Расчет переменного гидравлического режима работы системы водяного отопления

Л. М. Махов, профессор, канд. техн. наук, ФБГОУ ВПО «МГСУ»

С. М. Усиков, ФБГОУ ВПО «МГСУ», otvet@abok.ru

Качество работы инженерных систем здания оценивается в первую очередь комфортностью пребывания человека в помещении. Конкретные параметры для расчета систем отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК) сформулированы довольно точно (в некотором диапазоне согласно [1]). В [2] раскрывается ряд вопросов о грамотном выборе нагрузок на системы ОВК и развеян ряд мифов, приводящих к ошибкам на стадии проектирования. Действительно, перечисленные ошибки могут привести к понижению комфорта в обслуживаемом помещении.

Вопрос правильного выбора рабочих характеристик инженерных систем здания и их оборудования, необходимого для поддержания требуемого диапазона параметров микроклимата, остается открытым. Решение этих задач связано с необходимостью следовать нормативным требованиям с учетом взаимных интересов обитателей зданий, инвесторов и управляющих (энергоресурсоснабжающих) организаций, а также с широкой номенклатурой оборудования, предлагаемого в настоящее время производителями. Проблема также состоит в неполноте подхода к расчету систем поддержания микроклимата помещения. Например, расчет системы отопления ведется в некоторых экстремальных параметрах, а поверочного расчета для остального диапазона температуры наружного воздуха в течение отопительного сезона нет. Это может вызвать серьезные отклонения температуры отапливаемого помещения и привести к недотопам или перерасходу тепловой энергии.

Рассмотрим недостатки современного подхода к расчету и подбору оборудования двухтрубной системы водяного отопления здания на примере рядового помещения с установленным в нем одним отопительным прибором. Здание расположено в Москве. Помещение для совещаний имеет одну наружную стену размером 5x3 м и наружное окно размером 1,5x2,0 м, ориентированные на юг. В качестве солнцезащитных устройств приняты вертикальные жалюзи. Перекрытие потолка и пола, а также остальные ограждающие конструкции не являются наружными, так как температура воздуха за ними не отличается от температуры рассматриваемого помещения. В качестве отопительного прибора установлен стальной панельный радиатор РСВ-4-10-1400 с термостатическим клапаном на подающем и запорным вентилем на обратном теплопроводе.

Для упрощения примера будем считать, что весь излишний теплоприток в помещение ассимилируется общеобменной системой вентиляции. Расчетная температура помещения согласно [1] 18 ⁰C. Расчетный температурный график системы отопления: 80 ⁰C в подающем теплопроводе, 60 ⁰C – в обратном. Система отопления – двухтрубная вертикальная с нижней разводкой с независимым присоединением к тепловой сети. Суммарные расчетные теплопотери помещения составят 500 Вт. Схема подключения отопительного прибора представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема обвязки отопительного прибора на верхнем этаже: 1 – термостатический клапан; 2 – отопительный прибор; 3 – воздушный кран; 4 – запорно-регулирующий кран; 5 – подводка к отопительному прибору; 6 – стояк

Теплопотери, связанные с нагреванием инфильтрующегося воздуха, не учтены, так как современные стеклопакеты фактически не пропускают его в помещение, а в здании работает система механической вентиляции.

Расчет переменного гидравлического режима

Согласно [3] при использовании термостатического клапана расчетная мощность прибора может увеличиваться на 15 %. Расчетный расход через прибор G_nр.n, кг/ч, при расчетном перепаде температуры с учетом дополнительных поправочных коэффициентов будет составлять:

(1)

где Q^расч_mn– расчетные теплопотери помещения, 500 Вт; с_в – удельная теплоемкость воды, 4,187 кДж/(кг•⁰C); Δt– расчетный перепад температуры теплоносителя в системе отопления, 20 ⁰C; β₁ – поправочный коэффициент, связанный с номенклатурным шагом применяемых отопительных приборов, принимаемый согласно табл. 4.1 [4], 1,027; β₂ – поправочный коэффициент, связанный с увеличением теплопотерь через заприборный участок наружного ограждения, принимаемый согласно табл. 4.1 [4], 1,1. Температура теплоносителя, выходящего из отопительного прибора t_вых, ⁰C, определяется по формуле [5]:

(2)

где t_в – расчетная температура воздуха в отапливаемом помещении, 18 ⁰C; t_вх – температура теплоносителя, подаваемого в отопительный прибор (условно приравниваем к расчетной температуре теплоносителя в системе отопления), 80 ⁰C; n, m – эмпирические коэффициенты, зависящие от конструкции отопительного прибора и принимаемые согласно [4]; Q_o.n^ну – нормативный тепловой поток радиатора при нормальных условиях, принимаемый согласно табл. 1.2 [4], 980 Вт; G_пр – фактический расход теплоносителя через отопительный прибор, 27,93 кг/ч.

Фактической тепловой поток от радиатора Q_o.n^факт, Вт, определяется по формуле:

(3)

где c, b, p – эмпирические коэффициенты, принимаемые согласно [4]; Θ – фактический температурный напор, ⁰C:

(4)

Согласно формуле (3) построен график зависимости теплоотдачи отопительного прибора Q_o.n^факт, Вт, от температуры воздуха помещения t_в, ⁰C, при постоянной экстремальной температуре наружного воздуха (линия 1, рис. 2). Линия 2 на рис. 2 показывает зависимость теплопотерь помещения Q_mn^факт, Вт (с учетом дополнительных теплопотерь через заприборный участок наружной стены), от температуры воздуха помещения.

Рисунок 2. Изменение теплоотдачи отопительного прибора и теплопотерь помещения при различной температуре помещения: 1 – изменение теплоотдачи отопительного прибора, Qo.nфакт,Вт; 2 – изменение теплопотерь помещения Qmnфакт, Вт

Пересечение линий 1 и 2 соответствует установившемуся тепловому балансу помещения. Таким образом, фактическая теплоотдача прибора будет равна 608 Вт, а температура воздуха в помещении 22,6 ⁰C.

Перерасход тепловой энергии ΔQ, Вт, при максимально открытом термостатическом клапане отопительного прибора составит:

ΔQ = Q^факт_o.n – β₂ = 608 – 1,1 • 500 = 58 Вт, (5)

что является превышением теплопотребления более чем на 10 %. Температура воздуха помещения будет завышена на 4,6 ⁰C относительно расчетной, однако относительно максимальной температуры из оптимальных превышение всего на 1,6 ⁰C. Исправить эту ситуацию должна автоматическая регулирующая арматура системы отопления, либо только за счет изменения пропускной способности термостатического клапана у отопительного прибора, либо за счет совместной работы термостатического клапана и другой автоматической регулирующей арматуры. Вопрос о возможном изменении теплогидравлических характеристик системы отопления и их влияние на теплоотдачу отопительного прибора в данной статье не рассматриваются.

Рассмотрим изменение теплоотдачи отопительного прибора в течение отопительного сезона при различной температуре подающего и обратного теплоносителя. Температура теплоносителя соответствует температурному графику (предположим, что в здании имеется автоматизированный ИТП, поддерживающий индивидуальный температурный график, аналогичный графику тепловой сети, но с пониженными параметрами). Температура подающего теплоносителя t_вх, ⁰C, рассчитывается по формуле [6]:

(6)

где t_н – фактическая температура наружного воздуха, ⁰C; t_н.о – расчетная температура наружного воздуха для проектирования системы отопления [7], – 26 ⁰C; τ_1о – температура воды в подающей магистрали при t_н.о, 80 ⁰C; τ_пр.о – средняя температура воды в условном отопительном приборе, ⁰C, определяемая по формуле τ_пр.о = 0,5 (τ_см.о + τ_2о). τ_см.о, τ_2о – температура воды в абонентской установке и в обратной магистрали системы отопления при расчетных параметрах, соответственно 80 и 60 ⁰C.

Фактическую температуру обратного теплоносителя, выходящего из отопительного прибора, теплоотдачу отопительного прибора при полностью открытом термостатическом клапане и фактическую температуру воздуха помещения определяем аналогично расчету при экстремальных условиях.

Для упрощения модели не учитывается тепловая инерция помещения и здания в целом, а теплотехнические характеристики наружных ограждений на протяжении отопительного сезона считаются постоянными.

На рис. 3 представлен график зависимости фактической теплоотдачи отопительного прибора при полностью открытом клапане от температуры наружного воздуха (линия 1). Линии 2 и 3 отображают расчетные теплопотери помещения (с учетом β₂) при температуре внутреннего воздуха 18 и 21 ⁰C соответственно при различной температуре наружного воздуха.

Рисунок 3. Изменение теплоотдачи отопительного прибора и теплопотери помещения при различной температуре наружного воздуха: 1 – изменение теплоотдачи отопительного прибора, Qo.nфакт, Вт; 2 – изменение теплопотерь помещения Qmnфакт, Вт, при температуре помещения tн = 18 0C; 3 – изменение теплопотерь помещения Qmnфакт, Вт, при температуре помещения tв = 21 0C; 4 – изменение перерасхода тепловой энергии ΔQ, Вт

Видно, что график качественного регулирования достаточно полно удовлетворяет изменению теплопотерь помещения, однако, наблюдается отклонение теплопотребления помещения от расчетного, связанное с повышением температуры помещения. Линия 4 показывает изменение ΔQ, Вт. Соответственно, перерасход тепловой энергии понижается при повышении температуры наружного воздуха.

Наиболее важные данные представлены на графике рис. 4. Линия 1 изображает изменение фактической температуры воздуха в помещении при полностью открытом клапане отопительного прибора в зависимости от температуры наружного воздуха. Линии 2 и 3 показывают минимальную и максимальную требуемую температуру воздуха в помещении.

Рисунок 4. Изменение температуры помещения при различной температуре наружного воздуха и постоянном гидравлическом режиме работы системы отопления: 1 – изменение температуры помещения tв при полностью открытом клапане у отопительного прибора; 2 и 3 – минимальная и максимальная оптимальная температура помещения tв согласно [1]; 4 – отклонение фактической температуры воздуха в помещении от минимальной из оптимальных Δt, °C

Видно, что по мере увеличения температуры наружного воздуха отклонение температуры воздуха помещения от минимальной из оптимальных уменьшается, а с определенной температуры перестает превышать максимальную из оптимальных. Линия 4 показывает отклонение фактической температуры воздуха помещения от 18 ⁰C, которое уменьшается при повышении температуры наружного воздуха соответственно изменению ΔQ.

Выводы

Из этого расчетного исследования можно сделать вывод, что автоматизация ИТП, регулирующая температуру подачи теплоносителя, позволяет избежать перетопов здания при температурах наружного воздуха, близких к 0 ⁰C, за счет отсутствия «срезки» в температурном графике системы отопления. Однако этот факт известен на практике и лишен новизны.

Основной вывод данного исследования – доказательство необходимости переменного гидравлического режима в двухтрубных системах. Он не только обеспечит благоприятный диапазон температуры помещения для комфортного пребывания человека, но и позволит сэкономить теплоту, связанную с принятием всевозможных запасов при расчете мощности системы отопления.

Согласно нормам [3] установка индивидуальных регуляторов у отопительных приборов (термостатических клапанов) обязательна. Но, наделяя потребителя возможностью регулировать теплоотдачу отопительных приборов и устанавливая автоматические регуляторы, мы создаем новую проблему при эксплуатации системы отопления. Неизбежно наличие переменного теплового и гидравлического режима работы системы отопления, который должен полностью взаимодействовать с системой автоматизированного ИТП, а также обеспечивать любого потребителя необходимой теплотой (в диапазоне оптимальной или допустимой температуры) при любых изменениях в гидравлическом режиме работы системы.

Однако ни диапазон температуры, ни величина теплопотерь полностью не раскрывают основных вопросов при проектировании: какую регулирующую арматуру необходимо устанавливать, в каком режиме она будет работать и какой диапазон расхода теплоносителя на участках системы отопления необходимо обеспечить?

Если цель проектирования – дать потребителю возможность регулирования температуры помещения, необходимо обеспечить его отопительный прибор достаточным расходом теплоносителя, который будет поддерживать в отапливаемом помещении требуемый диапазон температуры.

Как было отмечено ранее, для обеспечения диапазона температуры теплоотдача отопительного прибора должна изменяться с помощью не только качественного, но и количественного регулирования.

По формулам (2) и (3) можно определить зависимость теплоотдачи отопительного прибора от расхода теплоносителя и температуры помещения. Возможная неточность определения по этим зависимостям связана с тем, что необходимы индивидуальные испытания для конкретного отопительного прибора. При изменении расхода теплоносителя через прибор изменяются расчетные коэффициенты (n, m, p), принятые условно постоянными при подборе отопительного прибора, что влияет на его теплоотдачу. Данных для расчета из рекомендаций подбора конкретного прибора [4] недостаточно, так как они включают ряд упрощений, предназначенных для оптимизации проектных работ. Исследования в данном направлении проводились редко, а информации в свободном доступе не имеется. Однако цель данной работы – показать необходимость поиска некоторого диапазона расхода теплоносителя, как через прибор, так и для всей системы отопления, поэтому данные коэффициенты мы принимаем условно постоянными.

График на рис. 5 показывает зависимость необходимого расхода теплоносителя для поддержания температуры воздуха в помещении 18 и 21 ⁰C (линии 1 и 2 соответственно) от температуры наружного воздуха. Линия 3 показывает проектный расход теплоносителя через отопительный прибор.

Рисунок 5. Изменение расхода теплоносителя через отопительный прибор в зависимости от температуры наружного воздуха: 1, 2 – для поддержании в помещении температуры воздуха 18 и 21 0C соответственно; 3 – проектный расход Gпр.н = 27,93 кг/ч

Линия 1 показывает, что расход теплоносителя увеличивается при поддержании в помещении температуры 18 ⁰C незначительно и находится в пределах 11,2…12,6 кг/ч.

Линия 2, наоборот, говорит о снижении необходимого расхода до 20,4 кг/ч с понижением температуры наружного воздуха, а также о том, что данный отопительный прибор не может обеспечить верхний диапазон температуры помещения путем изменения расхода теплоносителя при температуре наружного воздуха выше –2…2 ⁰C (температура обусловлена возможностью переменного гидравлического режима работы системы).

Линия 3 показывает недостаток систем отопления с постоянным гидравлическим режимом работы, при котором температура в помещении будет изменяться согласно рис. 4.

В соответствии с проведенным анализом отопительный прибор не может обеспечить потребителя необходимым диапазоном температуры помещения, причем возможное сильное повышение расхода в отопительном приборе не обеспечит необходимой температуры, а это значит, что никакой гидравлический режим работы и регулирующая арматура не изменят ситуации. Следовательно, отопительный прибор подобран неверно, а переменная регулирующая арматура в данном случае не полностью справляется с возложенной на нее функцией. Вероятно, отопительные приборы необходимо подбирать при температуре наружного воздуха, отличающейся от экстремальной.

Иная ситуация будет для зданий с неорганизованным притоком и естественной вытяжной вентиляцией, где излишки теплопоступлений не полностью ассимилируются системой вентиляции, а приток инфильтрующегося воздуха должен быть учтен в расчете теплопотерь.

Данный подход к решению вопроса о расчете переменного гидравлического режима работы системы отопления позволяет определить максимальный и минимальный расход теплоносителя во всей системе и на ее участках, а также проверить возможности системы отопления в нерасчетные периоды.

Отсутствие в нормах правил расчета систем с переменным гидравлическим режимом работы и расчет системы только при экстремальных температурах приводит к ошибкам и бесполезной трате дорогостоящей теплоты, а также понижению комфорта в помещениях. Именно поэтому нормативная база и подход к расчету таких систем требуют доработки и уточнения, а методы испытания отопительных приборов должны пополниться данными об изменении условно постоянных коэффициентов в зависимости от расхода теплоносителя.

Литература

1. ГОСТ 30494–96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях / Госстрой России. М. : ГПКНИИ СантехНИИпроект, 1996.
2. Мифы о расчете «правильной» мощности оборудования ОВК // АВОК. – 2013. – № 6.
3. СП 60.13330.2012. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 4101–2003 / Департамент архитектуры, строительства и градостроительной политики. М. : ОАО «СантехНИИпроект», 2013.
4. Рекомендации по применению стальных панельных отопительных радиаторов «Конрад» РСВ4, РСВ 4 Термо, РСВ 5 и РСВ 5 Термо (новая редакция). М. : НТФ ООО «ВИТАТЕРМ», 2007.
5. Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление: Учебник для вузов. М. : АСВ, 2008. 576 с.
6. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей / Под ред. А. А. Николаева. М. : Стройиздат, 1965.
7. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная версия СНиП 23-01–99* / Департамент архитектуры, строительства и градостроительной политики. М. : НИИСФ РААСН, 2013.