Опыт реконструкции системы теплоснабжения сельского храма. Часть 3 Проект котельной
10. Проект котельной
10. 1. Строительно-архитектурные решения
Для устройства котельной в подвале храма было выделено неиспользуемое помещение площадью 13 м2 и высотой потолков 2, 2 м.
Помещение было разгорожено стеной из пеноблоков на две части. Первое помещение — проходное, для установки котла и тепломеханического оборудования; второе, меньшего размера, для топливных баков.
Стены котельной были выкрашены белой влагостойкой краской, пол покрыт керамогранитной плиткой.
Под основание котла выполнен постамент высотой 10 см.
В соответствии с действующими нормами в котельной устроено окно (Рисунок 10. 1. 5).
Оконный проем используется для естественной инсоляции помещения, проветривания, а также для заправки топливных баков.
10. 2. Тепломеханическое оборудование
Принципиальная схема котельной приведена на Рисунке 10. 2. 1
В котельной установлен 1 одноконтурный стальной котел ACV 3N полезной мощностью 51 кВт с вентиляторной дизельной горелкой BTL 6H мощностью 32 — 74 кВт.
Циркуляция теплоносителя в отопительном контуре выполняется в принудительном режиме (применен трехскоростной насос Wester 32-80G). Компенсация температурного расширения теплоносителя осуществляется при помощи мембранного расширительного бака Wester WRV100. Для повышения надежности теплоснабжения в контуре сохранен старый насос Grundfos, позволяющий поддерживать циркуляцию при неисправности основного насоса.
Электрический и дизельный котлы соединены последовательно и представляют собой две ступени нагрева. Первая ступень — электрический котел, вторая — дизельный. Электрический котел предназначен для работы в номинальном режиме, дизельный котел включается для покрытия пиков тепловых нагрузок.
В котельном контуре смонтированы три воздухоотводчика: на расширительном баке, на группе безопасности котла, и на подающем трубопроводе. На подающем и обратном трубопроводе установлены термоманометры показывающие. Для ремонта и обслуживания оборудования используются отсечные задвижки.
Заполнение системы теплоносителем выполняется через спускной кран, установленный в нижней точке системы с использованием погружного насоса из переносной емкости.
Трубопроводы котельной выполнены из черной трубы Dy40 на резьбе. Контур котельной соединен с внутренней отопительной разводкой храма последовательно, без гидравлического разделителя.
Регулирование отпуска тепла котельной — количественное и качественное. Количественное регулирование осуществляется путем переключения скоростей основного насоса, включением и выключением дополнительного насоса. Для качественного регулирования системы используются термостаты котлов. Дополнительная возможность снижения тепловой нагрузки в переходный период реализуется путем регулирования потока теплоносителя через радиаторы отопления.
10. 3. Отопление и вентиляция
В помещении котельной не потребовалась установка отопительных приборов, поскольку по нему проходят неизолированные трубы металлические трубы обвязки. Дополнительной теплоотдачей обладает и тепломеханическое оборудование.
Из помещения котельной по внешней стене здания храма поднимается кирпичный короб, внутри которого смонтированы дымовая и вентиляционная трубы.
Дымовая труба выполнена из нержавеющей стали Dy150, вентиляционная — асбестовая Dy200. Короб имеет засыпную керамзитовую тепловую изоляцию. Высота каналов составляет 5 м. Сверху короб закрыт металлическим оголовком. На входе в помещение котельной сечение вентиляционного канала регулируется шибером.
Внутри вентиляционной трубы запроектирован дополнительный вентиляционный канал Dy50, соединенный с дыхательной системой топливных баков, выходящий под оголовок короба и оканчивающийся лабиринтным дыхательным клапаном, предназначенным для сброса паров топлива.
Дополнительная вентиляция помещения котельной может осуществляться также и через технологическое подвальное окно.
Запроектированная система вентиляции позволяет эффективно удалять пары топлива и отработанные газы из помещения котельной, обеспечивает безопасный режим работы обслуживающего персонала.
10. 4. Электроснабжение
Электроснабжение котла и циркуляционных насосов котельной осуществляется от распределительного устройства храма. Дизельная горелка является ответственным потребителем, требующего качественного и постоянного электропитания. В случае скачков напряжения ухудшается процесс горения, могут выйти из строя ответственные узлы горелки.
В то же время деревенские сети не могут обеспечить качественное и бесперебойное электроснабжение. В течение отопительного сезона происходит около 10 длительных отключений от нескольких часов до суток. Уровень напряжения не превышает 160 — 180 В. Помимо некорректной работы горелки останавливается насос и прекращается циркуляция теплоносителя. При отсутствии постоянного персонала эти события могут привести к аварии и поломке оборудования.
Стандартным выходом из данной ситуации является установка индивидуального блока питания (ИБП) для поддержания работоспособности котельной установки. ИБП выполняет функции стабилизатора напряжения, а кроме того обеспечивает питание потребителей при снижении напряжения в сетях ниже критического уровня, а также при полном обесточивании питающих линий.
На практике используется два основных решения: ИБП с аккумуляторными батареями (АКБ) минимальной емкости плюс автономная электростанция, либо ИБП с АКБ большой емкости.
Первое решение позволяет поддержать нагрузку потребителей с использованием АКБ в течение нескольких минут до включения электростанции (генератора). Для этого применяются генераторы с АВР, либо привлекается постоянный обслуживающий персонал. Данное решение используется обычно на крупных объектах, имеющих существенные нагрузки потребителей 1 категории. Резервирование таких нагрузок только от ИБП оказывается очень затратным.
Второе решение экономически целесообразно при небольших нагрузках, требующих резервирования. В этом случае необходимый запас энергии может «храниться» во внешних АКБ. Для этих целей обычно используются свинцово-кислотные герметичные батареи. В рассматриваемом случае именно такой вариант оказался наиболее приемлемым. Помимо более низкой стоимости ИБП и простоты схемы важным плюсом является отсутствие шума, традиционно сопровождающего работу дизельного генератора.
В соответствии с электротехническим расчетом был выбран ИБП SKAT UPS 1000 мощностью 1000 ВА. Три внешние АКБ емкостью по 100 Ач способны обеспечить работу котельной в течение суток при условии эксплуатации циркуляционного насоса на 1 скорости.
Для повышения надежности системы вспомогательный циркуляционный насос был запитан напрямую от сети, минуя ИБП. Такое решение позволяет сохранить циркуляцию в контуре в случае выхода ИБП из строя.
Наиболее крупным потребителем котельной является электрический котел, также запитанный непосредственно от щитовой храма.
10. 5. Топливоснабжение
Резервуары с дизельным топливом размещены в помещении, смежном с котельной. Питание котельной топливом выполнено от батареи топливных баков, размещенных в смежном помещении. Всего в помещении топливной размещены пять вертикальных пластиковых баков емкостью по 750 л.
Суммарная емкость топливных баков составляет 3, 5 м3 при 95% наполнении.
Помещение топливной обогревается теплом, поступающим из смежного котельного помещения, температура в нем не опускается ниже +15°С, поэтому для заправки может использоваться летнее дизельное топливо. Доставка топлива осуществляется бензовозом с длиной топливного шланга 50 м, что позволяет машине не заезжать на территорию храма. Топливный шланг бензовоза протягивается через оконный проем в котельной и фиксируется в топливном баке. Емкости для дизельного топлива заправляются последовательно. Во время заправки помещение котельной тщательно проветривается от паров дизельного топлива.
Конструкция заборных устройств топливных баков рассчитана на нижний забор топлива. Данное решение не вполне удачно, поскольку в нижней части баков скапливаются загрязнения, и в перспективе планируется реконструировать систему топливоподачи для обеспечения верхнего забора.
Проходя по трубопроводу топливо попадает в фильтр (Рисунок 10. 5. 2), очищается от примесей, а затем поступает в горелку.
10. 6. Совместная работа электрического и дизельного котлов
Последовательное соединение электрического и дизельного котлов позволяет оптимизировать затраты на обогрев храма, исходя из текущей стоимости дизельного топлива и электроэнергии.
При сложившемся соотношении цен прямое электроотопление оказывается дешевле дизельного. В этой ситуации целесообразно использовать электрокотел для обеспечения базовой тепловой нагрузки, а дизельный котел использовать для покрытия пиковых нагрузок. Это достигается путем настройки термостатов котлов: температура включения на дизельном котле устанавливается выше, чем на электрическом.
Такой режим эксплуатации котельной выгоден, поскольку обслуживание электрокотла проще и дешевле по сравнению с дизельным.
Последовательная схема включения котлов повышает надежность системы даже без применения сложной автоматики. Так, при отключении электропитания тепловые нагрузки полностью покрываются от дизельного котла. При аварийном отключении дизельного котла (закончилось топливо, засорился фильтр, вышла из строя горелка и т. п. ) нагрузку несет электрокотел.
При условии совместной работы дизельного и электрического котлов, достаточно заправки топливных баков один раз в 2 года.
При изменении соотношения цен, в ситуации, когда электрообогрев становится дороже, дизельному котлу может быть выделен более высокий приоритет, а электрокотел — переведен в горячий резерв. Реализация данной схемы совместной работы котлов требует применения соответствующей системы автоматики и более частой заправки баков — 2-3 раза за отопительный сезон.
11. Внутренняя разводка системы отопления
Подача расчетного количества тепла в храм потребовала реконструкции внутренней разводки системы отопления. Задача стояла в доведении теплоотдачи отопительных приборов до расчетного уровня.
Основная проблема реконструкции заключалась в том, что в действующем храме оказалось недостаточно места для установки дополнительных радиаторов. Поэтому были рассмотрены два варианта: замена существующих чугунных радиаторов на отопительные приборы, имеющие большую теплоотдачу и воздушное отопление, совмещенное с механической приточно-вытяжной вентиляцией.
После детального анализа, от варианта воздушного отопления пришлось отказаться, поскольку его реализация была связана с рядом инженерных проблем.
Среди имеющихся на рынке радиаторов только отопительные приборы производства компании Kermi удалось вписать в существующие ниши при условии достижения расчетной теплоотдачи. Для этого были выбраны стальные трехпанельные радиаторы высотой 900 мм и боковым подключением. Для установки на солее храма в условиях большей стесненности были использованы радиаторы высотой 600 мм. Суммарная теплоотдача выбранных радиаторов составила 36 кВт. Кроме того, два демонтированных чугунных радиатора были установлены в притворе, который ранее не отапливался. Перечень установленных отопительных приборов приведен в Таблице 11. 1.
Таблица 11. 1. Перечень установленных отопительных приборов
| № п/п | Прибор отопления | Количество, шт. |
|---|---|---|
| Храм | ||
| 1 | Kermi FKO 33-06-700 | 2 |
| 2 | Kermi FKO 33-09-800 | 3 |
| 3 | Kermi FKO 33-09-1000 | 2 |
| 4 | Kermi FKO 33-09-1100 | 1 |
| 5 | Kermi FKO 33-09-1800 | 1 |
| Притвор | ||
| 6 | МС-140×8 секций | 2 |
| ИТОГО: | 11 |
Расположение радиаторов показано на Рисунке 11. 1.
При выборе радиаторов изучалась возможность заказа цветных моделей под цвет интерьера храма, но данный вариант не был реализован из-за существенной наценки на цветные модели, а также длительных сроков поставки.
Монтаж отопительных приборов осуществлялся на существующую подводку, выполненную из металлических труб на сварке. Для лучшей циркуляции теплоносителя и снижения вероятности завоздушивания радиаторов была применена диагональная схема подключения.
В алтаре и на солее было принято решение о монтаже радиаторов на полипропиленовой подводке, что позволило исключить использование газовой сварки, выполнить работы максимально аккуратно и эстетично.
Использование полипропиленовых труб в системе теплоснабжения обладает рядом особенностей. С одной стороны, полипропилен, в отличие от металла, не подвержен коррозии, что является его несомненным плюсом. С другой стороны, длительные сроки службы изделий — до 40 лет, заявляемые производителями, рассчитаны на условия эксплуатации при относительно низкой температуре теплоносителя и небольшом давлении. На практике, особенно в российских условиях, температура в системе отопления достигает значений +90°С — +95°С, что приводит к преждевременному старению полимерных трубопроводов. Учитывая данное обстоятельство, для длительной безаварийной эксплуатации температуру в системе было рекомендовано ограничить +75°С.
Для регулирования теплоотдачи системы были смонтированы угловые радиаторные краны вентильного типа (Рисунок 11. 3) на прямой и обратной подводке к отопительным приборам. Для спуска воздуха из радиаторов используется штатная арматура.
В качестве теплоносителя был применен антифриз «Dixis top» на основе пропиленгликоля с исходной концентрацией 44%.
Данный антифриз безопасен для человека, позволяет избежать размораживания системы отопления в аварийной ситуации.
После завершения реконструкции, объем системы отопления составил 350 л. Теплоноситель был разбавлен чистой водой в пропорции 2:1. Полученная концентрация — около 30% позволяет избежать кристаллизации антифриза при температуре до −15°С, а при более низкой температуре не приводит к повреждению системы. Разбавление теплоносителя необходимо для нормальной эксплуатации в системе с резиновыми уплотнениями, использованными в насосах, накидными гайками «американками» и т. п.
12. Автоматизация котельной
На первом этапе работ была устроена котельная с минимальным уровнем автоматизации. Регулирование подачи тепла осуществляется путем выставления температуры теплоносителя на термостатах котлов (качественное регулирование) в ручном режиме, а также включением / выключением циркуляционных насосов и переключением скоростей (количественное регулирование).
На втором этапе планируется установить автоматику котельной, регулирующую подачу тепла по данным с термостата, установленного в помещении храма.
Для регулирования тепловой мощности котлов будет использован метод качественного регулирования. Автоматика котельной может включать в себя трехходовой кран, свободно программируемый контролер, а также другое оборудование. Автоматизация котельной позволит снизить потребление энергоресурсов не менее, чем на 20%, благодаря понижению температуры в здании церкви во внебогослужебное время.
Значения температуры и давления в системе планируется передавать с контроллера на пульт охранно-пожарной сигнализации храма для того, чтобы персонал храма мог получать sms-оповещения о критических отклонениях параметров.
13. Опыт эксплуатации системы отопления после реконструкции
Первый этап реконструкции системы отопления был выполнен в течение 2010 года.
Опыт эксплуатации с января 2011 года в целом подтвердил правильность выполненных расчетов и принятых инженерных решений. Была выполнена оценка выработки тепла в котельной на основании показаний приборов учета электроэнергии и расхода дизельного топлива. Отпуск тепловой энергии в наиболее холодную пятидневку (температура — - 25°С — −30°С) находился на уровне 40 кВт при практически полностью заглушенной вентиляции. При этом отпуск тепловой энергии от электрического котла составил 10 кВт (напряжение в сети около 160 В), от дизельного котла — 30 кВт.
Характерная нагрузка системы теплоснабжения в отопительном периоде составляла 20 кВт, то есть электрический и дизельный котлы выдавали примерно одинаковую мощность.
Учитывая минимальную мощность горелки — 31 кВт, дизельный котел работал «пропусками». Периодичность его включения составляла от 5 до 10 минут, время работы около 1 минуты.
Такой режим работы котла приводил к некоторым неудобствам. Так, температура теплоносителя колебалась на 10°С, что вызывало температурные компенсации трубопроводов. В результате на жестко зафиксированных участках лежаков возникали акустические эффекты, а также снижался ресурс трубопроводов. В перспективе запланировано решение данной проблемы путем реконструкции отопительных лежаков.
Температура во время богослужений поддерживалась на уровне +16°С — +18°С, в перерывах между богослужениями понижалась до +13°С — +14°С путем регулирования системы в ручном режиме.
Было отмечено некоторое повышение температуры на богослужениях на несколько градусов за счет присутствия людей и горящих свечей.
Положительным результатом реконструкции системы отопления явилось повышение температуры полов в храме, что обеспечило комфортные условия для прихожан.
Во время проведения пусконаладочных работ была произведена балансировка системы отопления. Поскольку разводка включает два параллельных контура отопления (храм и притвор) без балансировочных клапанов, циркуляция теплоносителя через отопительные приборы осуществлялась не равномерно. Этот эффект усиливался из-за тупиковой схемы разводки. В результате суммарная тепловая отдача системы оказывалась ниже номинальной примерно в два раза. Расход теплоносителя удалось отрегулировать при помощи вентилей на обратной подводке к радиаторам. В результате температура отопительных приборов в храме была выровнена, что позволило эксплуатировать систему в номинальном режиме.
За три месяца отопительного сезона было отмечено более десяти отключений электроэнергии длительностью от суток до нескольких часов. Каждый раз котельная в автоматическом режиме переходила на питание от ИБП, а тепловые нагрузки покрывались от дизельного котла, сохранялась циркуляция теплоносителя, что обеспечивало непрерывность теплоснабжения храма. При обесточивании основного электропитания электрокотел и резервный насос отключались, а затем включались при возобновлении электроснабжения. Данные переключения не требовали участия со стороны обслуживающего персонала.
Зафиксированный расход электроэнергии за отопительный период составил около 60 тыс. кВт. ч, расход дизельного топлива — около 700 л. В случае, если бы дизельный котел был введен в эксплуатацию с начала отопительного периода ориентировочный расход топлива мог бы оказаться на уровне 1 500 л.
Таким образом отпуск тепла за отопительный период составил около 73 тыс. кВт. ч, что на 40% ниже расчетного уровня. Данное расхождение объясняется, в основном, более высокими температурами наружного воздуха в течение отопительного периода по сравнению с нормативными значениями.
Другим фактором экономии стало снижение температуры в храме в перерывах между богослужениями. Однако данный резерв не был использован в полной мере, поскольку регулирование осуществлялось в ручном режиме в определенные дни недели (отсутствовала возможность своевременного реагирования на резкое изменение погоды). Запланированный монтаж системы автоматики котельной позволит еще более сократить потребление топлива и электроэнергии.
Некоторая экономия была достигнута и путем снижения кратности воздухообмена в храме при отсутствии людей. Окно с дистанционным приводом, установленное в верхней точке храма, открывалось полностью во время богослужений, что позволяло эффективно удалять излишки влаги, образующиеся при горении свечей и при дыхании людей. Между богослужениями, когда в храме не было прихожан, окно оставлялось немного приоткрытым, что обеспечивало минимальный воздухообмен и сокращало тепловые потери храма.
Приведенные затраты на отопление храма за отопительный сезон 2010 — 2011 года составили около 180 тыс. рублей, но предполагается, что установка системы автоматики котельной, утепление храма позволит в дальнейшем снизить затраты на энергоносители не менее чем на 50%.
14. Выводы
1. В условиях жесткой экономии финансовых средств была решена задача достижения комфортного температурного и влажностного режима в храме.
2. При выборе первоочередных мероприятий по улучшению микроклимата в храме из ряда альтернатив учитывался комплекс критериев, в который помимо затрат на энергоносители вошли: капитальные затраты, эксплуатационные издержки, требования к квалификации обслуживающего персонала, надежность инженерных систем, безопасность, реализуемость запланированных мероприятий, сохранение архитектурных форм храма и внутреннего убранства. В результате были приняты не очевидные решения по использованию для целей отопления наиболее дорогих энергоносителей — дизельного топлива и электроэнергии.
3. Размещение котельной в подвале храма позволило существенно снизить расход топливно-энергетических ресурсов, упростить инженерные системы и позволило реализовать проект при минимальных капитальных вложениях.
4. В храме организована регулируемая естественная вентиляция, которая не обеспечивает нормативную кратность воздухообмена, но, при текущем уровне наполняемости храма, позволяет поддержать необходимые санитарно-гигиенические условия. В перспективе, при увеличении наполняемости храма и уплотнении графика богослужений может потребоваться устройство механической приточно-вытяжной вентиляции.
5. Опыт эксплуатации реконструируемой системы отопления зимой 2011 года показал правильность выполненных расчеты и принятых инженерных решений.
6. Учитывая высокую стоимость энергоносителей, затраты на отопление храма планируется оптимизировать путем реализации комплекса энергосберегающих мероприятий. В частности, планируется установить автоматику котельной, энергосберегающие окна, утеплить кровлю.
7. Утепление ограждающих конструкций храма традиционными методами технически сложно реализуемо и затратно, поэтому предлагается использовать инновационную технологию окраски поверхностей теплосберегающей краской с полыми микросферами.