Двухступенчатая схема ГВС

Двухступенчатая схема ГВС — способ приготовления горячей воды в тепловом пункте, при котором холодная водопроводная вода нагревается последовательно в двух водоподогревателях: сначала обратной водой системы отопления, затем сетевой водой из подающего трубопровода. За счёт утилизации теплоты обратки такая схема снижает расход сетевой воды и температуру возврата в тепловую сеть по сравнению с одноступенчатым (параллельным) присоединением. Ниже разобраны принцип работы обеих ступеней, разновидности схемы, условия применения и правила выбора между двухступенчатым и одноступенчатым вариантами.

Назначение и место в схеме ИТП

Приготовление горячей воды в закрытых системах теплоснабжения выполняется в тепловом пункте — индивидуальном (ИТП) или центральном (ЦТП). Водопроводная вода нагревается через поверхность водоподогревателя (теплообменника) сетевой водой; напрямую в систему ГВС теплоноситель из сети не поступает. Задача узла ГВС — стабильно держать нормируемую температуру горячей воды у потребителя при переменном водоразборе и переменном температурном графике сети.

Схема присоединения водоподогревателей ГВС в закрытых системах может быть построена по одноступенчатой или двухступенчатой схеме. В одноступенчатой воду нагревают в единственном теплообменнике сетевой водой из подающего трубопровода. В двухступенчатой нагрев разбит на две последовательные ступени, и первая из них питается не подающей, а обратной сетевой водой — той, что уже отдала часть теплоты в системе отопления. Именно это отличие и даёт двухступенчатой схеме её главное свойство — экономию сетевой воды и снижение температуры обратки.

Смысл двух ступеней — сначала «добрать» бесплатную теплоту из обратки, а сетевой водой из подачи лишь догреть воду до заданной температуры.

Как работает двухступенчатая схема

Нагреваемая (водопроводная) вода проходит два водоподогревателя, включённых по нагреваемой стороне последовательно.

1. I ступень — предварительный подогрев. Холодная водопроводная вода поступает в первый (нижний) водоподогреватель, где греется обратной водой тепловой сети, отводимой после системы отопления здания. Вода подогревается до промежуточной температуры без затрат «свежего» теплоносителя из подачи.
2. II ступень — догрев. Предварительно подогретая вода направляется во второй водоподогреватель, где догревается сетевой водой из подающего трубопровода до расчётной температуры горячей воды. Расход греющей воды на эту ступень регулируется по датчику температуры ГВС.
3. Разбор и циркуляция. Готовая горячая вода подаётся потребителям; циркуляционный контур ГВС компенсирует остывание воды в разводящих трубопроводах и, как правило, подключается между ступенями либо к промежуточному патрубку водоподогревателя-моноблока.

Поскольку доля теплоты, снимаемая с обратки в первой ступени, тем больше, чем ниже температура холодной воды, зимой первая ступень работает наиболее эффективно. По мере снижения температуры теплоносителя в подаче нагрузка перераспределяется: на второй ступени она снижается, на первой — возрастает.

Использование обратной воды

Ключевая идея схемы — вернуть в дело теплоту обратной сетевой воды. После системы отопления обратка сохраняет значительный температурный потенциал относительно холодной водопроводной воды (температура которой в отопительный период при отсутствии данных принимается равной 5 °C). Эта разность температур и позволяет предварительно подогреть водопроводную воду в первой ступени, не расходуя дополнительный поток из подающего трубопровода.

Эффект двоякий. Во-первых, снижается требуемый расход сетевой воды: часть тепловой нагрузки ГВС покрывается уже «оплаченной» теплотой обратки, а не догревом из подачи. Во-вторых, дополнительно охлаждается обратная сетевая вода перед возвратом на источник, что улучшает работу тепловой сети и повышает эффективность выработки теплоты.

Смешанная и последовательная схемы

Двухступенчатое присоединение реализуется в двух основных вариантах, различающихся способом подключения первой ступени к контуру отопления.

Двухступенчатая смешанная

Наиболее распространённый в отечественной практике вариант. Первая ступень включается на обратный трубопровод после отопления, при этом расход греющей воды на неё зависит от режима системы отопления, а вторая ступень догревает воду из подачи под управлением регулятора температуры ГВС. Схема относительно проста, устойчиво работает при одном регуляторе температуры и не требует специальной увязки расходов. Именно смешанную схему чаще всего собирают в блочных ИТП, в том числе в виде водоподогревателя-моноблока с двумя ступенями в одном корпусе.

Двухступенчатая последовательная

Первая ступень включается в рассечку контура отопления (последовательно с системой отопления по греющей стороне). Такая схема при благоприятных условиях даёт ещё большее снижение расхода сетевой воды, но сложна в регулировании: для корректной работы требуется совместная работа регулятора расхода и регулятора температуры, что на практике реализуется тяжело. Из-за этого последовательный вариант применяют существенно реже смешанного.

Выбор схемы: соотношение нагрузок

Выбор между одноступенчатой и двухступенчатой схемой в закрытых системах теплоснабжения выполняется по соотношению максимального теплового потока на горячее водоснабжение Q_hmax и максимального теплового потока на отопление Q_omax.

Логика проста: при малой нагрузке ГВС относительно отопления утилизировать теплоту обратки почти нечем — достаточно одной ступени. При большой нагрузке ГВС (соизмеримой с отоплением или превышающей его) обратки не хватает для предварительного подогрева всего потока, и переходят к параллельной одноступенчатой схеме. Двухступенчатая же схема эффективна в промежуточном диапазоне, характерном для жилых зданий.

Действующие нормы дополнительно рекомендуют применять двухступенчатую схему для систем с расчётным температурным графиком 130–70 °C и выше при соотношении тепловой нагрузки ГВС и отопления до 1,2. Окончательный выбор схемы при нескольких допустимых вариантах подтверждается технико-экономическим расчётом с учётом параметров конкретной сети.

Температурные параметры и нормы

Двухступенчатая схема должна обеспечивать нормируемую температуру горячей воды у потребителя. Температура горячей воды в местах водоразбора централизованной системы ГВС должна быть не ниже 60 °C и не выше 75 °C. Температуру воды на выходе из водоподогревателя выбирают из условия обеспечения нормируемой температуры в точках разбора, но не более 75 °C.

Нижний предел 60 °C связан не только с комфортом, но и с санитарной безопасностью: при более низкой температуре в системе ГВС возрастает риск размножения микроорганизмов. Верхний предел 75 °C ограничивает риск ожога и ускоренного износа оборудования и трубопроводов. Поддержание температуры обеспечивается автоматическим регулятором на второй ступени.

Экономия сетевой воды

Основной технический эффект двухступенчатой схемы — снижение расхода сетевой (греющей) воды на тепловой пункт по сравнению с параллельной одноступенчатой схемой. Часть нагрузки ГВС покрывается теплотой обратки, поэтому из подающего трубопровода требуется меньший поток для догрева.

Практические следствия для тепловой сети и оборудования:

• снижается расчётный расход сетевой воды, а значит — потребные диаметры трубопроводов и мощность сетевых насосов;
• дополнительно охлаждается обратная вода, что повышает эффективность источника теплоты и высвобождает транспортный резерв сети;
• при равной тепловой нагрузке смешанная схема даёт заметное снижение расхода сетевой воды относительно параллельной одноступенчатой; последовательная схема при благоприятных условиях снижает его ещё сильнее, но проигрывает в управляемости.

Условия применения и ограничения

Двухступенчатая схема оправдана при совпадении нескольких условий:

• Закрытая система теплоснабжения. В открытых системах горячая вода отбирается непосредственно из сети, и водоподогреватели ГВС в привычном виде не применяются.
• Достаточный температурный график. Наибольший эффект и нормативная рекомендация — при перегретой сетевой воде, графики 130–70 °C и выше.
• Промежуточное соотношение нагрузок. Диапазон Q_hmax/Q_omax примерно от 0,2 до 1,0 (по нормам — до 1,2 для высоких графиков).
• Наличие места и обоснования. Двухступенчатая схема сложнее и требует двух ступеней нагрева либо моноблока, поэтому её целесообразность подтверждают расчётом.

Ограничения связаны в первую очередь с низкотемпературными графиками и с режимом, когда система отопления отключена. В тёплый период, когда отопление не работает и обратки для первой ступени нет, двухступенчатую установку переводят на работу по параллельной (одноступенчатой) схеме — вторая ступень догревает воду из подачи самостоятельно.

Оборудование ступеней

Ступени выполняют на водоподогревателях (теплообменниках) двух основных конструктивных типов.

Кожухотрубные (секционные)

Горизонтальные водо-водяные подогреватели из блоков-секций кожухотрубного типа. Обозначение и типоразмеры регламентированы отраслевым стандартом. Отличаются ремонтопригодностью и устойчивостью к загрязнённой воде, но занимают больше места и уступают пластинчатым по компактности и коэффициенту теплопередачи.

Пластинчатые

Компактные аппараты с развитой поверхностью теплообмена и высоким коэффициентом теплопередачи. Широко применяются в блочных ИТП. Обе ступени могут быть выполнены как два отдельных теплообменника либо как единый водоподогреватель-моноблок с двумя последовательными ступенями в одном корпусе; циркуляционный трубопровод ГВС при этом подключается к промежуточному патрубку или к линии между ступенями.

Ошибки и рекомендации

• Применение на низком графике. Установка двухступенчатой схемы на сети 95–70 °C обычно не даёт выигрыша и грозит переохлаждением обратки — целесообразнее одноступенчатая схема.
• Игнорирование летнего режима. Нужно заранее предусмотреть перевод установки на параллельную работу при отключённом отоплении.
• Ставка на последовательную схему без нужды. Из-за сложного регулирования её выбирают только при явной технической необходимости и соответствующих требованиях условий подключения.
• Отсутствие циркуляционного контура. Без корректно подключённой циркуляции ГВС не удержать нормируемую температуру у удалённых потребителей.
• Подбор без проверки гидравлики. Первую ступень проверяют по потерям давления в характерных режимах, включая точку излома температурного графика.