Насосы и насосные установки для высотных зданий

Высотным принято считать здание высотой более 75 метров. Московским правительством принята программа «Новое кольцо», предусматривающая строительство более 60 высотных зданий. Среди них такие здания как «Россия» высотой 645 метров, «Федерация» – 450 метров, «Триумф Палас» – 264 метра.

Системы отопления и водоснабжения высотных зданий должны обеспечивать комфортное и безопасное пребывание людей. Проектирование систем водоснабжения и отопления высотных зданий отличается от проектирования аналогичных систем обычных зданий. Так, например, если проектировать системы обычным образом, то под действием гравитации в стояках отопления и водоснабжения здания «Россия» давление на первых этажах будет превышать 6 МПа, для здания «Федерация» – 4,5 МПа, для здания «Триумф Палас» – 2,6 МПа. Пользоваться холодной и горячей водой, находящейся под таким давлением, не только невозможно, но и опасно, а само присутствие в жилых или общественных помещениях трубопроводов, отопительных и сантехнических приборов, находящихся под таким давлением, представляет серьезную опасность.

Чтобы избежать присутствия трубопроводов с высоким давлением в жилых и общественных помещениях, водоснабжение и отопление высотных зданий разбивают на зоны. Зонирование осуществляется между соседними техническими этажами, которые располагают по высоте на расстоянии не более 50 метров. Организация зонирования оказывает существенное влияние на требования, предъявляемые к насосам, и на потребление электроэнергии этими насосами.

Рисунок 1.
Каскадная схема подключения зональных теплообменников отопления и горячего водоснабжения

1 – циркуляционные насосы греющей воды
2 – зональные циркуляционные насосы отопленмя
3 – зональные циркуляционно-повысительные насосы ГВС


При подключении высотного здания к центральному теплоснабжению либо к автономным источникам, расположенным на земле, В. И. Ливчак рекомендует применять каскадную сему подключения теплообменников отопления и ГВС (журнал «Энергосбережение» № 4, 2004 г.). В каждой зоне располагаются по две группы теплообменников и циркуляционные насосы, обслуживающие теплообменники (см. рис. 1). Одна группа теплообменников обеспечивает системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения первой зоны. Вторая нагревает воду, подаваемую в следующую по высоте зону. Там также размещаются две группы теплообменников и циркуляционные насосы и т. д. (рис. 1). При такой схеме зонирования столб теплоносителя разделяется на зоны стенками трубок или пластинами теплообменника, следовательно, передачи давления из верхних зон в нижние не происходит, и давление в контурах зон определяется только высотой зоны. При таком зонировании требования к теплообменному оборудованию, отопительным приборам и насосам ничем не отличаются от требований к этим элементам системы обычных зданий.

Рисунок 2.

Каскадная схема горячего и холодного водоснабжения высотного здания

Для функционирования горячего и холодного водоснабжения зон, построенных по описанной выше схеме, в зону необходимо подать холодную воду. Холодное водоснабжение зон также можно построить по каскадной схеме (рис. 2). Насосы ХВС при этом располагаются на технических этажах вместе с теплообменниками и циркуляционными насосами и должны развивать напор, достаточный для того, чтобы обеспечить водоснабжение обслуживаемой зоны и поднять воду к следующей по высоте зоне. Чтобы избежать наращивания гидростатического давления по высоте здания (рис. 2, красная линия на графике давлений), зоны разделены обратными клапанами, благодаря этому наращивание давления происходит только в пределах зоны (рис. 2, синяя линия на графике давлений). Обратные клапаны при каскадной схеме водоснабжения лучше располагать перед насосами – это позволит избежать осушения насосов через водоразборную арматуру ниже лежащей зоны.

При назначении требований к трубопроводам, арматуре, теплообменникам и насосам следует иметь в виду тот факт, что всегда существует вероятность того, что из-за неисправности обратных клапанов наращивание давления может охватить несколько зон или все здание по высоте. Поэтому, с целью исключения аварийного затопления помещений, необходимо, чтобы все элементы системы холодного и горячего водоснабжения выдерживали гидростатическое давление всех выше расположенных зон.

Из практики известно, что два насоса с частотными приводами, управляемыми по давлению и соединенные последовательно, как правило, работают неустойчиво: один из насосов «задавливает» другой, а в ряде случаев возникают автоколебания в системе управления насосами. Причина этих явлений кроется в том, что изменение, под действием случайных факторов, например напора одного из насосов, вызывает изменение показаний датчиков обоих насосов и, следовательно, изменение частоты вращения обоих насосов. В результате этого, в случае медленно протекающих процессов, возникает перераспределение напоров между насосами, а в случае быстро протекающих процессов возникает перерегулирование, нарушающее нормальную работу систем управления насосами и способствующее возникновению автоколебаний.

Для высотных зданий описанная цепочка последовательно соединенных насосов удлиняется, что повлияет на работу системы управления, увеличив ее склонность к автоколебаниям. Пояснить это можно следующим образом. Предположим, что произошло быстрое изменение расхода воды в последней, верхней зоне. Это вызовет цепную реакцию изменения частоты вращения насосов всех нижележащих зон, при этом изменение частоты вращения насоса каждой нижележащей зоны будет происходить с некоторой задержкой времени по отношению к предыдущей зоне. Эти временные задержки при определенных условиях вызывают такие колебательные явления в системе управления насосами, когда изменение частоты вращения насосов в разных частях трубопровода будет иметь разное направление, т. е. в одной части трубопровода частота вращения насосов увеличивается, а в другой в тот же момент времени уменьшается. Под воздействием этих колебаний частоты вращения насосов в трубопроводе возникнут интенсивные колебания давления и, если они совпадут с собственными частотами столба жидкости в трубопроводе, возникнет явление резонанса, сопровождающееся ростом амплитуд колебания давления до опасных значений. Из сказанного следует, что при каскадной схеме водоснабжения высотных зданий применять частотный привод насосов надо с большой осторожностью.

Энергосбережение в системах с каскадным зонированием водоснабжения обеспечивается правильным подбором насосов. При подборе насосов надо исходить из того, что насосы нижней зоны должны подать такое количество воды, чтобы обеспечить ею свою и все выше расположенные зоны. В то время как насосы самой верхней зоны должны обеспечить водой только свою зону. Производительность насоса любой промежуточной зоны можно определить по формуле



где:

j – номер зоны, где расположен насос;

i – текущий номер зоны;

qi расход вводы i-той зоны;

n – общее число зон.

Рисунок 3.

Паралельная схема зонирования горячего и холодного водоснабжения высотных зданий

Альтернативой каскадной схеме водоснабжения является параллельная схема зонирования, представленная на рис. 3. Здесь зоны являются независимыми. Каждую зону обслуживают свои насосы, расположенные в нижней части здания и подающие воду только в свою зону. При использовании этой схемы воздействие высокого давления на теплообменники, арматуру и сантехническое оборудование, расположенные на этажах зоны, полностью исключается.

Воздействию гидростатического давления подвергаются только насосы и трубопроводы, поднимающие воду из городского водопровода. Несмотря на требуемые высокие напоры насосов и на большие гидростатические давления, которые должен выдерживать насос, подобрать насосы для параллельных схем зонирования не составляет особого труда. Фирма «ЛИНАС», например, поставляет насосы типа АЦГС с напорами до 600 м и рабочим давлением в корпусе до 6,0 МПа.

При параллельном зонировании энергосбережение обеспечивается путем оптимального выбора числа зон и применения насосов с частотным приводом.

Оптимизация числа зон основывается на том, что гидравлическая мощность, передаваемая насосом жидкости, определяется произведением подачи насоса на его напор. Если здание не разделяется на зоны, гидравлическая мощность, необходимая для его водоснабжения, будет равна



где:

Q – подача насоса (м3/ч);

H – напор насоса (м. вод. ст.);

367 – коэффициент, связанный с принятыми единицами измерения.

При двух зонах половина потребляемой воды поднимается на всю высоту здания, а вторая половина – только на половину высоты. При трех зонах треть воды поднимается на всю высоту здания, треть – на две трети высоты и оставшаяся треть – на одну треть и т. д. Суммарная гидравлическая мощность насосов, подающих воду в здание, будет равна



где:

n – общее число вертикальных зон водоснабжения;

i принимает значения от 1 до n.

Снижение гидравлической мощности при разбиении водоснабжения здания на зоны приведено в табл. 1.
Таблица 1

Количество зон 1 2 3 4 5 6 7 8
Снижение гидравлической
мощности % 0 25 33 37 40 42 43 44

Из табл. 1 видно, что разбиение системы водоснабжения на две зоны дает эффект снижения мощности на 25 %, разбиение на три зоны – на 33 %, при дальнейшем увеличении числа зон рост эффективности замедляется. С точки зрения энергосбережения можно рекомендовать четырех и пятизонные системы водоснабжения.

При реальном проектировании следует учитывать и другие факторы, как то: высота зоны, капитальные затраты на оборудование и т. п. Как уже упоминалось, высота зоны не должна превышать 50 м, и в то же время вряд ли целесообразно иметь зоны высотой один-два этажа.

Для водоснабжения помещений, расположенных на высоте менее 75 м, применение частотного привода насосов при параллельных схемах зонирования ничем не отличается от частотного регулирования насосов водоснабжения обычных зданий.

Для зон, расположенных выше 75 м, с целью снижения мощности преобразователя частоты, можно рекомендовать две группы последовательно соединенных насосов (рис. 4). Первая группа (базовые насосы) располагается внизу, она поднимает воду до технического этажа соответствующей зоны. На техническом этаже расположена вторая группа насосов (зональные насосы) с гидроаккумулирующим баком, подающая воду на этажи зоны. Давление на этажах здания при этой схеме водоснабжения складывается из четырех составляющих – давления в городском трубопроводе Р1, напора Нб базовых насосов, напора Нз зональных насосов и геометрической высоты расположения этажа Нг (см. рис. 4) .

Рисунок . (подробнее)

Насосная установка с базовыми и зональными насосами

Базовые насосы, расположенные в нижней части здания, работают с постоянной частотой вращения. Регулирование насосов каскадное. Насосы включаются и выключаются по сигналу от датчика давления или по сигналу от датчика расхода, расположенного в напорном трубопроводе базовых насосов. Управление насосами от датчика расхода является более предпочтительным, т. к. в этом случае изменение давления в городском водопроводе не будет влиять на момент подключения и отключения дополнительного насоса. Следует также иметь в виду, что датчики давления, рассчитанные на большие давления, имеют меньшую чувствительность, а недостаточная чувствительность датчика не позволит своевременно производить переключение насосов.

Напор базовых насосов выбирается таким образом, чтобы на нулевой подаче насоса и при максимальном давлении в городском водопроводе давление на входе зональных насосов было на 0,05–0,1 МПа меньше расчетного, а при минимальном давлении в городском водопроводе было не менее 0,1 МПа.

Требования к зональным насосам такие же, как и к повысительным насосам обычных зданий с той разницей, что они должны обладать пониженной шумностью, т.к. устанавливаются на перекрытиях технических этажей.

С целью снижения шумности надо стремиться так подобрать базовые насосы, чтобы обеспечить минимальную мощность зональных насосов. Регулирование зональных насосов каскадно-частотное. Изменение частоты вращения зональных насосов компенсирует изменение собственного напора и напора базовых насосов при изменении расхода воды, а также колебания давления в городском водопроводе. Гидроаккумулирующий бак, подключенный к напорной линии зональных насосов, позволяет отключать зональные и базовые насосы в периоды малого водопотребления. Напор Нз (рис. 4) зональных насосов выбирается таким образом, чтобы при расчетном расходе воды Qр и частоте тока 45–50 Гц обеспечивалось заданное давление в стояках зоны даже при минимальном давлении в городском водопроводе.

В заключение следует сказать, что проектирование систем водоснабжения высотных зданий, а также оптимальный подбор насосов, схем управления и компоновки насосных установок для этих систем является новым и мало изученным делом. Все вопросы, возникающие при проектировании конкретных зданий, должны решаться совместными усилиями проектировщиков здания, а также изготовителей насосов, насосных установок и станций управления.