В чём сложность устройства водяных инженерных систем в высотных зданиях?

Недавно я был на конференции, посвящённой вопросам особенностей устройства внутренних инженерных систем в высотных зданиях (выше 100 м). К таким системам с особенностями относятся системы отопления, водоснабжения, вентиляции и кондиционирования.

Вопросы кондиционирования и вентиляции я уже рассматривал в нескольких своих более ранних статьях.

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

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

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

На этот раз меня заинтересовали водопровод и отопление.

Проблемы высотных зданий с отоплением и водоснабжением заключается в том, что статический напор в наполненной водой вертикальной трубе высотой 100 метров достигает 10 атмосфер, на что уже не рассчитаны приборы отопления и сантехника в ванной.

А в Москва‑Сити небоскрёбы достигают высоты 373 м и 95 этажей (башня Федерация), что даёт уже статическое давление более 37 атм на уровне земли. (см.рис.1–4)

Рис.1. Вид на башни «Федерация» в Москва‑Сити.

Рис.2. Схема деления башен Федерация на высотные отсеки.

Рис.3. План одного из нижних офисных этажей башен «Федерация» с единым офисным пространством без стационарных внутренних перегородок.

Рис.4. План 46-го этажа башен «Федерация»: в левой башне помещения поделены на большие квартиры или небольшие офисы, а в правой башне этаж поделен на гостиничные номера. Заметно резкое уменьшение толщины несущих колонн и монолитных внутренних стен в сравнении с нижними этажами.

С таким давлением в 35–40 атм уже не могут работать обычные сантехнические краны, а нужно уже применять дорогие и громоздкие запорные устройства с фланцами, такие как на промышленных ТЭЦ.

При этом допустимое давление для обычных кранов водопровода находиться в диапазоне 4,5–6 атм (45–60 м.вод.ст), а для систем отопления 6–10 атм (60–100 м.вод.ст).

Предельному давлению по воде 6 атм соответствует стандартный панельный дом в 16 этажей (старый стандарт из СССР).

То есть проблемы с давлением воды начинаются уже при высоте домов выше 50 м, для решения которых даже существует отдельный норматив: СП 253.1325800.2016 «ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ» (см.рис.5.)

Рис.5. Фрагмент СП 253 с описанием границ применимости норматива.

Высота современного жилого дома в 25 этажей как раз чуток не дотягивает до 75 м.

Всё что выше, становится предметом рассмотрения специализированного «свода правил» СП253.

Принцип зонирования высотных зданий по давлению в сети

Согласно СП253 любой «небоскрёб» можно представить себе как несколько отдельных 50-ти или 75-ти метровых зданий, которые поставили друг на друга и подключили по отдельности к общим сетям в подвале здания.

Отличия друг от друга этих «секций» можно оценить только по наличию некоторых дополнительных транзитных сетей от нижних к верхним секциям, а именно: водопровод, канализация, отопление и вентиляция. (см.рис.6–9).

Рис.6. Устройство посекционной вентиляции в небоскрёбе.

Рис.7. Устройство посекционного холодного водоснабжения в небоскрёбе с независимым присоединением к внешней сети в подвале.

Рис.8. Устройство посекционного холодного и горячего водоснабжения в небоскрёбе с каскадным повышением давления воды насосом на каждой секции и общим присоединением к внешней сети в подвале. Теплоснабжение на ГВС также выполнено по каскадной схеме с промежуточными теплообменниками на технических этажах.

Рис. 9. Картинка из СП253 со схемой смешенного каскадно‑транзитного теплоснабжения отдельных секций с индивидуальными секционными ИТП.

Наиболее крупной по размеру системой является вентиляция.

Проблемы вентиляцию в высотках я уже рассматривал ранее в отдельной статье.

Здесь рассмотрим водяные системы: водопровод и отопление (теплоснабжение)

Каков размер и мощность системы теплоснабжения одной секции небоскрёба?

Отопление

Размер и мощность сети теплоснабжения рассмотрим по размеру отдельной секции здания.

Так одну секцию примем высотой 50 м и 12 этажей (высота этажа около 4 м), с габаритом в плане 40×40 м

Современные небоскрёбы обычно имеют сплошное остекление фасада.

Такое ограждение из сплошного стекла легче по весу и лучше поддаётся герметизации от продувания сильным ветром и от залива косым дождём.

Если принять сопротивлении хорошего стеклопакета R=0,8м2/вт*С, тогда теплопотери одной секции здания в Москве при минус-26С на улице и температуре +24 С внутри составят 500 кВт:

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

Вентиляция

Использовать открывающиеся окна в небоскрёбах запрещено, а потому устройство принудительной приточно‑вытяжной вентиляции становится обязательным.

Вентиляция в высотных офисах рассчитывается из количества людей по норме 60 м3/ч на человека.

Если считать, что в офисном пространстве на человека приходится около 10 м2 с учётом коридоров и общественных зон, то всего на этаже с площадью Sэт=40×40=1600м2 должно поместиться 160 человек, а во всей секции на 12 этажах уже 160*12=1920 человек.

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

Vпр=1920*60=115200м3/ч.

Тепловая мощность на нагрев вентиляционного воздуха при дТ=(24+26)=50С между улицей и помещением составит Nвент=1925кВт:

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

То есть в офисном здании даже с плохо утепленном сплошным стеклянным фасадом на нужды вентиляции уходит в 4 раза больше тепла, чем на радиаторное отопление.

Итого: Суммарная нагрузка на теплоснабжение систем отопления и вентиляции одной секции составит около 2 500 кВт:

Размер сети теплоснабжения к одной секции небоскрёба

Для подачи тепла на отопление и вентиляцию с суммарной мощностью около 2 500 кВт с помощью водяного теплоносителя на графике 95/70 С потребуется расход воды Gтеп =24 л/с:

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

Для такого расхода на скорости 1 м/с или чуть ниже потребуется труба диаметром около Ф175мм:

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 стандартный типоразмер трубы в большую сторону Ду 200 мм (или труба Ф219×9мм)

Именно такую трубу Ф219мм нужно будет тащить на каждую отдельную секцию на нужды теплоснабжения отопления и вентиляции, а также для нагрева ГВС (которую обычно в офисах не учитывают из‑за избытка тепла на вентиляцию и отопление в непиковом режиме на улице).

Применение горячего насыщенного водяного пара в теплоснабжении

Глядя на эту каскадную систему теплоснабжения из пары труб Ф219мм на каждый отсек, мне внезапно пришла мысль, что в этой ситуации можно использовать не водяной теплоноситель, а насыщенный пар с температурой +110 С.(см.рис.10.)

Рис.10. Таблица параметров водяного пара при разной температуре.

Так у пара с температурой +110 С плотность всего 0,826 кг/м3, что меньше плотности атмосферного воздуха 1,2 кг/м3 при +20 С.

Таким образом, даже в здании высотой 500 м критического давления в паропроводе не возникнет, хотя с высотой перепад давления между паром и атмосферным давлением немного повышается из‑за падения атмосферного давления с большей скоростью.

Идея парового теплоснабжения высотных зданий не нова, и её отголоски легко найти в соответствующих учебниках (см.рис.11.)

Рис.11. Схема высотного зонирования в небоскрёбе периода СССР с применением парового теплоснабжения отдельных высотных зон (из ВУЗ‑овского учебника «Отопление» 1 982 г).

Преимущество парового теплоснабжения в том, что теплопередача с помощью пара осуществляется за счёт огромной энергии конденсации водяного пара 2 230 кДж/кг, а не за счёт теплоёмкости воды Свод=4,19 кДж/кг*С при изменении её температуры на дТ=25С при графике теплоснабжения +95/70 С.

Чтобы передать мощность 2 500 кВт потребуется конденсировать ежесекундно всего 1,12 кг пара, что в 20 раз меньше массового расхода воды на графике +95/70 С:

Gпар=2500/2230=1,12кг/с.

При этом объёмный расход пара составляет 1 360 л/с, то есть оказывается в 57 раз больше, чем объёмный расход воды 24 л/с:

Vпар= Gпар/Qпар=1,12/0,826=1,36м3/с.

Вопрос: Это получается, что для паропровода потребуется огромный трубопровод с диаметром около Ф1400мм?

Ответ: Нет, паропровод будет сильно меньше по диаметру, так как для паропроводов применяют значительно более высокие скорости транспортировки пара, чем для жидкой воды.

Так для нашего случая насыщенного пара с давлением более 1 атм ( в таб. более 10^5 Па) допустимая скорость составит 15–25 м/с (см.рис.12.)

Рис.12 Допускаемые скорости движения среды в трубах.

Интересно, что ограничения скорости для насыщенного пара связаны с сильным износом труб от механической эрозии стенок, особенно на поворотах, где поток сильно закручивается.

То есть стальные стенки трубы с паром изнашиваются от соударении с микроскопическими каплями водяного конденсата на скоростях всего 25–75 м/с.

Вопрос: Почему тонкие жестяные стенки воздуховодов годами не истираются от непрерывного соударения с молекулами воздуха, которые как бы должны постоянно ударять в стену на гораздо более высокой скорости 490 м/с при комнатной температуре +20 С согласно «молекулярно‑кинетической теории» ( МКТ)?

Ответ: Вероятно, что молекулы газа просто не стукаются об метал воздуховодов, а упруго и мягко отталкиваются от твёрдых металлических стенок за счёт дистанционных сил отталкивания по «статической теории газа» (СТГ)!

То есть при подъёме скорости от 1 м/с до 25 м/с диаметр паропровода с давлением выше 1 атм можно уменьшить приблизительно в 5 раз до Ф 300 мм.

Получилось, что паропровод на равную мощность оказался в полтора раза больше по диаметру, чем для водяного теплоносителя.

То есть никакой особой выгоды по сечению труб переход на пар низкого давления 1,5 атм (Т=+110С) мы не получим, кроме как можем чуток понизить толщину стенки трубы паропровода из‑за низкого давления в ней.

Получается, что нет никакой выгоды от перехода на пар по площади шахт под трубы?

Это действительно так, даже если учесть, что толстый паропровод нужен всего один, а конденсат течёт вниз по стенкам этой же трубы или по отдельной трубе Ф100мм.

При этом у водяного теплоснабжения всегда две трубы равного диаметра: подача и обратка. (см.рис.13.)

Рис. 13. Сравнение занимаемого места трубами теплоснабжения на мощность 2 500 кВт: А‑ с водяным теплоносителем +95/70, Б‑ паропровод +110 С с отдельной трубой для конденсата.

Какие тогда выгоды может дать паропровод низкого давления?

Пар с близким к 1 атм давлением сильно снижает требования к запорной арматуре по давлению, а также позволяет избавиться от циркуляционных насосов и теплообменников на транзитных магистралях от ЦТП в подвале к ИТП отдельной секции небоскрёба.

То есть если у небоскрёба есть своя котельная, то вместо труб с водой под высоченным давлением в 10–20 атм можно применять пар при давлении всего +0,5 атм к давлению атмосферного воздуха.

Стоит ли «овчинка выделки»‑ это отдельный вопрос.

Есть ли экономия от перехода теплоснабжения с воды на пар в небоскрёбе?

Экономия складывается из снижения капитальных затрат на этапе строительства и снижения стоимости эксплуатации систем.

Так экономия на насосах и теплообменниках для теплоснабжения нескольких секции небоскрёба может быть весьма значительной.

Один теплообменник на 2 500 кВт с рабочим давлением 10 атм (испытательное 16) может стоить около 1,5 млн. руб, а стоимость насоса на расход 24 л/с (90 м3/ч) составит около 150–200 тыс.руб.

То есть на здание высотой 350 м с отдельными 7-ю секциями по 50 м нужно будет дополнительно 9 теплообменников и столько же циркуляционных насосов, а это уже суммарно переваливает за 15 млн рублей возможной экономии (см.рис.14.)

Рис.14. Схема теплоснабжения в небоскрёбе высотой 350 м посекционных систем отопления высотой по 50 м каждая: А‑ теплоснабжение паром +110 С при 1,5 атм на 7 независимых систем отопления, Б‑ водяное теплоснабжение с давлением до 16 атм в теплообменнике (9 шт. дополнительных теплообменников), В‑ водяное теплоснабжение с давлением до 25 атм в теплообменнике (6 шт. дополнительных теплообменников).

Правда, если использовать теплообменники с более высоким рабочим давлением 25 атм, то количество лишних промежуточных теплообменников сократится с 9 до 6 штук, а экономия упадёт с 15 до 10 млн.

При этом мы во всех вариантах теплоснабжения оставляем неизменным обычное водяное радиаторное отопление внутри самой секции.

При выборе схемы теплоснабжения нужно учитывать так же и саму возможность установить собственную паровую котельную рядом со зданием небоскрёба.

Для башни Федерация на территории Москва‑Сити такой возможности не было, так как вся площадка снабжалась перегретой водой от внешней тепловой сети из города. Именно поэтому на башнях «Федерации» использовали схему теплоснабжения с каскадом теплообменников на технических этажах.

Кому вообще выгодно паровое теплоснабжение?

В промышленности широко применяется паровой обогрев, так как для этого не нужны мощные и дорогие насосы, которые необходимы для водяного отопления. При этом расходы на электричество при постоянной работе электрических насосов могут съесть стоимость самого насоса всего за несколько месяцев.

Так нужный нам насос мощностью 5,5 кВт стоит 199 тыс.руб (см.рис.15.).

Рис.15. Промышленный циркуляционный насос с расходом 90 м3/ч при давлении 1,6 атм. мощностью 5,5 кВт.

При цене электричества для промышленности около 6 руб/кВт*ч насос сожжёт свою стоимость всего за 9 месяцев непрерывной работы:

Т=199000/(5,5*6*24)=251 суток

А ещё за следующие 5–7 отопительных сезонов насос сожрёт стоимость теплообменника, который он прокачивает.

Получается, что в насосно‑водяной схеме теплоснабжения достаточно велики не только первоначальные капитальные затраты, но ещё весьма значительны и текущие эксплуатационные затраты.

В тоже время пар транспортирует сам себя по паропроводам за счёт создания собственной тяги в трубе, где пониженное давление формируется на дальнем конце трубы в зоне интенсивной конденсации пара у потребителя.

К тому же обогрев паром обладает важным свойством «равномерности прогрева», то есть сам пар стремится сконденсироваться в точках с самой низкой температурой поверхности.

Это крайне важно при прогреве ёмкостей сложной формы и большого размера.

Так именно паром промывают и дезинфицируют пищевые цистерны и канистры (например бочки молоковозов).

Правда стоимость тепла от тепловой сети по 2 900 руб/Гкал ( около 2,5 руб/кВт*ч) сожрёт стоимость теплообменника и насоса всего за 14 дней работы на номинальной мощности, так как на полной мощности в сутки одна секция небоскрёба потребляет тепла от тепловой сети на 150 тыс.руб:

24*2,5*2500=150 000 ₽/сутки

То есть по сути надо экономить на потреблении тепла на вентиляцию и отопление, а не на стоимости системы теплоснабжения как таковой.

Именно в этой базовой экономии на стоимости тепла помогает устройство собственной котельной на газу, а не покупка тепла от городской ТЭЦ по двойному ценнику, включающему содержание дорогостоящей тепловой сети через весь город (см.рис.16–17)

Рис.16. Пример готовой блочно‑модульной котельной заводской готовности мощностью 2,5 МВт.

Рис.17. Внешний вид готовой блочно‑модульной котельной заводской готовности мощностью 2,5 МВт.

При цене 18 млн.руб срок окупаемости такой котельной может составить всего 2 отопительных сезона при разнице тарифов на 50% с городской сетью и при средней загрузке 50% за отопительный сезон 214 дней:

0,150*214*0,5*0,5=8 млн.руб/сезон

Так как в данном расчёте не учтены круглогодичные расходы на ГВС, то фактическая загрузка котельной будет несколько выше, что сократит срок окупаемости.

Бытовое применение парового обогрева

Теплоснабжение с помощью пара‑ это одно из древнейших изобретений человечества!

Так римские бани «термы» обогревались именно паром, который циркулировал в каменном подполье бани, равномерно нагревая каменный пол бани.

Пар так же подавался и в саму баню, нагревая стены и потолок бани.

В интернете мне не удалось найти ни одной правильной картинки «термы», где был бы показан открытый котёл с водой над дровяной топкой.

Но это следствие того, что историки — это гуманитарии, не способные ни к каким реальным техническим расчётам.

Важно учитывать, что сам водяной котёл из металла был большой ценностью во времена древнего Рима, а потому металлический котёл уносили первым после разрушения такой бани. То есть водяные котлы в «термах» при раскопках отсутствовали по причине их более позднего разграбления, а не по тому, что котлов там не было изначально(см.рис.18–20.)

Рис.18. Достаточно правильная картинка с разрезом «термы», где непосредственно над очагом расположен большой объём нагреваемой воды в баке, смежном с бассейном. Всё подполье под бассейном также должно обогреваться паром от котла с водой, кипящем в подполье.

Рис.19. Чуть более разумная картинка с разрезом «терм», где непосредственно над топкой очага расположен большой бак с кипящей водой, подающий пар в объём самой термы.

Рис.20. Фактический вид подполя под «термой». Высота подполья не велика, и человек туда не пролезал. Кирпичи в подполье сравнительно чистые, а не покрыты толстым слоем копоти, как это должно быть у дымоходов. Визуализация справа нарисована неверно, так как непонятно кто будет работать в дыму у открыто горящего огня в подполье. В таком задымлённом помещении достаточно всего пары вдохов, чтобы умереть от отравления угарным газом.

Роль горячего воздуха и дыма от огня в отоплении римской бани была крайне незначительна, так как водяной пар из кипящего котла с водой и выход горячего дыма из дровяной топки по переносимой энергии отличаются в десяток раз.

Так если дрова горят при температуре +1500 С, а температура выходящего из дымохода печи дыма всего +150 С (показатель хорошей кирпичной многоходовой печи), то это значит, что 90% тепла от дыма было отдано самой печи или кипящему при +100 С котлу с водой.

Также конденсация пара обеспечивает очень равномерный прогрев поверхностей по температуре, так как интенсивная конденсация паров воды происходит на самых холодных поверхностях, отличающихся по температуре всего на несколько градусов.

Современные влажно‑паровые бани «хамам» — это прямые наследники римских «терм».

Только теперь кипящий на огне котёл с водой заменили на электрический парогенератор, который автоматически включается, если температура в парной «хамама» снижается ниже установленных +40 С.(см.рис.21.)

Рис.21. Современный «хамам» в работе: В помещении висит туман, а все стены и пол с потолком покрыты конденсатом. Пар от парогенератора подаётся по трубкам с перфорацией в пространство под каменные лавки, разогревая сначала сами лавки, а после чего пар выходит уже в объём парной для прогрева стен и потолка.

В «хамаме» при 100% влажности пар с температурой всего +40 С начинает конденсироваться на относительно холодной коже человека с температурой всего +36,6 С. Именно конденсация насыщенного пара на коже вызывает интенсивный нагрев тела в «хамаме».

Точно также старинные деревенские бани «по‑чёрному» отапливались именно паром от открыто кипящего котла с водой, а вовсе не дымом, как это нам принято рассказывать в среде «экскурсоводов».

При этом в бане «по‑чёрному» дым от огня в очаге под котлом выходил свободно под потолок, уходя за тем в дыру в потолке, при этом не создавая особых рисков для истопника и парящихся.(см.рис.22–23)

Рис.22. Баня «по‑чёрному» где над очагом висит котёл с кипящей водой, а пар от кипящей воды обогревает помещение.

Рис.23. Баня «по‑чёрному» без трубы на крыше. Дым от очага выходит из дыры в боковой стене.

Точно также «по‑чёрному» до сих пор топятся юрты, чумы и яранги у кочевых народов, где посередине круглого шатра расположен очаг с открытым огнём, а дым свободно уходит в большую дыру в крыше по центру купола (см.рис.24–26.)

Рис.24. Монгольская юрта в разрезе: по центру пола расположен открытый очаг с огнём, а под куполом большое отверстие для выхода дыма.

Рис.25. Чум или яранга кочевых народов севера (чукчи и.т.д.). Шатёр из прямых стоек накрывается шкурами, а по центру чума разводится огонь с выходом дыма в дыру наверху на перекрестии жердей.

Рис.26. Чум или яранга кочевых народов севера внутри. По центру чума разводится открытый огонь для обогрева и приготовления пищи.

В данном случае отопление юрт и яранг имеет «радиационный» характер, то есть инфракрасное излучение от открытого огня напрямую греет тонкие стенки шатра и людей внутри.

Воздух в шатре может при этом быть достаточно свежим и холодным, что обеспечивает интенсивную просушку вещей внутри шатра.

Интересно, что для радиационного обогрева круговой стенки вообще может не быть!

Так при ночёвке в лесу достаточно наклонного навеса за спиной и костра перед навесом, чтобы вполне комфортно ночевать зимой у костра без целиковой палатки (см.рис.27–33.)

Рис.27. Описание и схема ночёвки у костра зимой под наклонным навесом из лапника и жердей. Навес закрывает от холода с трёх сторон и сверху от излучения в холодное небо — это весьма эффективное решение.

Рис.28. Фото реальной ночёвки у костра зимой под наклонным навесом из лапника и жердей. Навес закрывает от холода с трёх сторон и сверху от излучения в холодное небо — это весьма эффективное решение.

Рис.29. Ночёвка у костра зимой с вертикальным тентом за спиной. Тент маленький и не закрывает сверху от излучения в холодное небо — это не самое эффективное решение.

Рис.30. Ночёвка у костра зимой с наклонным тентом за спиной. Тент треугольный до земли, что хорошо блокирует от холода с трёх сторон.

Рис.31. Ночёвка у костра зимой с наклонным плоским тентом за спиной. Тент не опускается до земли, оставляя поддув холода в спину‑ это ошибка.

Рис. 32.Долговременная стоянка для ночёвки у костра осенью на несколько человек под наклонным навесом из лапника и жердей. Навес закрывает от холода с трёх сторон и сверху от излучения в холодное небо — это весьма эффективное решение.

Рис.33. Классическая одиночная ночёвка у костра зимой в лесу под наклонным навесом из лапника и жердей. Навес закрывает от холода с трёх сторон и сверху от излучения тепла в холодное небо — это весьма эффективное решение.