Как проверенные временем паровое и водяное отопление работают в современных небоскрёбах?

Чем непросты водяные инженерные системы в высотных зданиях?

Недавно я побывал на конференции, где обсуждали особенности внутренних инженерных систем в зданиях высотой более 100 м. К системам, требующим особого подхода, относятся отопление, водоснабжение, вентиляция и кондиционирование.

Темы вентиляции и кондиционирования я уже разбирал в нескольких предыдущих публикациях.

https://habr.com/ru/articles/736140/

https://habr.com/ru/articles/732144/

https://habr.com/ru/articles/742832/

В этот раз моё внимание привлекли водопровод и отопление.

Трудность в том, что статический напор в заполненном водой вертикальном стояке высотой 100 м достигает 10 атмосфер. Отопительные приборы и сантехника в ванных комнатах на такую нагрузку не рассчитаны.

В «Москва-Сити» небоскрёбы поднимаются до 373 м и насчитывают 95 этажей (башня «Федерация»). У основания такого здания статическое давление превышает 37 атм (см. рис. 1–4).

Рис. 1. Башни «Федерация» в комплексе «Москва-Сити».

Рис. 2. Схема разделения башен «Федерация» на высотные зоны.

Рис. 3. План одного из нижних офисных этажей башен «Федерация»: открытое офисное пространство без постоянных внутренних перегородок.

Рис. 4. План 46-го этажа башен «Федерация»: в левой башне площади разбиты на просторные апартаменты или небольшие офисы, в правой этаж отдан под гостиничные номера. Хорошо заметно, насколько тоньше здесь несущие колонны и монолитные внутренние стены, чем на нижних этажах.

При давлении в 35–40 атм обычные сантехнические краны неработоспособны. Приходится ставить дорогую и громоздкую фланцевую запорную арматуру, подобную той, что используется на промышленных ТЭЦ.

Между тем для обычной водопроводной арматуры допустимое давление составляет 4,5–6 атм (45–60 м вод. ст.), а для систем отопления — 6–10 атм (60–100 м вод. ст.).

Предельному для воды давлению в 6 атм соответствует типовая панельная шестнадцатиэтажка советского образца.

Иначе говоря, сложности с давлением воды появляются уже в зданиях выше 50 м. Для таких случаев разработан отдельный норматив — СП 253.1325800.2016 «Инженерные системы высотных зданий» (см. рис. 5).

Рис. 5. Фрагмент СП 253, определяющий область применения норматива.

Современный 25-этажный жилой дом немного не дотягивает до отметки 75 м.

Всё, что выше, подпадает под действие специализированного свода правил СП 253.

Принцип разделения высотного здания на зоны по давлению в сети

В соответствии с СП 253 любой небоскрёб можно представить как набор отдельных зданий высотой по 50 или 75 м, поставленных друг на друга. Каждое из них подключено к общим сетям в подвале самостоятельно.

Отличить такие «секции» друг от друга можно лишь по наличию дополнительных транзитных коммуникаций, идущих от нижних секций к верхним: водопровода, канализации, отопления и вентиляции (см. рис. 6–9).

Рис. 6. Посекционная организация вентиляции в небоскрёбе.

Рис. 7. Посекционное холодное водоснабжение небоскрёба с независимым подключением каждой секции к внешней сети в подвале.

Рис. 8. Посекционное холодное и горячее водоснабжение небоскрёба: давление воды ступенчато повышается насосом на каждой секции, а подключение к внешней сети в подвале общее. Теплоснабжение горячей воды тоже выполнено каскадно, с промежуточными теплообменниками на технических этажах.

Рис. 9. Иллюстрация из СП 253: смешанная каскадно-транзитная схема теплоснабжения отдельных секций с индивидуальными секционными ИТП.

Самая габаритная из этих систем — вентиляция.

Проблемы вентиляции в высотках я уже рассматривал в отдельной статье.

Здесь же речь пойдёт о водяных системах: водопроводе и отоплении (теплоснабжении).

Каковы размеры и мощность системы теплоснабжения одной секции небоскрёба?

Отопление

Масштаб и мощность тепловой сети оценим на примере отдельной секции здания.

Возьмём секцию высотой 50 м и 12 этажей (около 4 м на этаж) с габаритами в плане 40×40 м.

Фасады современных небоскрёбов, как правило, полностью остеклены.

Такое ограждение легче по весу, его проще загерметизировать от продувания сильным ветром и от попадания косого дождя.

Примем сопротивление теплопередаче качественного стеклопакета R = 0,8 м²·°С/Вт. Тогда теплопотери одной секции в Москве при –26 °С на улице и +24 °С внутри составят 500 кВт:

Nот = Sст·дТ/R = (50·40·4)·(24+26)/0,8 = 500 000 Вт

Вентиляция.

Открывать окна в небоскрёбах запрещено, поэтому устройство принудительной приточно-вытяжной вентиляции здесь обязательно.

Вентиляцию высотных офисов рассчитывают по числу людей из нормы 60 м³/ч на человека.

Допустим, на одного сотрудника приходится около 10 м² офисной площади с учётом коридоров и общих зон. Тогда на этаже площадью Sэт = 40×40 = 1600 м² разместится 160 человек, а во всей секции из 12 этажей — 160·12 = 1920 человек.

Расход приточного воздуха на одну офисную зону составит Vпр = 115 тыс. м³/ч:

Vпр = 1920·60 = 115 200 м³/ч.

Тепловая мощность, необходимая для нагрева вентиляционного воздуха при разности температур дТ = (24+26) = 50 °С между улицей и помещением, составит Nвент = 1925 кВт:

Nвент = Vпр·дТ·Qвозд·Св/3600 = 115200·50·1,2·1,003/3600 = 1925 кВт

Получается, что даже при слабо утеплённом сплошном стеклянном фасаде на вентиляцию офисного здания уходит в 4 раза больше тепла, чем на радиаторное отопление.

Итого: суммарная тепловая нагрузка систем отопления и вентиляции одной секции — около 2500 кВт.

Размер сети теплоснабжения для одной секции небоскрёба

Чтобы доставить около 2500 кВт тепла на отопление и вентиляцию водяным теплоносителем по графику 95/70 °С, понадобится расход воды Gтеп = 24 л/с:

Gтеп = 2500/((95–70)·4,19) = 23,9 л/с, или 86 м³/ч.

Для такого расхода при скорости 1 м/с или чуть ниже нужна труба диаметром около Ф175 мм:

R = (Gтеп/(3,14·1))^0,5 = (0,0239/(3,14·1))^0,5 = 0,087 м

D = R·2 = 0,087·2 = 0,174 м

Ближайший больший стандартный типоразмер — Ду 200 мм (труба Ф219×9 мм).

Именно такую трубу Ф219 мм придётся прокладывать к каждой отдельной секции для теплоснабжения отопления и вентиляции, а также для нагрева ГВС (в офисах его обычно не учитывают: в непиковом режиме тепла от вентиляции и отопления с избытком хватает).

Использование насыщенного водяного пара в теплоснабжении

Глядя на эту каскадную схему с парой труб Ф219 мм на каждую секцию, я вдруг подумал: а что, если вместо воды применить насыщенный пар с температурой +110 °С? (см. рис. 10).

Рис. 10. Таблица параметров водяного пара при различных температурах.

Плотность пара при +110 °С — всего 0,826 кг/м³, то есть ниже плотности атмосферного воздуха (1,2 кг/м³ при +20 °С).

Поэтому даже в здании высотой 500 м в паропроводе не возникнет критического давления. Правда, с ростом высоты разница между давлением пара и атмосферным слегка увеличивается: атмосферное давление падает быстрее.

Идея парового теплоснабжения высотных зданий не нова, и её следы нетрудно найти в профильных учебниках (см. рис. 11).

Рис. 11. Схема вертикального зонирования небоскрёба советского времени с паровым теплоснабжением отдельных высотных зон (из вузовского учебника «Отопление», 1982 г.).

Достоинство парового теплоснабжения в том, что тепло передаётся за счёт огромной энергии конденсации пара — 2230 кДж/кг. Вода же переносит тепло за счёт теплоёмкости Своды = 4,19 кДж/(кг·°С) при изменении температуры всего на дТ = 25 °С в графике +95/70 °С.

Чтобы передать 2500 кВт, достаточно конденсировать всего 1,12 кг пара в секунду. Это в 20 раз меньше массового расхода воды в графике +95/70 °С:

Gпар = 2500/2230 = 1,12 кг/с.

При этом объёмный расход пара составляет 1360 л/с, то есть в 57 раз превышает объёмный расход воды (24 л/с):

Vпар = Gпар/Qпар = 1,12/0,826 = 1,36 м³/с.

Вопрос: выходит, для паропровода потребуется громадная труба диаметром около Ф1400 мм?

Ответ: нет, диаметр паропровода будет заметно меньше, поскольку пар транспортируют на гораздо более высоких скоростях, чем жидкую воду.

В нашем случае для насыщенного пара с давлением выше 1 атм (в таблице — более 10^5 Па) допустимая скорость составляет 15–25 м/с (см. рис. 12).

Рис. 12. Допустимые скорости движения среды в трубопроводах.

Любопытно, что предел скорости для насыщенного пара обусловлен сильным износом труб из-за механической эрозии стенок, особенно на поворотах, где поток интенсивно закручивается.

То есть стальные стенки паропровода разрушаются от ударов микроскопических капель конденсата уже на скоростях всего 25–75 м/с.

Вопрос: почему тонкие жестяные стенки воздуховодов годами не истираются от непрерывной бомбардировки молекулами воздуха, которые, согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), должны постоянно ударяться о стенку на куда более высокой скорости — 490 м/с при комнатной температуре +20 °С?

Ответ: вероятно, молекулы газа вовсе не сталкиваются с металлом воздуховодов, а упруго и мягко отталкиваются от твёрдых стенок за счёт дистанционных сил отталкивания — в соответствии со «статической теорией газа» (СТГ)!

Итак, при увеличении скорости с 1 до 25 м/с диаметр паропровода с давлением выше 1 атм можно уменьшить примерно в 5 раз — до Ф300 мм.

Выходит, что паропровод на ту же мощность в полтора раза толще по диаметру, чем трубопровод с водяным теплоносителем.

Таким образом, существенного выигрыша по сечению труб переход на пар низкого давления 1,5 атм (T = +110 °С) не даёт. Разве что можно немного уменьшить толщину стенки паропровода благодаря невысокому давлению в нём.

Значит, переход на пар не даёт выигрыша по площади шахт под трубопроводы?

Именно так, даже с учётом того, что толстый паропровод нужен всего один, а конденсат стекает вниз по стенкам этой же трубы либо по отдельной трубе Ф100 мм.

У водяного же теплоснабжения всегда две трубы одинакового диаметра: подающая и обратная (см. рис. 13).

Рис. 13. Сравнение площади, занимаемой трубами теплоснабжения мощностью 2500 кВт: А — с водяным теплоносителем +95/70 °С, Б — паропровод +110 °С с отдельной трубой для конденсата.

В чём тогда преимущества паропровода низкого давления?

Пар под давлением, близким к 1 атм, заметно смягчает требования к прочности запорной арматуры. Кроме того, он позволяет отказаться от циркуляционных насосов и теплообменников на транзитных магистралях от ЦТП в подвале до ИТП отдельной секции небоскрёба.

Иными словами, если у небоскрёба есть собственная котельная, вместо труб с водой под высоким давлением в 10–20 атм можно применить пар с давлением лишь на 0,5 атм выше атмосферного.

Стоит ли игра свеч — отдельный вопрос.

Даёт ли замена воды на пар в теплоснабжении небоскрёба экономию?

Экономия складывается из снижения капитальных затрат на строительство и уменьшения стоимости эксплуатации систем.

Сбережения на насосах и теплообменниках для теплоснабжения нескольких секций могут быть весьма внушительными.

Один теплообменник на 2500 кВт с рабочим давлением 10 атм (испытательным 16) может стоить около 1,5 млн руб., а насос на расход 24 л/с (90 м³/ч) — примерно 150–200 тыс. руб.

Для здания высотой 350 м с семью отдельными секциями по 50 м потребуется дополнительно 9 теплообменников и столько же циркуляционных насосов. Это в сумме даёт возможную экономию более 15 млн руб. (см. рис. 14).

Рис. 14. Схем

 

Источник