Article
Горячая вода без дефицита: как накопители объединяют солнечные коллекторы, ГПУ и котельную
Горячее водоснабжение гостиницы отличается от отопления характером потребления. Отопление изменяется сравнительно плавно вслед за наружной температурой, а горячая вода расходуется короткими и мощными волнами.
Наиболее значительные пики возникают утром, когда гости одновременно пользуются душем, и вечером, когда они возвращаются в номера. В это же время могут работать ресторан, кухня, прачечная, медицинские и оздоровительные помещения.
Если нагревательное оборудование выбирать только по среднесуточному расходу, в обычные часы оно будет справляться, а во время утреннего или вечернего максимума температура воды начнёт снижаться. Если установить оборудование на весь кратковременный пик, значительная часть мощности большую часть суток будет простаивать.
Проблему решает сочетание источников тепла и накопительных ёмкостей. Солнечные коллекторы, ГПУ и котельная производят тепло в доступном для них режиме, а запас нагретой воды покрывает кратковременные пики.
Потребность полного комплекса
Максимальная вместимость комплекса составляет 1 200 гостей. Для предпроектного расчёта на одного проживающего принимается 120 литров горячей воды в сутки.
Максимальный суточный расход горячей воды номерного фонда равен 1 200 человек, умноженным на 120 литров. Получается 144 000 литров, или 144 м³ в сутки.
Для ресторана предварительно рассчитано ещё 12,34–39,49 м³ горячей воды в сутки. Следовательно, суммарный максимальный расход номерного фонда и ресторана составляет приблизительно 156,34–183,49 м³ горячей воды в сутки.
Это не среднесуточное потребление в течение года, а расчётный максимум при высокой загрузке и принятом режиме ресторана.
При среднегодовой загрузке 75% в комплексе в среднем проживают около 900 гостей. Номерной фонд расходует приблизительно 108 м³ горячей воды в сутки, или 39 420 м³ в год.
Ресторан добавляет ещё около 3 379–10 812 м³ горячей воды в год. В результате предварительный годовой объём горячего водоснабжения составляет приблизительно 42 799–50 232 м³.
Прачечная, бассейны, медицинские процедуры, персонал и внешние посетители в этот объём пока полностью не включены.
Расчёт часового пика
Для номерного фонда предварительно принимается максимальный часовой расход 10,2 литра горячей воды на одного гостя.
При вместимости 1 200 человек часовой максимум составляет 12 240 литров, или 12,24 м³.
Холодная вода поступает с расчётной температурой 5 °C и нагревается до 65 °C. Разница температур составляет 60 °C.
Для нагрева 12,24 м³ воды в течение одного часа требуется около 854 кВт полезной тепловой мощности.
Ресторан добавляет ещё 2,805–4,488 м³ горячей воды в час. Его пиковая тепловая нагрузка составляет приблизительно 196–313 кВт.
Общий расчётный часовой расход номерного фонда и ресторана достигает 15,045–16,728 м³. Соответствующая пиковая полезная тепловая мощность составляет около 1,05–1,17 МВт.
Это означает, что горячее водоснабжение способно потребовать более одного мегаватта тепла, даже если средняя нагрузка в течение суток значительно ниже.
First step.
Первая очередь рассчитана максимум на 600 гостей и включает ресторан на 125–200 мест.
Расчётный максимальный суточный расход горячей воды составляет приблизительно 78,17–91,75 м³.
Пиковая тепловая нагрузка номерного фонда равна примерно 427 кВт. Ресторан добавляет около 98–157 кВт.
Общий часовой максимум первой очереди составляет ориентировочно 525–584 кВт. Окончательное значение зависит от режима ресторана, состава номерного фонда и графика пользования водой.
Механически удваивать показатели первой очереди для полного комплекса нежелательно. Общая кухня, прачечная, оздоровительный центр и другие функции могут обслуживать сразу оба корпуса и создавать собственные пики.
Зачем нужен накопитель
Накопительная ёмкость позволяет отделить момент производства тепла от момента потребления горячей воды.
До начала утреннего максимума котельная и ГПУ постепенно нагревают запас воды. Днём к ним подключаются солнечные коллекторы. Во время пикового водоразбора гостиница получает тепло одновременно от работающих источников и накопленного запаса.
Благодаря этому котельную и теплообменники не обязательно рассчитывать на полное мгновенное покрытие каждого кратковременного пика. Часть нагрузки принимает накопитель.
Но накопитель нельзя выбирать только по суточному расходу. Не имеет смысла хранить весь суточный объём горячей воды, если оборудование способно продолжать нагрев во время водоразбора.
Необходимый объём определяется продолжительностью пика, мощностью одновременно работающих источников, допустимым снижением температуры и требуемым резервом.
Сколько энергии хранит вода
Вода является эффективным и сравнительно недорогим средством хранения тепла. Один кубический метр воды при нагреве на 60 °C накапливает приблизительно 69,8 кВт·ч тепловой энергии.
Ёмкость объёмом 10 м³ при таком температурном диапазоне содержит около 698 кВт·ч тепла.
При пиковой нагрузке полного комплекса 1,05–1,17 МВт этот запас теоретически может покрывать примерно 36–40 минут максимального расхода, если в это время другие источники совсем не передают тепло.
В реальной системе котельная, ГПУ и солнечные коллекторы могут продолжать работу во время водоразбора. Поэтому накопитель отдаёт только разницу между потребностью и текущей мощностью источников.
Если во время часового пика потребителям требуется 1,1 МВт, а работающие источники дают 700 кВт, из накопителя необходимо получить около 400 кВт·ч. При используемой разнице температур 60 °C для этого теоретически достаточно примерно 5,7 м³ воды.
Это упрощённый пример. Реальный объём будет больше из-за неполного использования температуры, тепловых потерь, перемешивания воды, требований резервирования и санитарных ограничений.
Бытовая вода и буферный теплоноситель
В системе могут применяться два разных вида накопления.
- Первый вариант — хранение самой горячей бытовой воды. Она находится в теплоизолированных баках и непосредственно направляется потребителям.
- Второй вариант — хранение технической воды отопительного контура. При водоразборе она передаёт тепло холодной бытовой воде через проточный теплообменник.
Во втором случае большой объём питьевой воды не хранится длительное время. В накопителе находится технический теплоноситель, а бытовая вода нагревается по мере потребления.
Возможна и комбинированная схема, при которой отдельные ёмкости используются для горячего водоснабжения и отопления. Окончательный вариант определяется санитарными требованиями, режимом эксплуатации, доступной площадью, резервированием и стоимостью оборудования.
Контур солнечных коллекторов, отопительная вода и бытовая горячая вода не должны свободно смешиваться. Тепло между ними передаётся через теплообменники.
Температурное расслоение накопителя
В правильно организованной ёмкости наиболее горячая вода находится в верхней части, а более холодная — в нижней. Такое естественное разделение называется температурным расслоением, или стратификацией.
Гостиница может забирать горячую воду из верхнего слоя ещё до того, как полностью прогрелся весь объём накопителя. Одновременно холодная нижняя часть создаёт благоприятные условия для эффективной работы солнечных коллекторов.
Если насосы и патрубки интенсивно перемешивают воду, температура во всём баке выравнивается. В результате верхняя часть становится недостаточно горячей для потребителя, а нижняя — слишком тёплой для эффективного отбора солнечного тепла.
Поэтому расположение патрубков, скорость движения воды, управление насосами и внутреннее устройство ёмкости должны сохранять температурные слои.
Стратификация не увеличивает общее количество энергии, но делает накопленный запас более полезным.
Приоритет солнечного тепла
Солнечные коллекторы имеют минимальные топливные затраты, поэтому произведённое ими тепло должно использоваться в первую очередь.
Холодная вода или нижняя часть теплового накопителя направляется к солнечному теплообменнику. Коллекторы выполняют предварительный нагрев настолько, насколько позволяют текущие погодные условия.
Если достигнутой температуры недостаточно, воду догревают ГПУ или котельная. Солнечная система не обязана каждый раз самостоятельно обеспечивать 65 °C. Экономию создаёт любое полезное повышение температуры, уменьшающее расход топлива на последующий догрев.
Особенно эффективно направлять солнечное тепло на воду с минимальной начальной температурой.
Чем меньше разница между температурой коллектора и наружным воздухом, тем ниже тепловые потери и выше его производительность.
Поэтому автоматика должна не просто включать насос при появлении солнца, а выбирать ту часть накопителя, которая способна принять доступное тепло.
Дневная солнечная выработка может использоваться для текущего водоразбора, зарядки накопителей и подогрева бассейнов. Вечерний пик частично покрывается накопленным за день теплом.
Для утреннего максимума потребуется запас, сохранившийся с предыдущего дня, а также ночная работа ГПУ и котельной. Поэтому теплоизоляция ёмкостей и трубопроводов непосредственно влияет на экономику солнечной системы.
Роль когенерации
ГПУ производит электричество и одновременно выделяет тепло. Электрический режим гостиницы может требовать работы установки утром, днём и вечером. Горячее водоснабжение помогает использовать возникающее при этом тепло.
Потенциальная тепловая выработка ГПУ в расчётной модели принимается равной 1,14 кВт·ч тепла на каждый произведённый киловатт-час электричества.
Но экономический результат возникает только тогда, когда это тепло заменяет работу котельной. Если накопители уже полностью нагреты, а горячая вода и отопление не требуют энергии, неиспользованное тепло придётся сбрасывать.
Тепловая ёмкость увеличивает продолжительность полезной работы ГПУ. Установка может работать по электрическому графику, а временно невостребованное тепло сохраняется для следующего водоразбора.
Размер накопителя нельзя определять отдельно от графика ГПУ. Слишком маленькая ёмкость будет быстро заполняться и ограничивать использование тепла. Чрезмерно большая увеличит капитальные затраты, займёт техническую площадь и повысит тепловые потери.
Роль котельной
Котельная выполняет три функции. Она догревает воду до требуемой температуры, покрывает пиковую нагрузку и резервирует солнечные коллекторы и ГПУ.
Даже большое солнечное поле не гарантирует необходимую выработку в пасмурный зимний период. ГПУ также могут останавливаться для обслуживания или ремонта. Поэтому санитарно необходимый объём горячей воды должен обеспечиваться и без их участия.
Это не означает, что котельная постоянно работает на полной мощности. Модульная система включает столько котлов, сколько требуется в конкретный момент.
Накопители уменьшают количество кратковременных включений и позволяют котлам работать более продолжительными циклами. Но окончательная экономия зависит от типа оборудования, минимальной устойчивой мощности и алгоритма управления.
Рециркуляция горячей воды
В крупном гостиничном корпусе расстояние между центральным тепловым пунктом и удалённым номером может быть значительным. Если вода стоит в трубах, она постепенно остывает.
Без рециркуляции гостю пришлось бы долго сливать охлаждённую воду, ожидая горячую. Это ухудшает сервис и увеличивает расход воды.
Рециркуляционный контур возвращает остывающую воду к источнику нагрева. Благодаря этому горячая вода находится рядом с точкой водоразбора.
Однако постоянная циркуляция создаёт тепловые потери. Протяжённые трубы фактически становятся отопительным прибором, работающим круглосуточно. Летом это тепло дополнительно нагревает коридоры, шахты и технические пространства.
Поэтому трубопроводы должны иметь качественную теплоизоляцию, а циркуляционные контуры — гидравлическую балансировку. Температура контролируется не только возле энергоцентра, но и в удалённых точках.
Санитарная безопасность
Большая система горячего водоснабжения требует отдельной программы санитарного управления. Опасность создают участки с недостаточной температурой, застой воды, редко используемые номера, тупиковые ветви и плохо отрегулированная рециркуляция.
Всемирная организация здравоохранения указывает, что бактерии Legionella способны размножаться в водных системах при температуре от 20 до 50 °C, особенно вблизи 35 °C.
Отель и санаторий относятся к объектам со сложной и разветвлённой водной системой. Для них требуется программа управления, включающая контроль температур, исключение застойных участков, промывку редко используемых ветвей, обслуживание накопителей и документирование результатов.
Конкретные температуры хранения, рециркуляции и подачи должны определяться проектом и действующими обязательными требованиями. Одновременно необходимо защищать гостей от ожога, поэтому в точках использования могут применяться регулирующие или термостатические смесительные устройства.
Экономия энергии не должна достигаться снижением температуры до санитарно опасного уровня.
Резервирование и обслуживание
Одна большая ёмкость может оказаться дешевле нескольких небольших, но её остановка лишит комплекс всего запаса горячей воды.
Разделение объёма на несколько накопителей позволяет выводить отдельный бак на очистку и ремонт без полного прекращения горячего водоснабжения. Такой же принцип применяется к теплообменникам, насосам и регулирующей арматуре.
Для каждого элемента необходимо определить, может ли гостиница продолжать работу при его отказе. В проекте проверяется остановка одного насоса, одного теплообменника, одного котла и одного накопителя.
Ёмкости должны иметь доступ для осмотра, очистки, удаления отложений и замены внутренних элементов. Между оборудованием необходимо оставить реальные монтажные проходы, а не только формальное расстояние на схеме.
Система учёта
Чтобы определить фактическую экономию, необходимо отдельно измерять расход горячей воды, температуру холодной и горячей воды, тепло солнечных коллекторов, тепло ГПУ и работу котельной.
Дополнительно измеряются температура верхней и нижней частей накопителей, тепловые потери рециркуляции и расход электричества насосами.
Без этих приборов собственник увидит только общий расход газа, но не поймёт, сколько топлива сэкономили солнечные коллекторы и когенерация.
Учёт необходимо разделить как минимум по корпусам, ресторану, прачечной, бассейнам и медицинской части. Это позволит обнаружить утечки, отклонения от расчётных режимов и потребителей с чрезмерным расходом.
Как определяется окончательный объём накопителей
Сначала составляется почасовой график горячего водоразбора. Он должен учитывать утро, день, вечер, ночь, полную загрузку, среднюю загрузку и мероприятия с внешними посетителями.
Затем на этот график накладывается почасовая выработка солнечных коллекторов, режим ГПУ и доступная мощность котельной.
В каждый час определяется разница между потреблением и производством тепла. Если источники дают больше, накопитель заряжается. Если потребление выше, накопитель отдаёт тепло.
Минимальный объём должен покрывать максимальный накопленный дефицит с учётом допустимого температурного диапазона, тепловых потерь и эксплуатационного резерва.
Формула теплового запаса имеет вид: энергия равна объёму воды, умноженному на её плотность, удельную теплоёмкость и используемую разницу температур. После перевода единиц 1 м³ воды при изменении температуры на 1 °C сохраняет около 1,163 кВт·ч тепла.
Если расчётный дефицит составляет 500 кВт·ч, а полезная разница температур накопителя равна 50 °C, теоретический объём определяется делением 500 на 1,163 и на 50. Получается около 8,6 м³. После этого добавляются поправки на фактически используемый объём, потери, резерв и выбранную схему теплообмена.
Таким образом, объём накопителя не назначается по общему правилу «столько-то литров на номер». Он выводится из реального часового баланса.
Практический результат
Горячее водоснабжение становится связующим элементом всей энергетической системы. Оно принимает дневное солнечное тепло, повышает полезное использование тепла ГПУ, сглаживает утренние и вечерние пики и уменьшает необходимость включения всей котельной мощности.
Для полного комплекса предварительный часовой максимум номерного фонда и ресторана составляет 15,05–16,73 м³ горячей воды, а полезная тепловая нагрузка — около 1,05–1,17 МВт.
Для первой очереди пиковая тепловая нагрузка оценивается в 525–584 кВт.
Эти значения позволяют определить порядок расчёта, но не дают готовый объём накопителей. Для окончательного выбора необходимы технологические задания ресторана, прачечной, бассейнов и медицинского блока, а также почасовой график водоразбора.
Собственнику следует утверждать не отдельный бак, котёл или солнечный коллектор, а единую систему, способную принять самое дешёвое доступное тепло, сохранить его и передать потребителю в момент максимального спроса.