как правило, резервных электроводонагревателей много (есть объекты, где их количество достигает 13 шт.), и для стабильности их работы следует включение водонагревателей осуществлять по схеме с попутным движением воды. Если по подключении горячей воды водонагреватель стоит первым, по подводу нагреваемой воды он должен быть последним. Рабочее давление электроводонагревателей не превышает 7 атм. Этим обуславливается высота зоны систем водоснабжения. Поэтому и необязательно, чтобы количество зон в системах водоснабжения совпадало с отоплением. Так, в 50-этажном жилом доме по ул. Пырьева предусматривается по вертикали 3 зоны для системы отопления и 4 – для горячего и холодного водоснабжения (рис. 2). У последних систем количество зон совпадает для возможности осуществления резервирования между ними.

Рисунок 2 () Зонирование инженерных систем

Другой особенностью системы горячего водоснабжения перечисленных высотных зданий является то, что независимо от числа зон устанавливается единый теплообменник на всю систему, и затем отдельными повысительными насосными станциями горячая вода закачивается в соответствующую зону. Также и по холодной воде рядом находятся свои повысительные насосные станции на каждую зону, что повышает надежность системы водо-снабжения, позволяя в нештатных ситуациях осуществлять водоснабжение по трубопроводам горячей воды.

Подключение циркуляционных трубопроводов разных зон к общей гребенке происходит через узел, включающий в себя, кроме запорной арматуры и обратного клапана, регулятор давления «после себя» и регулятор расхода. Такая схема была принята после множества проб и ошибок. Сначала устанавливались регулирующие клапаны с электрическим управлением. В процессе эксплуатации выяснилось, что их скорости срабатывания не хватает для нормальной работы. Требовалось найти оборудование, способное более оперативно а реагировать на изменение давления в циркуляционном трубопроводе. В результате были выбраны регуляторы давления прямого действия. Первоначально их поставили без регуляторов расхода, но поскольку циркуляционные насосы способствуют завоздушиванию, данные регуляторы давления начали работать как дроссели с недопустимыми шумами. Для устранения этого дефекта систему пытались отрегулировать более тщательно, но затем поставили регуляторы расхода, после чего описанный эффект исчез.

Чтобы изменение давления в городском водопроводе не влияло на стабильность поддержания давления насосными станциями, на вводе водопровода установлен регулятор давления «после себя». Если до установки этого регулятора разброс давлений составил 0,6–0,9 атм., то после установки он стабилизировался на уровне 0,2–0,4 атм. На вводе горячего водо-снабжения (после теплообменников, перед насосной станцией каждой зоны) также установлены свои регуляторы давления «после себя», благодаря которым исключаются ложные срабатывания обратных клапанов и включение резервных насосов без особой на то необходимости.

Система водоснабжения, как правило, организуется с горизонтальной поквартирной разводкой. Такое решение успешно реализовано в высотных жилых комплексах «Воробьевы Горы», «Триумф Палас» и на ул. Пырьева. В этом случае стояки системы водо-снабжения проложены в лестнично-лифтовом холле, откуда обеспечивается ввод в квартиру трубопроводов горячей и холодной воды. Система оснащена счетчиками холодной и горячей воды, которые вместе с фильтрами и регуляторами давления установлены в распределительных шкафах в лестнично-лифтовом холле. Во избежание перетока воды (из холодной магистрали в горячую и наоборот), возникающего в результате неправильной эксплуатации сантехнического оборудования, на вводах в квартиры на подающих трубопроводах холодной и горячей воды устанавливаются обратные клапаны.

Разводка трубопроводов от стояков до квартир и в квартирах выполняется из труб сшитого полиэтилена (РЕХ-труб). В квартирах целесообразно применять коллекторную разводку, когда к каждому водоразборному прибору вода подается от коллектора по отдельной трубе, это сводит к минимуму влияние соседних приборов друг на друга (при включении одного смесителя меняется температура излива на другом). Стояки прокладываются из стальных труб, и так же, как в системе отопления, стояки горячего водоснабжения оборудуются компенсаторами и неподвижными опорами. Расчетная циркуляция в объем 40 % от расчетного водоразбора выставляется при помощи регулирующей и балансировочной арматуры.

При горизонтальной разводке системы горячего водоснабжения можно отказаться от установки полотенцесушителей. Опыт эксплуатации показал, что даже в зданиях, оборудованных полотенцесушителями, до 70 % владельцев квартир не пользуются ими. Они либо оставляют ванную комнату вообще без полотенцесушителей, либо пользуются электрическими полотенцесушителями. Использование электрических полотенцесушителей, с точки зрения владельца квартиры, более удобно, поскольку он включается только по мере необходимости.

Таковы решения систем тепловодоснабжения и отопления самых высоких жилых зданий, построенных к настоящему времени в Москве. Они понятны, логичны и принципиально не отличаются от решений, применяемых при проектировании обычных многоэтажных зданий высотой менее 75 м, за исключением разделения систем отопления и водоснабжения на зоны. Но внутри каждой зоны сохраняются стандартные подходы выполнения этих систем. Обращается большее внимание к установкам заполнения систем отопления и поддержания давления в них и на каждом этаже систем водоснабжения, а также в циркуляционных линиях от разных зон перед подключением их к общей гребенке, автоматическому регулированию подачи тепла и распределению теплоносителя для реализации комфортного и экономичного режимов, резервированию работы оборудования для обеспечения бесперебойного снабжения потребителей теплом и водой.

Отличительной особенностью является применение для целей бесперебойного снабжения горячей водой аварийных емкостных электроводонагревателей на полуторачасовой запас воды. Но представляется, что их возможности используются не в полной мере. Помимо включения их при аварии или планово-предупредительном ремонте тепловых сетей, они могли бы быть обвязаны таким образом, чтобы их емкость использовалась для снятия пиковых тепловых нагрузок на систему теплоснабжения.

Эта остроумная схема, предложенная прародителем техники горячего водоснабжения А. В. Хлудовым, включает водонагреватель, бак-аккумулятор и насос, выполняющий функцию зарядки бака горячей водой (рис. 3). При заряженном аккумуляторе холодная вода параллельными потоками поступает в водонагреватель и в бак-аккумулятор, вытесняя снизу вверх горячую воду из аккумулятора в систему потребителя. Таким образом, при большом водоразборе потребитель получает в свою систему горячую воду из водонагревателя и аккумулятора. При уменьшении водоразбора насос выдавливает избыток нагретой в водонагревателе воды в бак-аккумулятор, вытесняя тем самым из нижней части аккумулятора холодную воду в водонагреватель, т. е. происходит зарядка аккумулятора. Это позволяет выравнить нагрузку на водонагреватель и снизить его поверхность нагрева.

К недостаткам принимаемых решений следует отнести игнорирование использования энергосберегающих решений, таких как частичное замещение энергопотребности за счет применения автономных энергопроизводящих газотурбинных или газопоршневых установок, солнечных фотоэлектрических или водонагревающих элементов, тепловых насосов, использующих низкопотенциальную энергию грунта, вентиляционных выбросов. Также следует отметить недостаточное использование централизованного холодоснабжения для повышения комфорта проживания в квартирах и устранения негативного влияния на архитектуру здания бессистемно развешанных на фасаде внешних блоков сплит-систем. Высотные здания, будучи передовыми в части архитектурно-конструктивных решений, должны быть примером по реализации перспективных технологий в инженерных системах.