Тепловодоснабжение и отопление высотных жилых зданий
К выходу в свет книги «Инженерное оборудование высотных зданий»
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 несколько 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.
Ниже будет дан анализ проектных решений по тепловодоснабжению и отоплению перечисленных жилых 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, в недостаточности 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, например, в комплексе «Воробьевы Горы» он занимает 1 200 м2 с высотой помещения 6 м (расчетная мощность 34 МВт).
ЦТП включает:
·теплообменники с циркуляционными насосами систем отопления разных зон, систем теплоснабжения 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, 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. Общий вид ЦТП |
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. 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.
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 энергоснабжения. 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 теплоснабжения 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. 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. А так же 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 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».
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, проложенной по периметру квартиры (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.
Считаем, 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. 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 %.