Действующая методика испытания отопительных приборов – требуется ли корректировка?

В. И. Сасин, Г. А. Бершидский, Т. Н. Прокопенко, Б. В. Швецов, ОАО «НИИсантехники», ООО «Витатерм»

В послевоенные годы в СССР тепловые испытания отопительных приборов проводились балансовым методом (по расходу теплоносителя через прибор М_пр и перепаду температур теплоносителя в нем Dt_пр) с целью дать возможность проектировщикам подбирать эти приборы на основе классической формулы

Q = k F Q,

где Q – тепловой поток прибора, Вт;

k – коэффициент теплопередачи отопительного прибора, отнесенный к площади его наружной поверхности, Вт/(м² • °С);

F – площадь наружной поверхности нагрева отопительного прибора, м²;

Q – разность средней температуры теплоносителя в приборе и температуры воздуха в отапливаемом помещении, °С.

Для каждого прибора (ранее это были в основном чугунные секционные радиаторы) приводились данные по F и зависимость k = f(Q), а также иногда значения комплекса (k F), Вт/°С или плотности теплового потока q = kQ, Вт/м².

Такая форма представления тепловых показателей отопительных приборов определялась, в частности, тем, что их производство планировалось государством в квадратных метрах. Заводы – изготовители чугунных радиаторов ради улучшения плановых показателей зачастую увеличивали площадь наружной поверхности секции радиатора простейшим способом: путем увеличения количества мелких ребер, создания искусственной шероховатости и другими подобными техническими решениями. Эти решения, однако, не только не увеличивали, а в ряде случаев и снижали теплоотдачу секции, хотя и обеспечивали выполнение и даже перевыполнение плана. К тому же балансовый метод определения тепловых показателей отопительных приборов приводил к заметным погрешностям при нахождении значения теплового потока радиатора. Все это вызывало жалобы потребителей отопительных приборов на их дефицит и на недостоверность тепловых показателей. Поэтому для устранения ошибок в определении тепловых показателей испытания стали проводить в специальной камере одновременно с эталонным прибором, характеристики которого были хорошо изучены. К сожалению, установка дополнительного эталонного прибора несколько изменяла условия испытаний, отражалась на тепловых характеристиках как испытуемого, так и эталонного прибора, и часто приводила вместо уменьшения к увеличению погрешности, особенно при испытаниях приборов с соотношением радиационной (лучистой) и конвективной составляющих теплоотдачи, отличающимся от этого соотношения у эталонного радиатора.

Поэтому в дальнейшем, основываясь на работе А. О. Коломийцева [1], в СССР ввели методику испытаний, согласно которой тепловые показатели отопительных приборов стали измеряться в новых единицах – эквивалентных квадратных метрах (ЭКМ), названных по аналогии со старым измерителем (м²), хотя ЭКМ характеризовал уже тепловую мощность прибора, а не просто его геометрическую поверхность.

За эквивалентный квадратный метр приняли площадь наружной поверхности нагрева, характеризующуюся номинальным тепловым потоком 506 Вт (435 ккал/ч) при нормальных [2] (нормируемых) условиях: разности средней температуры теплоносителя в приборе и воздуха в помещении Q = 64,5 °С и относительном расходе теплоносителя воды через прибор М = 17,4 (кг/ч)/экм, определяемом заданным перепадом температур в приборе Dt_пр = 25 °С. Расчетные параметры для определения ЭКМ принимались с учетом повсеместного распространения в СССР в то время двухтрубных систем отопления с температурой теплоносителя 95–70 °С и температурой воздуха 18 °С. Фактически при указанных условиях тепловой поток 506 Вт соответствовал теплосъему с 1 м² поверхности нагрева наиболее распространенного в то время чугунного секционного радиатора Н–136.

Введение ЭКМ стимулировало заводы-изготовители не просто увеличивать площадь наружной поверхности нагрева, но и повышать тепловую эффективность отопительных приборов. Однако когда СССР приступил к массовому строительству жилых зданий, производительность чугунолитейных заводов стала катастрофически отставать от потребности в отопительных приборах, а импорт практически отсутствовал. В такой ситуации в СССР стали осваивать массовое производство конвекторов (КП, «Прогресс», «Комфорт», «Аккорд», «Универсал» и др.) со стальными несущими оребрение трубами. Эти конвекторы очень удачно монтировались в однотрубных системах отопления, в которых отопительные приборы работали при значительно больших значениях расхода теплоносителя по сравнению с регламентированными методикой испытаний [1]. К тому же однотрубные системы отоп-ления стали эксплуатироваться при более высоких температурах теплоносителя (обычно при 105–70 °С) вместо принятых для двухтрубных систем параметров (95–70 °С). В связи с этим для конвекторов ввели другие нормальные условия определения ЭКМ, отличные от принятых для секционных радиаторов. В частности, вместо относительного расхода для радиаторов 17,4 (кг/ч)/экм был принят фиксированный расход через конвектор равный 300 кг/ч. Однако и при этом расходе эквивалентная площадь поверхности нагрева конвекторов в ЭКМ оказалась заметно меньшей, чем в м², что сдерживало выпуск конвекторов. В связи с этим в 1984 году на базе европейского опыта и отечественных исследований [3], [4] была введена единая для всех отопительных приборов методика их испытаний [5]. Эта методика предусматривает испытание отопительных приборов в специальной камере, называемой изотермической из-за примерного равенства температур ее внутренних ограждений. Такая камера обеспечивает стационарный режим теплообмена, исключает необходимость установки второго эталонного прибора и резко уменьшает погрешность измерений, т. к. вместо балансового способа определения тепловой мощности прибора его теплосъем определялся по мощности электрокотла за вычетом теплопотерь подводящих теплопроводов.

Поскольку в 1984 году повсеместно стала применяться однотрубная система отопления, расчетные температуры теплоносителя для жилых зданий «выросли», как указывалось, до 105–70 °С, согласно новой методике [5] номинальный тепловой поток отопительного прибора Q_ну, Вт, определялся при следующих нормальных условиях: температурный напор (разность среднеарифметической температуры горячей воды в приборе и температуры воздуха в испытательной камере) Q = 70 °С, расход теплоносителя через представительный типоразмер прибора М_пр = 0,1 кг/с (360 кг/ч) при его движении по схеме «сверху-вниз» и барометрическое давление 1013,3 гПа (760 мм рт. ст.). Учитывая, что размеры приборов и их конструктивные решения заметно влияют на конвективную и радиационную составляющие их теплоотдачи, а плановая экономика в 1984 году в СССР продолжала действовать, было принято компромиссное решение. Согласно этому решению испытания проводятся на отопительных приборах мощностью в пределах от 0,85 до 1 кВт в камере с теплоизолированным участком стены за прибором, в которой исключается охлаждение пола и противоположной прибору стены, т. е. их тепловые показатели близки к характеристикам представительных типоразмеров приборов, установленных в помещениях жилых зданий. При этом были сохранены интересы как строителей, опасающихся «завышения» тепловых показателей приборов, так и изготовителей, работающих в плену жестких плановых заданий.

Следует отметить, что в период принятия новой отечественной методики испытаний [5] подходы к выбору типа системы отопления в СССР и за рубежом были противоположны. В СССР, как указывалось, ориентировались на дешевую, работающую достаточно надежно при минимуме запорно-регулирующей арматуры однотрубную систему отопления. За рубежом в основном применялись двухтрубные системы, оснащенные в полной мере необходимой арматурой. Поэтому европейская методика испытания отопительных приборов EN 442–2 была ориентирована на условия работы двухтрубной системы отопления при расчетных параметрах теплоносителя 90–70 °С, фиксированном перепаде температур воды в приборе 20 °С при температуре воздуха в помещении 20 °С, т. е. при Q = 60 °С, и расчетном барометрическом давлении 1013,3 гПа. Европейская методика предусматривает установку испытуемых приборов (без эталона) в изотермической камере с пятью охлаждаемыми ограждениями, в том числе полом и противоположной прибору стеной. Стена, у которой установлен прибор, специально не охлаждается, но она в значительной мере находится под воздействием радиационного охлаждения от остальных пяти ограждений камеры.

В дальнейшем по целому ряду причин, подробно рассмотренных в [6], указанные выше параметры были изменены: максимальные расчетные температуры теплоносителя в системах отопления снижены до 75–65 °С, т. е. температурный напор уменьшился с 60 до 50 °С, а перепад температур на входе в прибор и выходе из него Dt_пр уменьшился с 20 до 10 °С. Таким образом, расход теплоносителя при испытаниях по уточненной европейской методике увеличился вдвое, т. е. приблизительно с 50 до 100 кг/ч, но, тем не менее, разница по сравнению с расходом теплоносителя, принятым в отечественной методике (360 кг/ч), осталась весьма значительной.

Сопоставление условий испытаний по отечественной и европейской методикам показывает, что они имеют два главных различия:

1. Разное количество охлаждаемых ограждений в испытательной камере.

2. Различные расчетные значения температурного напора Q и расхода теплоносителя через прибор М_пр.

Это приводит к тому, что значения теплового потока, определенные по двум методикам и пересчитанные к одному и тому же температурному напору, заметно отличаются, поэтому гармонизация двух методик встречает серьезные затруднения. Дело в том, что разное количество охлаждающих поверхностей в испытательной камере влияет в основном на радиационную составляющую теплообмена, а различие в температурном напоре в большей мере сказывается на конвективной составляющей. Соотношение этих составляющих у современных отопительных приборов весьма различно. Так, у конвекторов с кожухом доля радиационного теплообмена составляет 5–10 % от общего теплового потока, а у неоребренных однорядных по глубине панельных радиаторов она достигает 40–45 %, т. е. все традиционные отопительные приборы (высотой до 600 мм) являются по сути конвекторами, в том числе и приборы, называемые радиаторами.

Различие в характерных расходах теплоносителя через прибор влияет не столько на условия внутренноего теплообмена, сколько на условия конвективного теплообмена на наружной поверхности прибора. При расходе теплоносителя через прибор 360 кг/ч, нормированнном по отечественной методике, перепад температур теплоносителя в приборе мощностью 850–1000 Вт составляет 2–2,5 °С, т. е. имеет место практически постоянная температура наружной поверхности прибора по его высоте, что соответствует граничным условиям теплообмена первого рода [7]. Принятый европейской методикой перепад температур теплоносителя в приборе, равный 10 °С, практически обеспечивает постоянство теплового потока по высоте прибора, что соответствует граничным условиям второго рода. Из курса теплопередачи [7] известно, что в последнем случае конвективный тепловой поток с наружной поверхности отопительного прибора несколько больше (обычно на 5–6 %), чем при изотермическом режиме теплообмена.

Кроме того, изменение расхода теплоносителя по-разному влияет на конвективную теплоотдачу отопительных приборов различных типов, особенно при наличии оребрения у этих приборов. Так, при движении теплоносителя по схеме «сверху-вниз» в секционных и панельных радиаторах с параллельным и достаточно равномерным распределением теплоносителя по вертикальным каналам по длине прибора влиянием расхода теплоносителя в большинстве случаев можно пренебречь. В то же время для конвекторов с высокими значениями коэффициента оребрения и последовательным движением теплоносителя по трубам конвектора это влияние довольно значительно.

Таким образом, невозможно априори определить соотношения между результатами испытаний по двум упомянутым методикам.

Совокупность этих различий приводит к разнице значений Q_ну, полученных по EN 442–2 с расчетными температурами теплоносителя 90–70 °С, и значений, определенных по отечественной методике при Q = idem (например, при 60 или 70 °С), обычно в пределах 6–14 %. При испытаниях приборов с параметрами теплоносителя 75–65 °С разница в результатах испытаний уменьшается до 3–8 %. Отметим, однако, что если имеет место простой пересчет тепловых показателей, полученных по европейской методике при Q = 60 °С, на тепловые показатели при Q = 50 °С, завышение тепловых показателей не уменьшается и остается в тех же пределах (до 14 %).

Значения тепловых показателей, полученных по отечественной методике, всегда ниже зарубежных данных и они в большей мере отражают реальные условия эксплуатации отопительных приборов в типовых помещениях жилых зданий, в которых пол и противоположная прибору стена не охлаждаются.

В связи со вступлением России в ВТО задача гармонизации отечественной и зарубежной методик испытаний отопительных приборов становится актуальной, однако эта гармонизация не должна приводить к ухудшению комфортных условий в отапливаемых помещениях. Некоторое завышение тепловых показателей, полученных по EN 442–2, не пугает зарубежных проектировщиков, т. к., помимо естественного при любых методах проектирования запаса по площади нагрева отопительных приборов из-за дискретности их номенклатурного ряда, во всех помещениях, оснащенных автоматическими терморегуляторами (термостатами), зарубежными нормативами предусмотрено увеличение расчетных теплопотерь и, следовательно, площади поверхности нагрева отопительных приборов на 15 %.

Без такой поправки использование автоматических термостатов приводило бы в общем случае к нарушению Закона о защите прав потребителя, т. к. изменение отдельным квартиросъемщиком хотя бы у одного из отопительных приборов положения настройки термостатического элемента (термостатической головки) изменяло бы в большей или в меньшей мере расчетный температурный режим в других помещениях этого дома. СТО НП «АВОК» 4.2.2–2006 [8] указанные проблемы частично снимаются и для отечественных проектировщиков, т. к. заметно улучшаются условия эксплуатации зданий, оснащенных автоматическими термостатами, и тем самым создаются реальные условия для фактического снижения расхода теплоты на отопление.

Отметим, что несмотря на разрекламированную в России программу замены однотрубных систем отопления двухтрубными доля последних (с учетом реконструкции) составляет в настоящее время лишь около 20 %, хотя и незначительно увеличивается. В то же время в системах отопления все более широко применяются трехходовые терморегулирующие клапаны и так называемые «Н-образники» для донного (нижнего) подключения отопительных приборов, позволяющие увеличивать при необходимости коэффициент затекания в прибор, установленный в однотрубной системе отопления, до значений 0,9–1.

Таким образом, обеспечивается большой расход теплоносителя через прибор, близкий по значениям к расходу, нормируемому действующей отечественной методикой. В этих условиях за рубежом и в России растет доля однотрубных поквартирных периметральных разводок систем отопления от общего для квартиры коллектора.

В заключение отметим, что высказываемые рядом специалистов предложения о дополнении методики испытаний отопительных приборов разделом, касающимся испытаний приборов с автоматическими термостатами, не являются, на наш взгляд, актуальными, т. к. эти испытания могут быть проведены в рамках действующей методики.

Для двухтрубных систем отопления тепловые характеристики приборов, полученные при нормальных условиях, легко пересчитываются на фактический режим эксплуатации с помощью зависимости теплового потока от температурного напора, расхода теплоносителя, барометрического давления и, при необходимости, от размеров отопительных приборов, построенной по результатам испытаний согласно требованиям действующей методики.

Для однотрубных систем отопления, согласно рекомендациям ООО «Витатерм», коэффициент затекания теплоносителя в отопительный прибор определяется при заданной конструкции узла обвязки прибора на стенде, дооборудованном замыкающим участком с шаровым краном. При закрытии этого крана имеют место тепловые испытания при коэффициенте затекания, равном 1. При полном открытии крана, когда гидравлическое сопротивление байпаса практически равно его же сопротивлению без крана, получают фактические тепловые показатели узла с тем или иным типом термостата при настройке его на расчетный режим (например, на режим 2К). Затем по снижению теплового потока находят фактический коэффициент затекания, пользуясь зависимостью теплового потока от расхода теплоносителя при Q = idem.

Таким образом, действующая отечественная методика испытаний отвечает современным условиям эксплуатации отопительных приборов, используемых в российском строительстве, и на данном этапе не требует корректировки.

Литература

1. Коломийцев А. О. Применение нового измерителя отопительных приборов – эквивалентного квадратного метра. – М. : Промстройиздат, 1957.

2. ГОСТ 16504–81. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения. – М. : Издательство стандартов, 1987.

3. Бершидский Г. А., Поз М. Я. Некоторые вопросы теплотехнических испытаний отопительных приборов // Сб. трудов НИИсантехники. – М., 1970. – № 31.

4. Бершидский Г. А. Теплотехнические испытания отопительных приборов по новой методике // Сб. трудов ВНИИЭСМ. – М., 1972. – Вып. 1.

5. Методика определения номинального теплового потока отопительных приборов при теплоносителе воде / Г. А. Бершидский, В. И. Сасин, В. А. Сотченко. – М. : НИИсантехники, 1984.

6. Сасин В. И. К вопросу о снижении расчетных параметров теплоносителя в системах отопления // Акватерм. – 2002. – № 1. – С. 24–26.

7. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. – М. : Изд-во «Энергия», 1981.

8. СТО НП «АВОК» 4.2.2–2006. Радиаторы и конвекторы отопительные. Общие технические условия. – М. : АВОК–ПРЕСС, 2006.