Влияние автоматических регуляторов на гидравлический режим систем водяного отопления

Л. М. Махов

С. М. Усиков, МГСУ

Современный рынок оборудования для систем отопления наполнен широким ассортиментом арматуры. В отечественной практике стали чаще использоваться балансировочные клапаны, терморегуляторы, узлы регулирования, регуляторы перепада давления и расхода различных конструкций. Встает вопрос о том, какую регулирующую арматуру необходимо устанавливать в системах отопления, в каком количестве и на каких участках.

Важным элементом, предназначенным для регулирования системы, а значит, и для достижения максимально комфортных условий для пребывания людей в помещении, является терморегулятор. Он позволяет не только обеспечить необходимое количество теплоты, отдаваемое отопительным прибором, но и воздействовать на всю систему отопления в целом, непроизвольно изменяя гидравлический режим ее работы.

Конечной целью расчета системы отопления и подбора оборудования для нее является обеспечение необходимого значения теплового потока от каждого отопительного прибора для компенсации теплопотерь помещений здания в целом и достижения комфортных условий для пребывания людей в здании на протяжении всего отопительного сезона. Для соблюдения этих условий применяются два метода. Первый заключается в максимально возможном увязывании колец системы диаметрами отдельных трубных участков системы и установки наименьшего количества регулирующей арматуры. Второй метод пришел в отечественную практику вместе с новыми видами арматуры из Западной Европы. Он заключается в установке наибольшего количества арматуры на стояках, в тепловых пунктах и на ответвлениях для увязки циркуляционных колец непосредственно самой арматурой.

Оба метода имеют свои преимущества и недостатки.

Для подбора терморегуляторов, регуляторов расхода и балансировочных клапанов в современной практике используется характеристика, называемая пропускной способностью. Ее определяют как объемный расход воды в м³/ч с плотностью 1000 кг/м³, проходящей через клапан при перепаде давления 10⁵ Па (1 бар). Размерность его (м³/ч)/бар^0,5 или, пренебрегая физическим смыслом, в каталогах часто пишут просто – м³/ч.

За счет изменения k_v на клапанах происходит изменение двух параметров: расхода теплоносителя через клапан G и перепада давления на клапане ∆P. Это влияет не только на гидравлику отдельных участков, но и на систему отопления в целом. Это важный фактор, который должен учитываться проектировщиками.

Клапан отопительного прибора способен автоматически изменять свою пропускную способность в зависимости от температуры воздуха в помещении за счет термостатической головки, датчиков внутреннего воздуха или же за счет ручного регулирования потребителем.

Важно также заметить, что необходим тщательный подбор термоклапанов у отопительных приборов, потому что зависимость их теплоотдачи от расхода теплоносителя нелинейная. Также и у клапанов. Они бывают различного конструктивного исполнения, и зависимость хода штока от пропускной способности имеет свои особенности. Сопоставляя эти две характеристики, мы получим общую характеристику регулируемого участка [1].

Однако изменения характеристик регулируемого участка может привести к разрегулировке всей системы. Под разрегулировкой будем понимать несоответствие расходов теплоносителя в отопительных приборах относительно расчетных или необходимых, вследствие чего произойдет недостаток или избыток теплоподачи в помещения.

В системе отопления факторами разрегулировки являются:

• отключение ветвей, стояков, отопительных приборов и других элементов системы в связи с аварией или за ненадобностью;
• изменение расчетного расхода теплоносителя в отопительном приборе с целью поддержания необходимой температуры или минимальной температуры помещения из-за временного его неиспользования;
• изменения схемы или элементов системы отопления после реконструкции и ремонта.

Циркуляционный насос системы отопления тоже имеет различные изменяющиеся характеристики, которые должны учитываться при регулировке системы. В данном исследовании был применен стандартный (современный бесфундаментный) насос. Ошибочно убеждение современных проектировщиков в том, что для качественной и «беспроигрышной» увязки гидравлических колец необходимо подбирать циркуляционный насос с большим запасом по располагаемому давлению. Это приводит к неоправданно завышенным стоимости системы и расходу электроэнергии.

Современные конструкции насосов позволяют более экономно расходовать электроэнергию и более точно поддерживать заданное располагаемое давление и расход в системе (насосы с электрическим управлением). При увеличенных капитальных затратах на эти насосы можно выиграть в пониженных эксплуатационных затратах на электроэнергию.

Однако, ориентируясь на новые технологии, в ходе конструирования системы отопления необходимо комплексно подходить к возможным гидравлическим и, соответственно, тепловым разрегулировкам при эксплуатации системы.

На примере конкретных схем систем отопления рассмотрим достоинства и недостатки двух методов конструирования системы отопления, о которых говорилось ранее. Анализ схем проводился с помощью компьютерного моделирования.

Система отопления без применения балансировочного клапана

На рис. 1 приведена схема без применения балансировочного клапана.

Рисунок 1. Схемы системы отопления без применения балансировочных клапанов 1 – оборудование теплового пункта; 2 – циркуляционный насос; 3 – отопительный прибор; 4 – отключающий шаровой кран; 5 – термоклапан

Для начала был выполнен стандартный гидравлический расчет по методу удельных линейных потерь давления для подбора диаметров. Клапаны были подобраны по каталогам фирмы-производителя, после чего была задана их установочная характеристика (пропускная способность, перепад давления и положение установки). Затем методом гидравлического расчета по характеристикам сопротивления определены коэффициенты затекания в каждый стояк и в каждый прибор.

В первом случае из регулирующей арматуры имеются только клапаны у отопительных приборов. Для анализа системы отключим один прибор на верхнем этаже первого стояка. Характеристика сопротивления увеличится и на графике (рис. 2) примет положение S₁, а необходимый расход теплоносителя понизится на величину расчетного расхода в отключенном приборе (до 288,3 кг/ч). В самом начале отопительные приборы начнут получать больше теплоты, что приведет к перегреву помещений. Термостатические головки, электроника или же потребители вручную, реагируя на это, начнут воздействовать на клапан, который будет опускать шток клапана, уменьшая тем самым свою пропускную способность и увеличивая сопротивление всей системы. Каждый клапан будет опускать шток ровно на столько, на сколько расход теплоносителя должен измениться в отопительном прибое. В конце концов, установится стационарный режим, когда температура в помещениях стабилизируется, и штоки клапанов перестанут двигаться.

Рисунок 2. Характеристика насоса и системы отопления без использования балансировочных клапанов S, ΔP, G – характеристика сопротивления, потери давления и расход теплоносителя в системе отопления соответственно; значения индексов этих параметров: «расч» – в исходном (расчетном) режиме; «1» – при отключении верхнего прибора первого стояка; «2» – при отключении первого стояка

Чтобы описать физику процесса, использовано понятие коэффициента затекания [2]. Для начала он был определен для всех стояков системы, чтобы получить требуемую характеристику сопротивления на каждом участке стояков, тем самым, определив, какую пропускную способность будет иметь клапан у отопительных приборов в данном конкретном состоянии системы.

Важно заметить, что клапан имеет определенные рамки изменения величины пропускной способности. Для данного случая он был ограничен пределами 0,04…0,54 (м³/ч)/бар^0,5. Верхний предел является величиной при полном (максимальном) открытии клапана. Так же нормируется перепад давления на клапане. На клапане он не должен превышать 0,5 бар или примерно 5000 Па. В случае превышения максимального перепада давлений возможно некорректное регулирование температуры.

В процессе расчета системы и определения величин затекания участков было выявлено, что при расчетном режиме работы системы пропускная способность колеблется в пределах от 0,23 до 0,44 (м³/ч)/бар^0,5, а перепад давления – от 1020 до 2497 Па. Данные значения полностью удовлетворяют требованиям, принятым ранее.

Если отключается первый прибор первого стояка, то после автоматического регулирования и установившегося стационарного теплового режима в помещениях пропускные способности клапанов уменьшаются и находятся в пределах значений 0,19…0,53 (м³/ч)/бар^0,5. Перепады давления, соответственно,– 700…3551 Па. Это тоже вполне удовлетворяет требованиям.

Аналогичная ситуация и при отключении первого стояка. Пропускные способности клапанов уменьшаются и находятся в пределах значений 0,16…0,25 (м³/ч)/бар^0,5. Перепады давления – 3186…3714 Па. Характеристика сети принимает положение S₂ на графике (рис. 2)

Видно, что при различном разрегулировочном воздействии на систему отопления происходит изменение характеристики сопротивления системы. Однако клапаны вполне могут «отрегулировать» системы так, чтобы в каждый прибор поступало необходимое количество теплоносителя.

Стоит заметить, что такое регулирование имеет определенные рамки, связанные с перепадом давлений на клапане и фиксированным диапазоном его пропускной способности. К примеру, если бы каждый стояк состоял не из трех, а из 10 приборов и был отключен бы первый стояк, то, возможно, пропускная способность клапанов второго стояка должна была упасть до минимальных значений. При этом резко повысился бы перепад давления на них. Но этот факт необходимо доказать расчетом для конкретной системы. Если таких стояков было бы не три, а 20, то отключение одного стояка слабо бы воздействовало на гидравлику всей системы отопления. Этот фактор также обусловлен характеристикой насоса.

Литература

1. Пырков В.В. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. Киев, 2005.
2. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление: Учебник для вузов.М., 2008.

Окончание статьи читайте в следующем номере