НАША БИБЛИОТЕКА / Список публикаций

 

Инновационные технические решения по организации «не размораживаемых» систем отопления и созданию автоматизированной системы предотвращения образования наледей и сосулек.

Баясан Р.М.*; Баясан Т.В.*; Лобанов А.Д.*; Лобанов М.А.*; Пустовойт Г.П.**.
*АОЗТ "Интер Хит Пайп" (Москва, Россия)
**Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова  (Москва, Россия)

В зимнее время  года жителей многоквартирных и частных домов начинает подстерегать опасность разморозки дома. Термин разморозка означает, что теплоноситель, находящийся в трубах системы отопления(СО), постепенно охлаждается и замерзает. Разморозку можно оценивать как локальное чрезвычайное происшествие техногенного характера. 

Существует довольно много специальных технологий, предназначенных для быстрой разморозки  труб, так же есть немало методов для их защиты от морозов. Самым лучшим оружием в борьбе с заморозкой труб отопления является предотвращение всех возможностей и вариантов заморозки еще на этапе строительства дома. Во время зимовки крайне важно избежать непредвиденной и полной остановки СО. Система централизованного водяного отопления (ЦВО) в общем виде включает: собственно систему отопления, состоящую из котельной, как правило, работающей на газе, или из теплового пункта, куда подводится горячая вода от центральной тепломагистрали; систему трубопроводов для транспортировки горячей воды по этажам и помещениям; конечные нагревательные элементы: радиаторы, батареи отопления (приборы). Система водяного отопления должна быть заполнена постоянно круглый год. Это предохраняет внутренние поверхности труб и приборов от коррозии. Перед началом отопительного сезона проводится  пробный пуск СО, чтобы вовремя убедиться в ее исправности. Один раз в 2-3 года систему рекомендуется промывать.При этом вода из системы сливается, а трубопроводы и приборы тщательно промываются свежей водой под давлением.

Еще больший эффект достигается при гидропневматической промывке. Далее применяется метод химической очистки системы. В процессе чистки происходит вытравливание слоя накипи на внутренних поверхностях труб и приборов. После химической очистки требуется тщательная промывка системы водопроводной водой. Безопаснее, чем химическая чистка, и не так технологически сложа очистка системы методом выщелачивания. Но и этот метод является затратным. После промывки система медленно заполняется водой с таким расчетом, чтобы в трубопроводах и приборах не оставалось  воздушных пробок. При пробной топке температуру воды поднимают до 90-95ºС. В течение часа проверяется на ощупь прогрев отдельных участков, вся система должна равномерно прогреться, а свободный воздух должен выйти их системы. Далее подогретую систему необходимо проверить на отсутствие течи. Обнаруженные подтекания  должны сразу же устраняться. Одно из важнейших условий длительной и безотказной работы СО – сохранение и поддержание постоянного уровня воды в системе.

Связанная с постоянными утечками частая доливка системы свежей водой недопустима, ибо это ведет к образованию накипи, что отрицательно сказывается на теплоотдаче системы в целом. Опорожнение ОС ведет к интенсивному корродированию изнутри и поэтому воду рекомендуется сливать только для промывки или ремонта, после чего необходимо сразу же заполнить систему водой.

Всего этого можно избежать. В АОЗТ «Интер Хит Пайп» разработана универсальная система распределение тепла (СРТУ), предназначенная для распределения (разводки) тепла от источника  (котельные установки, печи, горелочные устройства, «стояк» ЦВО и т.п.) по объему жилых и административных зданий, производственных помещений,  объектов агросектора и специального назначения с помощью тепловых труб (ТТ) [1,2,3]. ТТ являются свехтеплопроводниками, высокоэффективными теплопередающими устройствами, работающими по замкнутому испарительно-конденсационному циклу. Для своей работы ТТ не требует насосов и систем прокачки. При использовании ТТ в системе разводки тепла по помещениям одна или несколько этих труб контактируют одним своим концом с источником тепла. В процессе внутреннего тепломассопереноса происходит эффективная теплоотдача по всей длине ТТ. Обогрев помещения осуществляется ТТ с развитой поверхностью теплообмена (в виде радиатора). ТТ в тепловом аспекте малоинерционны, разогреваются в течение 1-2 мин. Градиент температуры по длине ТТ обычно не превышают  0,1ºС/м.. тепловой поток на 1м. радиатора составляет от 100 - 1000 Вт. ТТ для нужд ЖКХ в системе СРТУ изготавливаются из легких некоррозионных алюминиевых сплавов типа АМГ или АД-31, масса радиатора - прибора (трубы с оребрением)  в зависимости от диаметра составляет 2,5 – 4,0 кг/п.м.. Диаметр труб радиаторов может составлять от 20 – 50 мм.. (обычно 25-30 мм.). Сами ТТ могут иметь длину до 10-12 м. В случае необходимости возможно применение инновационного технического решения – составного длинномерного двухфазного термосифона(ДДТ) - подкласса ТТ. Длина составных ДДТ может достигать 40 – 50 м. Разводка и отдача тепла по помещениям осуществляется ТТ, размещенными вдоль стен или под окнами.        ТТ (ДТ) представляет собой герметичные отвакуумированные трубки любого профиля, заполненные малым количеством (около 100 г.) органического теплоносителя. Это может быть этан, пентан, ацетон, фреоны или др. двухфазные теплоносители, незамерзающие при низкой отрицательной температуре.  Подвод тепла к ТТ может осуществляться по-разному: 1 вариант -  Использование стояка ЦВО с горячей водой (рис. 1).                        2 вариант - ТТ подогревается горячими газами в центральном дымоходе от котла (типа АОГВ), установленного в нижней части (подвале) дома (рис. 2).

СРТУ с использованием стояка с горячей водой
Рис. 1. СРТУ с спользованием стояка с горячей водой
в качестве источника тепла

 

СРТУ с использованием подогрева ТТ горячими газами

Рис. 2. СРТУ с использованием подогрева ТТ горячими газами
в центральном дымоходе от топки, установленной в подвале дома

Универсальность СРТУ достигается за счет использования альтернативных источников тепла, система может также работать в автономном режиме от электронагревательных элементов с малым энергопотреблением, запитываемых от бытовой электросети напряжением 220в. Такая комбинированная универсальная система позволяет в случае аварии ЦВО тут же переходить на электроподогрев, используя  уже имеющуюся систему разводки тепла. В системе СРТУ отсутствует «обратка», т.е. трубопроводов, возвращающих горячую воду обратно в стояки, нет.

Энергосбережение при применении СРТУ достигается за счет равномерной теплоотдачи по длине труб с радиаторами, установленными вдоль стен и под окнами помещений. КПД системы в 1,2  - 1,25 раза выше, чем у системы ЦВО. Даже в первом варианте слив воды осуществляется лишь из стояка, а это гораздо меньший объем, чем из батарей  радиаторов, откуда к тому же не всегда возможно удалить воду. При этом осаждение накипи возможно лишь в водяной магистрали. К тому же существенно уменьшается гидравлическое сопротивление всей системы.

СРТУ имеет ряд существенных преимуществ:
1) отсутствует сама возможность «разморозки» системы, 2) отсутствует коррозия, 3) снижается металлоемкость, 4) увеличивается КПД по теплу, 5) повышается эффективность и, естественно, снижаются эксплуатационные расходы, 6) СО  практически неинерционна, 7) существует возможность комбинированного варианта отопления, 8) исчезает необходимость в проведении системных мероприятий по подготовке СО к зиме (промывка, очистка, опрессовка трубопроводов и радиаторов, периодические продувки для ликвидации пробок,  водоподготовка, балансировка гидравлической системы, пробная топка и проверка на течь и т.п.) в части распределительной системы трубопроводов по этажам и помещениям. Таким образом, предлагаемая СРТУ обеспечивает высокую надежность и экологическую безопасность, обладает малой тепловой инерцией, эффективностью, экономичностью в эксплуатации  и упрощенным техническим обслуживанием.

Весьма актуальной для нашей страны является проблема уборки снега и ликвидации наледей и сосулек. Каждая новая зима становится испытанием для городов РФ, для их коммунальных служб. По данным средств массовой информации, за зиму 2010/11 г.г. счет пострадавших от наледей и сосулек шел на тысячи, а погибших – около  20 человек, в том числе дети. При этом лишаются премий главы районов городов, увольняются десятки  муниципальных чиновников, а «воз и ныне там».
Резкая и частая смена температур в зимнее время приводит к покрытию крыш и кровель снегом и льдом, замерзанию водостоков и образованию сосулек. Снег, наледи, сосульки, скапливаясь на крышах и водостоках, постепенно разрушают их, оказывая определенное давление своей массой. Многолетний опыт показывает, что зачастую разрушение домов начинается с кровель, неспособных вынести природно – климатических нагрузок, сезонных и суточных колебаний температур.
Главный способ борьбы на сегодняшний день – сбивание сосулек и скалывание льда с помощью лопат и ломов является неэффективным и рискованным методом. Он несет риск для жизни людей и вероятность повреждения кровель, покрытий крыш, водостоков, желобов и т.п..

Предложений по борьбе с наледями и сосульками  немало. Рассматривались варианты применения пара и лазерных лучей для сбивания сосулек, высокочастотные токи, подогрев кровель, обработка кровель специальными покрытиями, использование эковаты   и т.д.  

На наш взгляд, наиболее эффективным способом защиты крыш любых зданий промышленного и гражданского назначения от наледей и сосулек является обогрев кровель и водостоков. Обогрев кровли существенно продлевает срок службы кровельного покрытия и системы водостоков, увеличивает запас прочности зданий и сооружений и, главное, обеспечивает безопасность людей и имущества (автотранспорта, припаркованного возле зданий). Кроме того, разовые вложения в систему обогрева имеют долгосрочный социальный и экономический эффект,  позволяют системно экономить  затраты на ремонт и очистку крыш от наледей и сосулек.

В последние годы некоторым компаниям удалось внедрить в практику на отдельных известных и значимых объектах Москвы  и других городов РФ автоматизированные антиобледенительные системы обогрева кровли и открытых площадей с применением электрического нагревательного кабеля (НК). Однако, на наш взгляд, этим системам несмотря на все их достоинства  присуще ряд существенных недостатков.  Первый -  низкая эффективность передачи тепла от НК ко льду и снегу на кровле, в водосточных желобах, лотках и т.д.; причина - вокруг кабелей в снегу или на льду образуются лишь узкие каналы для стекания воды, при этом около НК возникают пустоты, что ведет к их перегреву (особенно на кромках кровли) и снижению надежности системы. Второй - из-за дискретного расположения греющих элементов малого диаметра (кабелей) на кровле подвод тепла оказывается существенно неоднородным и неэффективным. Третий - НК ничем не защищены от влияния внешних условий (солнце, ветер, осадки, летающий мусор и т.д.); в случае же применения бронированных кабелей неизбежно возникает существенное удорожание системы. Четвертый - необходимость многочисленных креплений НК усложняет систему и делает ее громоздкой при монтаже и эксплуатации. Пятый – система весьма сложна при применении для кровель с идущими вниз гофрами.

Разработанная нами в середине 90-х годов прошлого века автоматизированная система предупреждения образования наледей и сосулек (АСПОНС) содержит помимо  электрического НК (небронированного) и блока автоматики инновационный конструктив – металлическую подложку, имеющую 2 паза; НК укладываются в каждом пазу с плотным касанием стенок [2,3].  Паз  образован двумя буртиками на поверхности подложки, выполненной в виде плоской пластины с 2-мя пазами с образованием термополки. Подложка может быть выполнена с угловым профилем поперечного сечения. Необходимо отметить, что подложки изготавливаются из специального легкого, прочного, антикоррозионного алюминиевого сплава, не требуют никаких покрытий и эстетически внешне хорошо смотрятся. В сравнении с известными аналогами эффект АСПОНС  заключается в повышении надежности системы, расширении области ее применения,   снижении затрат на монтаж и эксплуатацию системы,  повышении эффективности передачи тепла  от НК к кровле и ее кромке (тепловой поток к кровле в несколько раз больше, чем от отдельно лежащего кабеля), ко льду и снегу в водосточных желобах, лотках и т.д., что обеспечивается равномерной передачей теплового потока от НК сначала к высокотеплопроводной металлической подложке, имеющей поперечный размер много больший такового у кабеля, и затем от подложки по всей ее ширине и длине также равномерно – к нагреваемому объекту. НК имеет хороший контакт с подложкой и в пазу не перегревается, при этом подложка легко может быть закреплена на кромке любой кровли (плоской, гофрированной и т.д.), в водосточных желобах на крыше и уложена в лотки. Небронированный НК внутри  паза надежно защищен от внешних механических воздействий и погодных условий.

АСПОНС  содержит варианты плоской 1  и угловую подложку 2 с НК 3. Как видно из рис. 1 а, в, плоская подложка 1 расположена под кромкой кровли 4 и закреплена с помощью скоб 5, а угловая подложка 2 – в водосточном желобе  6.  В водосточных трубах 7 с воронками 8, размещенных на стене здания 9 установлены НК 3. Плоская подложка 1 может быть выполнена в виде пластины 10 с двумя парами буртиков 11, образующих пазы 12, в которых уложены НК 3 (рис. 3. с). Эта конструкция образует термополку 13. Другой вариант плоской подложки 1 – пластина 14 с выступами 15, в которых выполнены пазы 16 с НК 3 (рис. 3.d) образуют  термополку 17. Для размещения в водосточных желобах 6 подложка 1 выполнена с угловым профилем, образованном пластинами 18 и 19 с буртиками 11, пазами 12 и НК 3 (рис. 3. е).

Все НК 3 на термополках 13, 14, в угловых подложках 2, в водосточных желобах 6 и трубах 7 подключены к электропитанию через автоматическую  систему управления (АСУ). АСУ, управляющая работой АСПОНС, представляет собой небольшую  метеостанцию с датчиками температуры, осадков, таймерами и управляющим микропроцессором.   

АСПОНС работает следующим образом. Электропитание  подается только тогда, когда создаются условия для образования наледей и сосулек. Например, когда после оттепели температура воздуха переходит с плюса на минус (с +3ºС  до -5ºС).  При выходе температуры воздуха за этот интервал электрическое напряжение отключается, т.к. наледи и сосульки уже не могут образоваться.Текущая по крыше  и в водосточных трубах  вода не может замерзнуть (образовать наледи и сосульки) даже при отрицательных температурах воздуха, т.к. в это время все термополки,  подложки и НК в водосточных трубах  находятся в  теплом состоянии.  Наличие высокотеплопроводных подложек обеспечивает эффективную и быструю передачу тепла от НК к окружающей среде (снег, лед, вода).  При этом водосточные желоба, воронки  и трубы  работают также  как летом во время дождя – по ним  свободно стекает вода. АСУ делает АСПОНС максимально эффективной и экономной.   Монтаж термополок на кромках любых кровель весьма прост, ибо термополки обладают жесткостью  и могут крепиться скобами. Точки крепления могут располагаться редко (через несколько метров) ввиду жесткости термополок, при полном отсутствии их прогиба.  

Важно то, что мы боремся не со следствием, а с причиной; обогрев крыш предотвращает образование наледей и сосулек. При этом следует отметить, что на подогрев воды требуется существенно меньше затрат тепла (затрат на электроподогрев), чем на растапливание наледей и сосулек. Система АСПОНС успешно эксплуатируется с зимы 1996 /97 г.г. в Москве на административных зданиях  «Мосэнка» на Николоямской, бизнес-центра «Красные Холмы» на Космодамиановской набережной,  бизнес-центра «Павелецкая Плаза» на Павелецкой площади и Садовом кольце и в Московской области на зданиях производственных  цехов Завода безалкогольных напитков в г. Черноголовка.

 

Антиобледенительная система АСПОНСРис. 3 Антиобледенительная система АСПОНС:
а  - общий вид фрагмента системы на крыше с жестяной кровлей, водосточными желобами и трубами;
в  - поперечное сечение кромки кровли;
с, d, e - поперечные сечения конструктивных вариантов подложки с НК.

Разработанная в «Интер Хит Пайп» эффективная и  надежная  система  АСПОНС  обеспечивает полное отсутствие сосулек и наледей на любых крышах  любых зданий, на пандусах, ступеньках и открытых площадках объектов промышленного, гражданского и социального назначения. Представленные инновационные технические решения         запатентованы.

Литература.

1. Bayasan R.M., Korotchenko A.G., Lobanov A.D., Pustovoit G.P.THP based еnergy-efficient technologies experience in cold regions // Proc. of 13th International Heat Pipe Conference (13th IHPC). Shanghai, China, 2004.Vol.2.P.414-419.
2. Березин А.В,  Баясан Р.М. Энергосберегающие технологии от МНТК «Надежность машин» и АОЗТ «Интер Хит Пайт». // «Содружество». 2007. N 23. Стр. IV.
3. Баясан Р.М.,  Березин А.В.  Энергосберегающие технологии и оборудование для систем обогрева и охлаждения на базе двухфазных тепловых труб и тепловых насосов. // «Содружество». 2008. N1. Стр.