О возможности практической реализации регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя. Погодозависимое управление насосно-смесительными узлами в системах теплого пола

C. Дейнеко

Погодозависимое регулирование для тепловых пунктов централизованных систем отопления Во времена СССР регулирование температуры теплоносителя, подаваемого в централизованные системы отоплении зданий, осуществлялось на ТЭЦ, котельных и элеваторных узлах центральных (ЦТП) и индивидуальных (ИТП) тепловых пунктов зданий. Однако из-за большой протяженности трубопроводов и, связанной с этим инерционности систем, реального эффекта это не давало. В ЦТП или ИТП при этом были установлены элеваторные узлы, которые не позволяли производить количественное регулирование теплоносителя. Соответственно, температура воды, поступающей в систему отопления, изменялась в зависимости от температуры приходящего от ТЭЦ или котельной теплоносителя, а расход оставался постоянным. Современные контроллеры позволяют осуществлять качественно-количественное регулирование систем отопления, и, таким образом, экономить значительную часть энергоресурсов. Рассмотрим типовые схемы применения контроллеров, предлагаемые компанией Honeywell

Современные контроллеры позволяют управлять несколькими схемами, каждая из которых может быть модифицирована путем изменения параметров настройки. Рассмотрим несколько схем автоматизации работы теплового пункта с применением погодозависимого регулирования.

Схема независимого присоединения системы отопления (рис. 1) позволяет не только разделить контуры внутренней системы отопления от контура центральной тепловой сети, производить регулирование температуры обратного потока первичной стороны (температуры теплоносителя поступающего после теплообменника к источнику тепла), а также осуществлять погодозависимое управление температурой внутренней системы отопления (вторичная сторона). При этом температура теплоносителя, находящегося в системе отопления здания, изменяется в зависимости от выбранного температурного графика и колебаний температуры наружного воздуха.

Рис. 1. Схема независимого присоединения системы отопления:
SDC7-21N - котроллер; AF - датчик температуры наружного воздуха; VFB, WF - датчики температуры теплоносителя; V1 - двухходовой регулирующий клапан; DKP - циркуляционный насос системы отопления; SDW - датчик температуры внутреннего воздуха или комнатный модуль для удаленного регулирования

Управление температурой теплоносителя системы отопления осуществляется с помощью двухходового регулирующего клапана (V1), (клапан может устанавливаться и на подающем трубопроводе Т1), а циркуляция - за счет работы циркуляционного насоса системы отопления (DKP). Клапан регулирует количество теплоносителя, поступающего в теплообменник для нагрева воды, циркулирующей во внутренней системе отопления в зависимости от показаний датчиков температуры теплоносителя (WF и VFB). В зависимости от температуры наружного воздуха (AF) и выбранного температурного графика происходит изменение температуры теплоносителя, циркулирующего во внутренней системе отопления (вторичный контур). Среди возможных настроек индивидуальных характеристик нагрева системы - выбор типа задания в зависимости от ограждающих конструкций, особенностей внутренней системы отопления, временных режимов работы в зависимости от времени суток и дня недели, функция защиты от замерзания, периодическое включение циркуляционного насоса в летнее время.

Контроль температуры воздуха в отапливаемых помещениях осуществляется за счёт использования датчика температуры внутреннего воздуха или комнатного модуля (SDW), который может использоваться в качестве выносного пульта управления.

Неисправности в работе системы отображаются на дисплее контроллера. Это, например, обрыв датчика или ситуация, когда невозможно достичь заданного значения температуры теплоносителя. При использовании схемы с одним контуром системы отопления и одним контуром системы ГВС (рис. 2), возможно достичь погодозависимого регулирования температуры обратного потока первичной стороны и управление в зависимости от температуры наружного воздуха контуром отопления, а также поддержания фиксированного значения температуры в системе ГВС.

Рис. 2. Схема независимого присоединения системы отопления и системы ГВС:
MVC80 - котроллер; AF - датчик температуры наружного воздуха; VFB1, VFB2, VF1, SF - датчики температуры теплоносителя; V1, V2 - двухходовые регулирующие клапаны; P1 - циркуляционные насосы системы отопления; P2 - циркуляционные насосы системы ГВС; PF - подпиточный насос системы отопления; SV1 - подпиточный клапан системы отопления; PS1 - реле давления

Управление осуществляется посредством регулирующих клапанов (V1 и V2), работы циркуляционных насосов системы отопления и ГВС (P1 и P2).

Автоматическая подпитка системы топления осуществляется за счет установки, подпиточного насоса (PF) и клапана (SV1). Если реле минимального давления вторичной стороны (PS1) генерирует некритическую тревогу, то открывается клапан подпитки SV1 и включается насос PF контура подпитки. Настройка пользовательских характеристик осуществляется аналогично предыдущему варианту.

При использовании схемы с одним контуром системы отопления и контуром системы ГВС с двухступенчатым теплообменником (рис. 3), можно достичь погодозависимого регулирования температуры общего обратного потока первичной стороны и погодозависимое управление контуром отопления, а также поддержания фиксированной температуры в системе ГВС. Нагрев холодной воды для санитарных нужд осуществляется за счет использования тепла от теплоносителя после теплообменника системы отопления, а догрев воды до необходимой температуры и её поддержание в системе ГВС - за счет работы второй ступени нагрева и регулирующего клапана (V2).

Рис. 3. Схема управления системой отопления и ГВС с двухступенчатым теплообменником:
MVC80 - котроллер; AF - датчик температуры наружного воздуха; VFB1, VF1, SF - датчики температуры теплоносителя; V1, V2 - двухходовые регулирующие клапаны; P1 - циркуляционные насосы системы отопления; P2 - циркуляционные насосы системы ГВС; PF - подпиточный насос системы отопления; SV1 - подпиточный клапан системы отопления; PS1 - реле давления

Схема независимого присоединения двух контуров отопления показана на рис. 4. Она применяется для погодозависимого регулирования температуры обратного потока (VFB) первичной стороны через клапан V1.

Рис. 4. Схема независимого последовательного присоединения двух контуров отопления:
SDC9-21N - котроллер; AF - датчик температуры наружного воздуха; VFB, WF, VF1 - датчики температуры теплоносителя; V1 - двухходовой регулирующий клапан; MK1 - привод смесительного клапана; P1 - циркуляционный насос смесительного контура системы отопления; DKP - циркуляционный насос прямого контура системы отопления; RLF1 - датчик температуры теплоносителя из системы отопления; SDW - датчик температуры внутреннего воздуха или комнатный модуль для удаленного регулирования, TKM - аварийный термостат для предотвращения перегрева теплоносителя

Данная схема позволяет достичь управления смесительным контуром системы «теплых полов» и прямым контуром радиаторной системы отопления с погодной компенсацией или с постоянной температурой.

Управление осуществляется посредством работы двухходового регулирующего клапана V1), трехходового смесительного клапана (MK1), а также циркуляционными насосами (P1) смесительного контура и насосом прямого контура системы отопления (DKP). Регулирование температуры обратной воды (VFB) производится в соответствии с настраиваемым температурным графиком.

Для регулирования температуры теплоносителя зависимых систем отопления (в которой сетевая вода от источника тепла поступает и во внутреннюю систему отопления) применяется трехходовой смесительный клапан (МК1) (рис. 5). Перед регулирующим клапаном устанавливается регулятор перепада давления, а в случае, когда давления в обратном сетевом трубопроводе (Т2) недостаточно для нормального гидравлического режима работы системы отопления, на выходе из системы отопления после смесительной перемычки может быть установлен регулятор давления «до себя». Также циркуляционный насос системы отопления (P1) может быть установлен не на подающем трубопроводе системы отопления (как показано на рис. 5), а на обратном трубопроводе.

Если отключить систему отопления нетеплоемкого здания в 17 часов

при нулевой наружной температуре, то температура в помещениях понизится до + 10 ОС только к двум часам ночи. К этому времени в систему нужно подать на 10 - 15 минут расчетное количество теплоносителя, чтобы поднять температуру до 10,5 -11 ОС, после чего система должна быть снова отключена на 45 - 55 минут. В таком режиме прерывистого отопления система должна работать примерно до 6 часов утра, когда ее нужно включить для непрерывной работы с целью повышения температуры внутреннего воздуха к началу рабочего дня. Вначале эта температура будет повышаться быстро при подаче в систему расчетного количества теплоносителя, потому что тепловая мощность отопительных приборов будет превышать расчетное значение из-за более низкой температуры воздуха, однако с повышением температуры скорость возрастания температуры будет уменьшаться, и до расчетного (18 ОС) значения эта температура теоретически будет возрастать бесконечно долго, если процесс нагревания искусственно не форсировать, подав в систему, начиная с 7 часов 30 минут, увеличенный по сравнению с расчетным значением расход теплоносителя. К 9 часам утра, то есть к началу рабочего дня температура внутреннего воздуха достигнет 18 ОС, и расход теплоносителя должен быть вновь понижен до расчетного значения.

Характер относительного (в долях от расчетных значений) изменения расхода теплоносителя и теплопотребления по часам суток приведен на рис. 6.

Практически полностью прекращать подачу теплоносителя в ночное время было бы неправильно, потому что в этом случае температура воды в обратном трубопроводе системы отопления никак не отражала бы фактическое ее состояние, а это не позволило бы использовать этот важный параметр в качестве сигнала управления работой автоматики. Поэтому минимальный расход теплоносителя должен быть на уровне от 5 до 10% от расчетного значения. Тогда кратковременный максимальный, в период активного натопа расход воды не превысит 140% расчетной величины.

Относительные величины часового теплопотребления будут близкими величинам расхода, однако они не будут в точности равны им из-за того, что температура воды в обратном трубопроводе будет изменяться вместе с изменением расхода. Так, если минимальный расход теплоносителя будет установлен на уровне 5% от расчетного значения, то минимальное теплопотребление составит около 8%. С учетом этой разницы уменьшение суточного теплопотребления при минимальной ночной температуре внутреннего воздуха 10 ОС оценивается величиной 18-20%.

Тепловой пункт

Основным и бесспорным критерием качества современной отопительной системы является ее способность адекватно реагировать средствами автоматического регулирования на изменяющиеся потребности в тепловой энергии отапливаемого здания независимо от того, меняется ли потребность в результате внешних воздействий на здание или в последствие внутренних факторов. В современных тепловых пунктах адекватное реагирование обеспечивается средствами пропорционального качественного регулирования, при котором плавно меняется температура теплоносителя, в то время как расход воды в системе отопления остается неизменным.

Для реализации пропорционального регулирования в тепловом пункте устанавливают циркуляционные насосы, а смешение воды из подающего трубопровода тепловой сети с водой из обратного трубопровода системы отопления обеспечивается регулирующим клапаном, устанавливаемом на подающем трубопроводе, или трехходовым регулирующим клапаном, устанавливаемом в точке смешения. При применении микропроцессорной автоматики можно обеспечить таким способом достаточно эффективное центральное регулирование отопительных систем, хотя, следовало бы отметить, любое центральное регулирование многокомнатного здания не способно в полной мере решить задачу экономного расходования энергии столь же эффективно, как это можно было бы реализовать средствами регулирования местного.

На Украине бесшумные циркуляционные насосы, которые могли бы устанавливаться в тепловых пунктах зданий, не производятся, и потому практически все существующие здания, присоединенные к системам централизованного теплоснабжения, оборудованы элеваторным тепловым вводом. В отличие от электрического циркуляционного насоса насос водоструйный (элеватор) не способен обеспечить пропорциональное регулирование тепловой мощности, потому что при неизменяющемся сопле в нем происходит смешение при неизменной пропорции смешивающихся сред, в то время как процесс регулирования предполагает возможность изменения этой пропорции или, как принято называть, коэффициента смешения. По этой причине на Западе элеватор напрочь отвергнут как устройство для тепловых пунктов. Быть может это произошло еще и потому, что с бесшумными насосами там уже давно проблем никаких не возникает.

Несмотря на то, что современные бесшумные насосы сегодня свободно предлагаются иностранными фирмами на внутреннем рынке Украины, у нас проблем с этим оборудованием будет немало, если оценивать эти проблемы, глядя из темных подвалов и непролазных технических подполий миллионов построенных за последнее десятилетие жилых домов, детских садов, школ и других зданий. Поэтому стоит внимательнее присмотреться к знакомому всем элеватору, которому иногда приписывают недостатки, вовсе не свойственные.

Говорят, что у элеватора низкий КПД, и это было бы справедливо, если бы для его работы необходимо было бы расходовать энергию. На самом деле для работы смешения используют имеющуюся разность давлений в трубопроводах теплоснабжения. Если бы не элеватор, то пришлось бы дросселировать поток теплоносителя, а дросселирование, как известно, - это чистая потеря энергии. Поэтому применительно к тепловым вводам элеватор - это не насос с низким КПД, а устройство для вторичного использования энергии, затраченной на привод циркуляционных насосов ТЭЦ или районной котельной.

Говорят, что элеватор - это устройство, не способное обеспечить заданный коэффициент смешения, потому что сопло должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление в трубопроводах тепловой сети, а коэффициент смешения при этом будет такой, какой получится. К сожалению, на практике часто так и поступают, но это неправильная практика. Сопло не должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление. Избыточное давление должно устраняться регулятором перепада давления или дроссельной шайбой, а сопло элеватора должно подбираться таким образом, чтобы обеспечивался заданный расход воды в системе отопления. Хуже, когда на вводе нет достаточного для работы элеватора располагаемого давления. Так иногда бывает, но тогда и применять элеватор не следует.

Неспособность обеспечить пропорциональное регулирование - это единственный недостаток элеватора, устройства, в целом, очень простого, надежного и непритязательного в эксплуатации.

Посмотрим теперь вновь на характер изменения расхода теплоносителя при программном регулировании тепловой мощности (рис. 6). Здесь не нужно никакого пропорционального изменения расхода сетевой воды, то есть не нужно ничего такого, с чем бы не справился элеватор. Это сразу открывает реальные возможности уменьшить теплопотребление в общественных зданиях, не прибегая к полной и дорогостоящей реконструкции имеющихся тепловых пунктов, которые могли бы быть оснащены так, как показано на рис. 7.

На тепловом вводе устанавливается теплосчетчик (поз. 1-3). Сопло существующего элеватора 4 рассчитывается на обеспечение проектного смешения, а дроссельная шайба 5 -на погашение избыточного давления. В конце рабочего дня должен закрыться электромагнитный клапан 6, имеющий калиброванное отверстие для пропуска 5% теплоносителя при закрытом положении клапана. Одновременно закроется электромагнитный клапан 7, отключающий на часы нерабочего времени систему горячего водоснабжения от источника тепла. Электромагнитный клапан 8 откроется на короткое время перед началом рабочего дня для того, чтобы интенсивно нагреть помещения,

остывшие за ночь. Проток теплоносителя через открытый клапан 8 лимитируется установленной рядом с ним дроссельной шайбой.

Датчики температуры теплоносителя 9 и воздуха 10 дают информацию для электронного регулятора 11, имеющего встроенные часы (таймер). Регулятор командует открытием и закрытием электромагнитных клапанов 6, 7 и 8. Команды могут формироваться на основе информации, полученной от датчиков температуры, установленных в двух контрольных помещениях, расположенных на различных фасадах здания, причем должна приниматься во внимание информация о температуре в самом холодном контрольном помещении, что весьма важно для тех случаев, когда один из фасадов обдувается сильным ветром. Можно воспользоваться также информацией о температуре воды в обратном трубопроводе, с тем, чтобы вычислять продолжительность возможного отключения системы отопления. Например, при температурах наружного воздуха выше +5 ОС регулятор может отключить систему отопления на всю ночь, а при температурах -15 ОС и ниже режим ночного программного регулирования можно отключить.

Тепловой пункт включает в себя также обычные устройства (поз. 12-17) для горячего водоснабжения. К числу этих устройств отнесен также воздухосборник 15 с краном 16 для автоматического выпуска воздуха.

Известно, что в системах горячего водоснабжения большую опасность представляет собой кислородная коррозия. Применяется много устройств, способных подавить эту коррозию (напр. катодная защита, силикатная обработка воды и др.), однако простейшим из таких устройств является воздухосборник с краном, установленные непосредственно после водоподогревателя. Кислород, выделившийся из подогретой воды, выходит в атмосферу до того, как он поступит в трубопроводы.

| скачать бесплатно О возможности практической реализации регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя (страница 2 из 3) , Гершкович В.Ф,

Оснащение дополнительным оборудованием традиционных систем отопления позволяет существенно повысить их эффективность без радикальной реконструкции в ходе модернизации жилого фонда.

Потенциал систем отопления

Для системы водяного отопления энергоэффективный уровень теплопотребления может быть обеспечен при следующем наборе функций и возможностей:
- автоматическое поддержание температурного графика на вводе в здание;
- регулирование теплоотдачи системы, включая термо-регулирование на отопительных приборах и стояках;
- автоматическое поддержание требуемого/расчетного распределения потока теплоносителя по всем участкам системы;
- индивидуальный учет тепла, мотивированный оплатой по фактическому потреблению.

По конструктивному исполнению можно представить следующие основные варианты энергоэффективных систем отопления:
- система с горизонтальной поквартирной разводкой трубопроводов с различными конструктивными вариантами поквартирных тепловых пунктов или распределительных щитов, включающими комбинации автоматики регулирования, теплообменники для контуров отопления и/или ГВС и др.;
- традиционная система отопления с вертикальными внутриквартирными стояками — однотрубная и двухтрубная, комплексно оснащенная приборами автоматического регулирования и учета тепла.

Возможны и другие конструктивные варианты систем и их комбинации.
Для систем с горизонтальной разводкой потенциал энерго-эффективности и набор оборудования, обеспечивающий нормативный уровень теплопотребления, очевидны и описаны в работах многих специалистов. В то же время потенциал повышения энергоэффективности традиционных вертикальных систем отопления для многих специалистов пока не очевиден. Однако он весьма значительный, и возможность модернизации таких систем следует рассмотреть более подробно, поскольку:
- данные системы являются наиболее массовыми в применении, особенно в существующем жилом фонде;
- радикальная конструктивная трансформация таких систем в горизонтальные в ходе модернизации здания слишком затратная.

Модернизация узла ввода теплоносителя в здание

Важнейшим элементом системы отопления любого конструктивного исполнения является узел ввода теплоносителя в здание. Наиболее энергоэффективными решениями ввода являются автоматизированный узел управления (АУУ, вариант зависимой схемы присоединения системы отопления) или индивидуальный тепловой пункт (ИТП, вариант независимой схемы присоединения с теплообменниками контура отопления и ГВС). В этих устройствах обеспечивается соблюдение температурного графика, адекватного температуре наружного воздуха и текущему теплопотреблению здания, а также надежная насосная циркуляция теплоносителя в системе отопления.

Экономический эффект от применения указанных устройств составляет от 10 до 30% в зависимости от соответствия состояния здания проектным решениям и от условий его эксплуатации.

Известен ряд альтернативных АУУ технических решений узла ввода, таких, как:
- узел смешения теплоносителя с элеваторами с постоянным или изменяющимся коэффициентом смешения;
- узел без смешения теплоносителя — применяется при подаче в здание теплоносителя с температурой, равной расчетной температуре в системе отопления.

На наш взгляд, применение этих устройств и технических решений в энергоэффективных системах отопления неприемлемо. Техническая аргументация, квалифицированно обосновывающая неадекватность таких решений для современных систем отопления, давно известна. Однако по разным причинам критика не всегда принимается во внимание.

Разовое применение таких решений приводит к возникновению проблем в одном конкретном здании. Но когда допущение о применении элеватора включается в нормативы, в частности, в актуализированный СНиП ОВК, как сделано сейчас, — это уже более серьезная ошибка, которая приведет к массовым превышениям нормируемого уровня энергоэффективности во вновь возводимых и модернизируемых зданиях.

В подтверждение этих слов можно сослаться на работу коллег из ВТИ , в которой проанализирован ряд возможных схем автоматизированных элеваторных узлов смешения. В работе детально рассмотрены основные недостатки каждой из схем. Общим недочетом всех схем является то обстоятельство, что для обеспечения адекватной работоспособности таких устройств необходимо поддержание в системе отопления постоянного и малого по своей величине гидравлического сопротивления. Однако эти требования практически невыполнимы при наличии в системе отопления терморегуляторов и другой арматуры автоматического регулирования.

Следует также отметить негативную эксплуатационную практику применения таких элеваторов.

Поддержание расчетного распределения потока теплоносителя

Данное мероприятие позволяет исключить перетопы или дефицит тепла на отдельных стояках традиционных вертикальных систем отопления. Такая возможность обеспечивается установкой на стояках автоматических балансировочных клапанов, поддерживающих постоянство перепада давления в стояках двухтрубных систем или постоянства расхода в стояках однотрубных систем отопления.

Для вертикальных двухтрубных систем отопления это мероприятие не вызывает вопросов у специалистов, однако относительно однотрубной системы ряд специалистов высказывают сомнения в его актуальности.

Эти сомнения базируются на следующем:
- значительное количество вертикальных однотрубных систем, особенно в типовом домостроении, рассчитано по методу переменных (скользящих) перепадов температур, что теоретически должно обеспечивать гидравлическую сбалансированность стояков;
- в однотрубных системах отопления, даже при срабатывании термостатов, поддерживается постоянный расход теплоносителя, т. е. автоматизированный контроль и регулировка стояков не требуются.

По каждому из этих утверждений есть достаточно простая контраргументация. В частности, по первому утверждению: из литературы известны расчетные ограничения этого метода, не позволяющие достаточно точно сбалансировать стояки. Также некорректно утверждение о постоянстве расхода при коэффициенте затекания порядка 0,25 и при изменении расхода теплоносителя, связанного с изменением гравитационного давления в стояках. Все это достаточно убедительно показано в детальных расчетах, выполненных украинскими специалистами .

Однако все эти расчетные эффекты перекрываются влиянием ошибок и допущений, вносимых в систему отопления в массовом порядке при ее проектировании и монтаже, а также изменениями в конструкции системы, вносимыми жильцами в пределах квартиры.

Результаты обследования типовых секционных зданий показали разброс расхода теплоносителя на контрольных стояках в пределах ±30% относительно проектных значений. После установки балансировочных клапанов и их настройки на проектные значения дисбаланс не превышал ±3%.

В результате теплопотребление зданий снизилось на 7-12% за счет сокращения необоснованного проветривания в помещениях на «перегретых» стояках и корректировки настроек автоматики узла ввода, защищающих «отстающие» стояки (рис. 1).

Рис. 1. Различия в работе терморегуляторов

Терморегулирование стояков как средство качественного регулирования теплоотдачи

Следующий шаг в повышении энергоэффективности традиционной однотрубной системы отопления — обеспечить количественное регулирование теплоотдачи системы не только на уровне отопительных приборов с помощью термостатов, но также на стояках посредством установки терморегуляторов в корне стояков, совместив их конструктивно с балансировочными клапанами (рис. 2). Эффект достигается путем сокращения расхода теплоносителя через конкретный стояк, температура теплоносителя в котором повышается в результате закрытия термостатов при избытке тепла в отдельных помещениях.

Рис. 2. Терморегулирование стояков однотрубных систем отопления

Результаты функционирования терморегулятора на одном из контрольных стояков представлены на рисунке 3. Из графиков видно сокращение расхода теплоносителя в стояке как следствие повышения в нем температуры теплоносителя в результате закрытия термостатов на отдельных отопительных приборах. При этом температура воздуха в контрольном помещении не изменяется.

Рис. 3. Энергоэффективность автоматической балансировки стояков

Значения настройки данных устройств определяются в ходе обследования здания и выявления потенциала источников избыточного тепла. Наиболее эффективны «постоячные» терморегуляторы с электроприводом и системой автоматического контроля температуры теплоносителя в стояках.

Экономический эффект от применения терморегулирования стояков зависит от величины неучтенных в проекте избыточных теплопоступлений в здание, в том числе от избыточной поверхности нагрева отопительных приборов. По результатам обследования экспериментальных зданий эффект составил от 8 до 12% в зависимости от состояния здания.

Индивидуальный (поквартирный) учет тепла

Индивидуальный (поквартирный) учет тепла с оплатой по фактическому его потреблению является важнейшим фактором, мотивирующим жильцов к энергосбережению. Без этого мероприятия система энергосберегающих мероприятий остается «разомкнутой», базирующейся только на административных рычагах.

Известны следующие основные типы систем индивидуального учета тепла, применяемых для традиционных вертикальных однотрубных систем отопления.
Система с аллокаторами (heatcostallocator — распределитель стоимости потребленной теплоты) на каждом отопительном приборе регистрирует разницу температур (tалл) между поверхностью отопительного прибора и воздухом помещения. Расход теплоносителя регистрируется на домовом счетчике и участвует только в расчете подомового теплопотребления.

Система с датчиками температур теплоносителя, установленными в стояке на каждом этаже, регистрирует разницу температур (tэт) теплоносителя в стояке в пределах каждого этажа. Расход теплоносителя регистрируется на каждом стояке и в подомовом теплосчетчике.

Для вертикальных двухтрубных систем отопления применяется только система с аллокаторами.

Обе указанные выше системы распределительные, принцип их работы достаточно подробно описан в литературе.

В настоящей статье рассматривается только один аспект — точность расчета теплопотребления. Данная информация должна позволить проектировщику сделать выбор между системами, адекватный задачам энергосбережения и защиты прав жильца на справедливую оплату за потребленное тепло.

В таблице представлены изменения перепадов температур tалл и tэт и соответствующие им погрешности измерений в рассматриваемых системах индивидуального учета в зависимости от этажности здания и температуры теплоносителя в течение отопительного сезона. При этом погрешность определения tэт рассчитана с учетом погрешности измерения датчика температур tдат = 0,05 °С.

Табл. 1. Перепады температур tалл и tэт и соответствующие им погрешности измерений

В ходе эксплуатации системы, в силу ряда причин, возможно снижение точности измерения датчика. Для иллюстрации в таблице в скобках представлены данные, рассчитанные для tдат =0,1 °С для варианта с наибольшей погрешностью.

Как видно из таблицы, tалл >> tэт, при этом абсолютные значения tэт весьма малы. Оба эти обстоятельства существенно влияют на точность начисления платежей. Так, при среднем ежемесячном начислении за потребленное тепло, например, 2 000 руб. необоснованная переплата или недоплата отдельных жильцов может составить:
- 450-550 руб./мес. — для системы с датчиками на стояках при tдат = 0,05 °С;
- 650-1 050 руб./мес. — для системы с датчиками на стояках при tдат = 0,1 °С;
- 60-100 руб./мес. — для системы учета с аллокаторами.

Как видно из примера, погрешность начисления платежей для системы с датчиками на стояках в несколько раз превышает погрешность системы с аллокаторами. Очевидно, что ошибка начислений возможна в обе стороны — как в пользу жильца, так и в пользу поставщика ресурсов. В обоих случаях невозможно свести баланс по показаниям поквартирных и подомового счетчика, а также исключить жалобы со стороны жильцов или поставщика тепла вплоть до судебных разбирательств.

В любом случае, при коммерческом расчете за тепло следует рекомендовать к применению систему индивидуального учета с наименьшей возможной погрешностью.

Заключение

Рассмотренные выше мероприятия по модернизации существующих вертикальных однотрубных и двухтрубных систем отопления показывают, что для существенного повышения их энергоэффективности нет необходимости производить радикальную реконструкцию традиционных систем в ходе модернизации, достаточно лишь дооснастить их соответствующим оборудованием.

Литература
1. Байбаков С. А., Филатов К. В. «О возможности регулирования элеваторных узлов систем отопления». // «Новости теплоснабжения». № 7, 2010 г.
2. Богословский В. Н., Сканави А. Н. «Отопление». — М.: Стройиздат, 1991 г.
3. Милейковский В. А. «Математическое моделирование переменного гидравлического и теплового режимов приборных узлов однотрубных вертикальных систем отопления». // Данфосс Info. № 1-2, 2012 г.
4. Стандарт АВОК «Распределители стоимости потребленной теплоты от комнатных отопительных приборов». СТО НП «АВОК» 4.3-2007 (EN 834:1994).

Регулирование системы отопления подразумевает приведение процесса потребления тепловой энергии в соответствие с реальными потребностями в ней. Простой пример: чем холоднее на улице, тем интенсивнее должна работать отопительная система и, наоборот, при повышении температуры воздуха в доме выше предельного значения, температура теплоносителя в приборах отопления должна снижаться.

Самый простой способ регулирования системы отопления состоит в ручном управлении работой котла и отопительных приборов: жарко в доме, можно перекрыть вентиль подачи теплоносителя в прибор отопления, в результате чего обратная вода вернется в котел горячей, что приведет к отключению котла или к уменьшению расхода топлива.

Еще более простой способ регулирования системы отопления состоит во временном отключении котла и включении его в работу при снижении температуры в помещении. На сегодняшний день подобное «ручное управление» устарело и вести о нем речь можно только применительно к приборам отопления, не имеющим систем автоматического контроля, например, к дровяным печам или к некоторым видам дровяных котлов отопления.

Современные системы регулирования отопления решают одновременно две задачи:

позволяют создать действительно комфортные условия в доме, поддерживая в нем заданный уровень температуры

оптимизируют расход топлива, и, как следствие, снижают затраты на отопление

Регулировка системы отопления производится по одному из двух параметров

Температуре наружного воздуха

Температуре внутри помещения

Считается, что более комфортные условия в частном доме можно получить при изменении температуры теплоносителя в зависимости от условий внутри помещения. Объясняется это просто: тепловые потери не всегда линейно зависят от температуры наружного воздуха: необходимо учитывать скорость ветра и расположение строения относительно сторон света.

Для многоквартирных домов и систем центрального отопления важнее температура наружного воздуха, позволяющая получать усредненные результаты сразу для всех потребителей тепловой энергии.

Методы регулирования систем отопления

Как было сказано выше, основная задача регулирования системы отопления состоит в поддержании определенного уровня температуры в помещении. Сделать это можно несколькими способами:

Меняя скорость движения теплоносителя через прибор отопления с помощью запорной арматуры или с помощью циркуляционного насоса. При этом происходит изменение количества теплоносителя, проходящего через прибор отопления в единицу времени. Такой метод называется количественным.

Меняя температуру нагрева теплоносителя (изменяя его качество). Такой метод называется качественным.

Следует отметить, что оба метода неразрывно связаны друг с другом и в системах высокого качества используются одновременно.

Практическая реализация метода №1

Самый простой способ управления отоплением состоит в изменении режимов работы циркуляционного насоса в зависимости от температуры в помещении: холодно, насос работает с максимальной скоростью, что обеспечивает наиболее интенсивную теплоотдачу приборов отопления. Стало жарко: скорость движения теплоносителя минимальная. В ночное время или днем, когда все жильцы дома на работе или на учебе, может также использоваться режим экономии тепла, предусматривающий минимальную скорость движения воды в отопительной системе.

Недостатком управления отоплением с помощью циркуляционного насоса является общий подход ко всем помещениям в доме, независимо от реальных потребностей в тепловой энергии.

Более точное, локальное регулирование системы отопления можно получить, управляя работой отдельно взятого радиатора.

Как управлять работой радиатора отопления?

На практике менять расход теплоносителя можно с помощью автоматических головок, в конструкцию которых включается клапан и термодатчик, реагирующий на изменение температуры в помещении. Принцип действия устройства достаточно прост: полость головки заполнена жидкостью, объем которой зависит от температуры: при похолодании объем жидкости уменьшается, клапан открывается, увеличивая при этом расход теплоносителя. При повышении температуры в помещении напротив: объем жидкости увеличивается, клапан закрывается, перекрывая движение теплоносителя.

Недостатком автоматических головок является их невысокая надежность и частый выход из строя. Более совершенным и надежным является способ регулирования отопления с использованием сервопривода, приводимого в движение и перекрывающего подачу теплоносителя в радиатор также в зависимости от температуры в помещении.

И автоматическая головка, и сервопривод рассчитаны на изменение температуры теплоносителя не во всей системе отопления, а лишь в одном отдельно взятом радиаторе. Если в комнате несколько отопительных приборов, оборудовать подобными системами автоматического контроля придется каждый из них. Только в этом случае можно действительно регулировать отопление.

Все приборы отопления в доме могут быть объединены в одну систему автоматического управления отоплением.

Регулировка во время эксплуатации

Также известен и другой способ – эксплуатационное регулирование . Как следует из названия, регулирование системы отопления проводится во время ее работы. Это необходимо, чтобы производить настройку по мере необходимости. К примеру, если есть потребность увеличить количество тепла или уменьшить (в зависимости от температуры воздуха на улице и метеорологических условий). Изменение количества вырабатываемого системой тепла обеспечивается за счет регулировки температуры или же путем изменения расхода теплоносителя. Таким образом, можно условно разделить на «качественный» и «количественный» варианты осуществления контроля системы.

Качественное регулирование проводится прямо на тепловой станции. Бывает местное и групповое. Количественное имеет три подразделения: групповое, индивидуальное и местное.

Данный способ контролирования системы производится вручную при помощи клапанов и кранов, и автоматически при перемене температуры воздуха в квартире. В разветвленных системах необходимо изменить расход теплоносителя – это должно упростить задачу регулировки.

В частных домах требует знаний об особенностях индивидуального водяного отопления. Основная задача системы заключается в обеспечении оптимального микроклимата для всей семьи. К сожалению, достаточно часто отопление выходит из-под контроля. Чаще всего, неправильная эксплуатация и несвоевременная корректировка параметров ведут к неэффективности показателей. Причинами также могут быть ошибки, допущенные при проектировании отопления, или плохое утепление.

Как показывает практика, во время проведения системы отопления люди не задаются вопросом расчетов. Специалисты, занимающиеся монтажом, предпочитают делать все оперативно, за счет чего страдает точность . Как результат, в одной комнате может быть прохладно, а в другой – чересчур жарко. Комфорта в таком случае можно не ждать.

При оценке качества работы системы и экономичности ее эксплуатации следует учитывать все параметры и особенности вашего отопления. Независимо от источника питания (электрический котел или газовый), система должна работать отлажено, поэтому правильное регулирование – залог теплого и уютного дома.

Самый простой способ отрегулировать циркуляцию воды – использовать термостат , расположенный на котле. Это своего рода рычажное устройство, которое позволит переключить теплозатраты и в таким образом произойдет снижение температуры в доме. Также при необходимости можно повысить уровень нагрева жидкости и за счет этого повысить температуру воздуха в доме.

Уважаемые читатели! С момента публикации этой статьи в ассортименте нашей компании, практике применения оборудования, нормативных документах могли произойти изменения. Предлагаемая вам информация полезна, однако носит исключительно ознакомительный характер.

Достоинства отопления помещений водяными теплыми полами неоднократно рассмотрены в многочисленных публикациях, и лишний раз ломиться в открытые ворота смысла нет.

Однако почему-то, когда речь заходит о необходимости погодного регулирования температуры теплоносителя в контуре напольного отопления, большинство хозяев относится к этому мероприятию как к модному, но совершенно ненужному «навороту». «Зачем мне нужен ваш контроллер? Обычные комнатные термостаты прекрасно справятся с задачей регулирования температуры воздуха в помещениях!» - такие возражения, как правило, выдвигает заказчик, когда проектировщик пытается включить в проект отопления погодозависимое управление контурами теплого пола. И дело вовсе не в прижимистости и скупости - просто люди толком не понимают, что делает контроллер, и каково основное отличие его работы от управления обычными комнатными термостатами. Давайте попробуем разобраться в этом вопросе.

Для примера рассмотрим абстрактный проект системы встроенного обогрева «теплый пол». Расчетные удельные теплопотери отапливаемых помещений примем равными 80 Вт/м 2 площади пола. Здесь следует напомнить, что расчетные теплопотери определяются по температуре наружного воздуха для наиболее холодной пятидневки отопительного периода. В частности, для Санкт-Петербурга теплопотери будут рассчитываться для температуры наружного воздуха -26 °С.

Конструкцию пола примем такой, как показано на рис. 1 : по многопустотной плите перекрытия (1 ) толщиной 22 см уложен слой теплоизоляции из пенополистирола (2 ) толщиной 5 см. Трубы теплого пола расположены в стяжке (3 ) общей толщиной 70 мм, по которой устроен чистый пол из керамической плитки (4 ) толщиной 15 мм.

Рис. 1. Расчетная конструкция теплого пола

Для определения требуемой температуры теплоносителя воспользуемся расчетным модулем программы VALTEC.PRG 3.1.0 (рис. 2 ).

Рис. 2. Копия экрана расчетного модуля программы V ALTEC .PRG 3.1.0

На основании выполненного расчета среднюю температуру теплоносителя примем 35 °С. При расчетном перепаде температур в контуре теплого пола 10 °С смесительный узел будет настроен на температуру теплоносителя 40 °С.

При температуре наружного воздуха -26 °С данная настройка обеспечит требуемые теплопоступления в помещение в количестве q расч = 80 Вт/м 2 и поддержание температуры воздуха в помещении на уровне 20 °С.

Допустим, температура наружного воздуха повысилась c -26 до -3°С. Удельные теплопотери помещения составили бы в этом случае 40 Вт/м 2 . Однако это было бы справедливо, если бы температура внутреннего воздуха поддерживалась на уровне 20 °С. Фактически же с учетом избыточного теплопритока от теплого пола температура внутреннего воздуха будет значительно выше. Решая уравнение теплового баланса, можно определить, что при отсутствии комнатных термостатов и контроллеров внутренний воздух в помещении прогреется до 26 °С, а фактические удельные теплопотери и удельный тепловой поток от теплого пола составят 50 Вт/м 2 .

Посмотрим, что произойдет в межсезонье, то есть при температуре наружного воздуха +8 °С. Теоретические удельные теплопотери снизятся до 21 Вт/м 2 . Температура внутреннего воздуха прогреется до 28 °С. Фактический тепловой поток от теплого пола составит 35 Вт/м 2 (см. табл. и рис. 3 ).

Таблица. Параметры системы теплого пола при отсутствии автоматического регулирования

Рис. 3. График зависимости требуемой температуры теплоносителя от температуры наружного воздуха

Как видим, без автоматического регулирования работой петель теплого пола, говорить о каком-то комфорте просто смешно.

Допустим, мы решили поставить комнатные термостаты , которые управляют электротермическими сервоприводами клапанов на коллекторе теплого пола (рис. 4 ).

Рис. 4. Комнатный электронный термостат VT.AC.701

Работают термостаты по элементарному принципу: при превышении заданной температуры на 1 °С термостат подает команду на термоэлектрический сервопривод термостатического клапана (рис. 5 ), прекращая подачу теплоносителя в конкретную петлю теплого пола.

Рис. 5. Термоэлектрический сервопривод термостатического клапана

Когда температура воздуха в помещении снова понизится до значения уставки, термостат даст команду на открытие клапана. Как мы выяснили, в межсезонье тепловой поток от пола должен составлять 21 Вт/м 2 , что почти в четыре раза меньше расчетного. Это значит, что мы будем иметь дело с режимом прерывистого отопления.

При прекращении подачи теплоносителя в петли теплого пола, скорость остывания помещения описывается экспонентой, из которой следует, что время остывания τ , ч, определяется выражением:

где t x - температура помещения после остывания, °С; t в - температура помещения до начала остывания, °С; t н - температура наружного воздуха, °С; β - коэффициент аккумуляции теплоты помещением (постоянная времени), ч. Этот коэффициент представляет из себя произведение теплоемкости расчетных слоев ограждающих конструкций С , участвующих в теплообмене, на их приведенное сопротивление теплопередаче R пр. Коэффициент аккумуляции численно равен времени остывания, при котором отношение температурных напоров между внутренней и наружной температурами до начала охлаждения и после охлаждения равно числу «e» (2,72).

В предложенном примере комнатный термостат даст команду на закрытие клапана при превышении уставки на 1 °С. Если термостат настроен на значение внутренней температуры 20 °С, то он перекроет петли при температуре 21 °С.

Если принять для рассматриваемого примера, что здание выполнено с кирпичными наружными стенами толщиной 640 мм и коэффициентом остекления 0,2 (β = 100 ч), то можно рассчитать время, за которое температура в данном помещении снизится на 1 °С при наружной температуре +8 °С:

При этом температуры воздуха и пола практически уравниваются.

Через это время термостат даст команду на открытие клапана, и теплый пол снова начнет нагреваться. Время, за которое пол снова нагреется с 20 до 26 °С можно (с определенными допущениями) рассчитать по формуле:

τ пол = Δt · (с cт · S cт · δ ст · γ ст + с п · S п · δ п · γ п + с т · (1/b) · v т · γ т)/q расч =

6 · (880 · 1·0,07 · 1800 + 840 · 1 · 0,015 · 2000 + 4187 · (1/0,15) · 0,000113 · 1000)/80 = 2,9 ч.

В приведенной формуле с ст, с п, с т - удельная теплоемкость стяжки, плиточного покрытия и воды, Дж/кг · °С; S ст, S п - расчетная площадь стяжки и плиточного покрытия, м 2 ; δ ст, δ п - расчетная толщина стяжки и плиточного покрытия, м; γ ст, γ п, γ т - удельный вес материала стяжки, плиточного покрытия и воды, кг/м 3 ; v т - объем теплоносителя в 1 пог. м трубы, м 3 ; b - шаг трубы, м.

Таким образом, очевидно, что при использовании комнатных термостатов температура поверхности пола становится заметно изменяющейся величиной и большую часть времени будет лежать вне комфортных пределов. То есть, потратив средства на создание теплого пола, именно полноценного теплого пола-то пользователь в итоге и не получит (рис. 6 ).

Рис. 6. График изменения во времени температуры пола и помещения при прерывистом отоплении

Постоянные знакопеременные нагрузки, вызванные циклическими температурными деформациями трубопроводов, снижают срок службы самих труб, и могут вызвать ослабление трубных соединений. Циклический режим нагрева и охлаждения постепенно снижает прочность цементно-песчаной стяжки и неблагоприятно сказывается на качестве финишных напольных покрытий.

Кроме того, существенным недостатком прерывистого режима отопления является то, что циркуляционный насос основную долю рабочего времени будет гонять теплоноситель по малому кругу - через байпас и перепускной клапан. Это приведет к перерасходу электроэнергии, поскольку перепускной клапан настраивается на перепад давления больший, чем потери давления в расчетной петле, и значит, рабочая точка насоса сдвинется в сторону большей потребляемой мощности. Этого можно избежать, если подключать термостаты к сервоприводам клапанов коллектора через коммуникаторы, имеющие функцию отключения насоса при отсутствии запроса на отопление. Но это лишь полумера.

Если потребитель хочет получить действительно эффективную систему встроенного обогрева, адекватно и оперативно реагирующую на изменение климатических факторов, то в этом случае не обойтись без контроллера с погодозависимой автоматикой.