Abstract: The article provides a comprehensive analysis of the effectiveness of hybrid hot water supply systems due to the simultaneous operation of open and closed consumer connection schemes. The regulatory changes that led to this situation and their impact on the technical and economic characteristics of the systems are being investigated. The disadvantages and advantages of closed and open heat supply schemes are considered in detail. The results of the study make it possible to identify optimal approaches to the operation and development of hot water supply systems in the context of existing legislative requirements and technical restrictions.
Keywords: centralized heat supply, hot water supply, open heat supply system, individual heat point, closed heat supply system, ZuluThermo, thermal power plant.
В ряде населенных пунктов Российской Федерации доминирует применение открытых систем теплоснабжения. Вследствие введения Федерального закона от 27.07.2010 г. № 190-ФЗ «О теплоснабжении» с 2013 года было запрещено подключение потребителей к открытым системам горячего водоснабжения (ГВС) с отбором теплоносителя в качестве источника ГВС. Тем не менее, с 1 января 2022 года утратил силу пункт данного Федерального закона, регламентирующий запрет на использование открытых систем ГВС, при этом устанавливающий обязательность подключения новых потребителей по закрытой схеме. В результате сложилась ситуация одновременного функционирования как открытых, так и закрытых систем ГВС [1].
Применение закрытых систем ГВС, несмотря на законодательные предписания, сопряжено с рядом технических и экономических ограничений:
- формирование минеральных отложений;
Использование водопроводной воды с повышенным содержанием растворенных солей в закрытых системах, оснащенных пластинчатыми теплообменниками, приводит к интенсивному осадкообразованию (накипи) на поверхностях теплообмена. Это снижает эффективность теплопередачи и требует периодической очистки, увеличивая эксплуатационные расходы.
- технологические и экономические аспекты.
Эксплуатация закрытых систем ГВС характеризуется повышенной сложностью монтажа индивидуальных тепловых пунктов (ИТП), что влечет за собой значительные капитальные затраты на приобретение соответствующего оборудования. Кроме того, необходимость проведения регулярных процедур очистки теплообменных аппаратов увеличивает эксплуатационные расходы.
Преимущества открытых схем ГВС (по сравнению с закрытыми) заключается в следующем:
- эффективное использование энергоресурсов;
Открытые схемы позволяют утилизировать низкопотенциальное отработавшее тепло теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) для предварительного нагрева сетевой воды, подаваемой на нужды ГВС.
- снижение эксплуатационных расходов;
При использовании открытых схем уменьшается стоимость ИТП и повышается эксплуатационный ресурс локальных узлов системы ГВС, что обусловлено упрощением конструкции и меньшими требованиями к теплообменному оборудованию.
- потенциал для однотрубных систем.
Существует возможность применения однотрубных конфигураций для эффективного транзитного транспортирования теплоносителя, что может упростить гидравлическую схему и снизить материалоемкость.
Наряду с преимуществами, применение открытых систем ГВС также характеризуется рядом существенных недостатков:
- увеличение затрат на водоподготовку;
Применение открытых систем сопряжено с возрастанием стоимости и усложнением процессов систем водоподготовки на ТЭЦ, направленных на обеспечение качества теплоносителя, подаваемого потребителям.
- проблемы с гидравлической стабильностью;
Подключение отопительных приборов к тепловой сети по зависимой схеме в рамках открытых систем может приводить к гидравлической нестабильности, проявляющейся в неравномерности распределения теплоносителя. Данная проблема может быть минимизирована путем использования независимой схемы подключения теплопотребляющих установок, что, однако, влечет за собой усложнение гидравлической схемы.
- усиление требований к контролю качества теплоносителя;
Требуется учащение и усложнение процедур мониторинга качества теплоносителя для предотвращения негативных последствий для потребителей и оборудования [2].
- эксплуатационные сложности, обусловленные неравномерностью расхода;
Нестабильность расхода воды в обратном трубопроводе создает дополнительные сложности в процессе эксплуатации, затрудняя поддержание заданных параметров системы.
- затрудненный поиск утечек.
Нестабильный расход воды в обратной линии затрудняет локализацию мест неплотностей в теплопроводах, что может приводить к значительным тепловым потерям и увеличению расхода теплоносителя.
При подключении новых зданий по закрытой схеме ГВС к открытой системе теплоснабжения возникает «смешанная» схема, которая имеет некоторые недостатки.
При эксплуатации в теплые месяцы отопительного сезона для «смешанной» системы теплоснабжения требуется более высокая температура сетевой воды, чем при работе с открытыми системами ГВС из-за температурного напора в подогревателях ГВС в тепловых пунктах [3]. Обычно температурный напор в подогревателях тепловых пунктов принимают 5-10°C.
В свою очередь увеличение температуры сетевой воды в подающем трубопроводе требует увеличения давления отборного пара на ТЭЦ. Данный аспект приводит к снижению мощности паровой турбины. Для обеспечения требуемой электрической мощности при работе на «смешанной» системе потребуется увеличить расхода топлива на ТЭЦ [4].
Кроме того, повышение температурной срезки зимой, необходимое для «смешанной» системы теплоснабжения, приведет к повышению аварийности изношенных теплопроводов открытой системы теплоснабжения.
Повышение температуры в подающей линии приведет к повышению температуры в обратной линии теплосети и, соответственно, к необходимости отбирать пар более высокого давления на ТЭЦ для подогрева сетевой воды. Одним из возможных решений является установка в зданиях дополнительных теплообменных аппаратов для предварительного подогрева водопроводной воды на 10°C.
Гидравлические режимы тепловых сетей, работающих по открытой и закрытой системам теплоснабжения различаются. В «смешанных» системах теплоснабжения могут появится проблемы синхронизации автоматизированных и неавтоматизированных тепловых пунктов [5].
Для изучения работы «смешанных» систем теплоснабжения, а именно анализа гидравлических режимов в теплогидравлической модели ZuluThermo среды ZuluGIS [6], в качестве места расположения тепловых сетей была выбрана Ленинградская область РФ. Температурный график системы теплоснабжения – 110/70°C. Сравнение открытой, закрытой и «смешанной» систем ГВС проводилось для зимнего режима. Температура воды в подающей линии – 93°С, температура в обратной линии зависит от схемы ГВС. Были заданы параметры для схем ГВС:
- открытая схема ГВС с элеваторным присоединением системы отопления (рисунок 1);
Рисунок 1. Пьезометрический график для схемы №1
- «смешанная» система ГВС с одноступенчатым подогревом воды ГВС: 75% потребителей подключены по открытой схеме, 25% по закрытой схеме, система отопления присоединена по элеваторной схеме (рисунок 2);
Рисунок 2. Пьезометрический график для схемы №2
- «смешанная» система ГВС с одноступенчатым подогревом воды ГВС: 50% потребителей подключены по открытой схеме, 50% по закрытой схеме, система отопления присоединена по элеваторной схеме (рисунок 3);
Рисунок 3. Пьезометрический график для схемы №3
- «смешанная» система ГВС с одноступенчатым подогревом воды ГВС: 25% потребителей подключены по открытой схеме, 75% по закрытой схеме, система отопления присоединена по элеваторной схеме (рисунок 4);
Рисунок 4. Пьезометрический график для схемы №4
- закрытая система ГВС с одноступенчатым подогревом воды ГВС, система отопления присоединена по элеваторной схеме (рисунок 5).
Рисунок 5. Пьезометрический график для схемы №5
- «смешанная» система ГВС с двухступенчатым подогревом воды ГВС: 75% потребителей подключены по открытой схеме, 25% по закрытой схеме, система отопления присоединена по элеваторной схеме (рисунок 6);
Рисунок 6. Пьезометрический график для схемы №6
- «смешанная» система ГВС с двухступенчатым подогревом воды ГВС: 50% потребителей подключены по открытой схеме, 50% по закрытой схеме, система отопления присоединена по элеваторной схеме (рисунок 7);
Рисунок 7. Пьезометрический график для схемы №7
- «смешанная» система ГВС с двухступенчатым подогревом воды ГВС: 25% потребителей подключены по открытой схеме, 75% по закрытой схеме, система отопления присоединена по элеваторной схеме (рисунок 8);
Рисунок 8. Пьезометрический график для схемы №8
- закрытая система ГВС с двухступенчатым подогревом воды ГВС, система отопления присоединена по элеваторной схеме (рисунок 9).
Рисунок 9. Пьезометрический график для схемы №9
Результаты расчета моделей систем теплоснабжения для различных схем ГВС представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты расчета схем теплоснабжения
| Показатель | Схема системы теплоснабжения | ||||||||
| №1 | №2 | №3 | №4 | №5 | №6 | №7 | №8 | №9 | |
| Число ступеней подогрева в закрытой системе ГВС | — | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| Доля потребителей, подключенных по открытой схеме ГВС, % | 1,00 | 0,75 | 0,50 | 0,25 | 0,00 | 0,75 | 0,50 | 0,25 | 0,00 |
| Доля потребителей, подключенных по закрытой схеме ГВС, % | 0,00 | 0,25 | 0,50 | 0,75 | 1,00 | 0,25 | 0,50 | 0,75 | 1,00 |
| Располагаемый напор, м | 64,9 | 74,8 | 85,0 | 92,5 | 102,0 | 69,0 | 66,1 | 64,4 | 62,3 |
| Температура обратной сетевой воды, °C | 52,8 | 52,3 | 52,0 | 51,7 | 51,4 | 50,6 | 48,6 | 46,8 | 44,7 |
| Расход в подающем теплопроводе, м³/ч | 827,4 | 855,0 | 887,0 | 917,0 | 950,0 | 800,0 | 781,0 | 764,0 | 742,0 |
| Расход в обратном теплопроводе, м³/ч | 696,6 | 749,0 | 809,0 | 866,0 | 928,0 | 692,0 | 704,0 | 713,0 | 720,0 |
| Расход подпитки для компенсации отбора ГВС, м³/ч | 108,5 | 83,8 | 55,5 | 28,6 | 0,0 | 83,1 | 55,4 | 28,6 | 0,0 |
| Общий расход подпитки теплосети с учетом утечек, м³/ч | 130,8 | 106,0 | 78,0 | 51,0 | 22,0 | 108,0 | 77,0 | 51,0 | 22,0 |
Применение одноступенчатой схемы подогрева ГВС приводит к существенному увеличению располагаемого напора на насосных агрегатах, а также к повышению температуры сетевой воды в обратном трубопроводе тепловой сети. Это, в свою очередь, влечет за собой рост потребления электроэнергии, необходимой для транспортировки теплоносителя, и увеличение расхода топлива на ТЭЦ вследствие термической нагрузки в обратной магистрали [7]. В то же время, внедрение двухступенчатой закрытой схемы ГВС позволяет эффективно нивелировать проблемы, связанные с повышенной температурой обратной линии и избыточным располагаемым напором. Однако, внедрение дополнительных теплообменных аппаратов, необходимых для реализации данной схемы, требует значительных капитальных инвестиций.
References
1. Влияние регулирования отбора теплоносителя из тепловой сети на эффективность централизованного теплоснабжения / Н. Н. Гладышев, А. Д. Ширяев, О. А. Долженко, К. О. Кащеев // Энергобезопасность и энергосбережение. – 2024. – № 3. – С. 10-14. – EDN DSIWSE.2. Козлов, В. В. К вопросу о диагностике теплосети на основе применения акустических датчиков ORTOMAT-MTC / В. В. Козлов, М. С. Липатов // International Journal of Professional Science. – 2024. – № 11-2. – С. 20-28. – EDN AIWQES.
3. Кащеев, К. О. Сравнительный анализ вариантов исполнения системы теплоснабжения частного дома / К. О. Кащеев, С. С. Федорук, А. Д. Ширяев // International Journal of Professional Science. – 2025. – № 2-2. – С. 25-29. – EDN OSTZCO.
4. Шарапов, В. И. Проблемы трансформации открытых систем теплоснабжения в закрытые / В. И. Шарапов // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. – 2019. – № 7(211). – С. 43-47.
5. Методика оценки последствий перехода на закрытую схему горячего водоснабжения в системах централизованного теплоснабжения / С. В. Чичерин, С. В. Глухов, М. В. Глухова [и др.] // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. – 2021. – Т. 11, № 3(38). – С. 480-491. – DOI 10.21285/2227-2917-2021-3-480-491.44.
6. Кащеев, К. О. Образование в эпоху цифровизации: внедрение ZuluGIS в учебный процесс университета / К. О. Кащеев, А. Д. Ширяев // International Journal of Professional Science. – 2024. – № 10-1. – С. 75-82. – EDN HCWYPA.
7. Липатов, М. С. Повышение эффективности источников теплоснабжения / М. С. Липатов // Энергетика и автоматизация в современном обществе : Материалы II Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 06 ноября 2018 года / Под редакцией Т.Ю. Коротковой. Том Выпуск 2. – Санкт-Петербург: Высшая школа технологии и энергетики ФГБОУ ВО "Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна", 2018. – С. 81-83. – EDN JTIBGK.