Остывание теплоносителя в системах отопления

В. Б. Волков, главный специалист частного предприятия «ВентПроект», г. Минск.

Тенденции развития систем водяного отопления

Следует отметить несколько важных изменений в требованиях к системам отопления за последние 30–50 лет, которые повлияли на транзитные теплопотери трубопроводов и их учет в тепловом балансе помещения.

1. Значительно снизилась доля однотрубных систем (см. рис. 1). И если в производственных или в общественных зданиях их еще можно встретить, например, в виде ветки для компактно расположенных технических помещений, то в жилье практически все системы отопления только двухтрубные. Напомню, одним из преимуществ однотрубных систем является экономия труб, меньшая металлоемкость по сравнению с двухтрубными. Больше труб – больше и потерь тепла.
2. Стали практически обязательными требования архитекторов и заказчиков к скрытой прокладке труб отопления (см. рис. 2), тем самым значительно уменьшается та часть теплопотерь труб, которая также (равноценно!) участвует в нагреве воздуха помещения, как и приборы отопления. Потери тепла трубопровода, проложенного в коридоре от узла учета к входной двери квартиры, в отоплении этой квартиры практически не участвует. То же самое можно сказать и о трубопроводе, расположенном в подвесном потолке помещения. Почти все потери тепла трубами в здании остаются в самом здании, но учесть все перетоки этого тепла по зашивкам и строительным конструкциям практически невозможно.

Рис. 1.

 

Рис. 2.

3. Уменьшилась гидравлическая устойчивость систем отопления. А значит, все держится на автоматике и балансировке. Раньше подавляющее большинство систем проектировалось на сопротивление не более 1,5 м. Как правило, от 0,5 м в совсем малых объектах до 1–1,2 м в больших. Низкое сопротивление делало систему отопления гидравлически устойчивой, а теплоноситель, напрямую поступающий из тепловой сети, исключал дефицит расхода в системе отопления. Сегодня, вследствие широкого применения термостатических клапанов, балансировочной арматуры и независимой схемы подключения к тепловым сетям, потери давления в многоэтажных домах увеличились до 5–7 м. Такая система уже требует более точных расчетов, подбора оборудования и выполнения всего объема пусконаладочных работ, т. к. разница потерь давления по веткам или стоякам может быть довольно большой и вызывать критическое потокораспределение в системе трубопроводов.

Методика и некоторые особенности расчета

Методика расчета теплообмена между жидкостью (вода), движущейся в трубе с определенной скоростью, и окружающим трубу воздухом известна и хорошо проработана с достаточной для инженерных расчетов детализацией и учетом всех составляющих этого процесса. Этот сложный тип теплообмена включает в себя теплоотдачу жидкости к стенке трубопровода, перенос тепла теплопроводностью материала трубопровода и тепловой изоляции, если она есть, и теплоотдача от поверхности трубы (изоляции) к окружающему воздуху – конвективная и лучистая составляющие. Методика базируется на зависимостях, использующих критерии подобия Re, Nu, Gr, Pr. Для подстановки всех значений во все формулы потребуется собрать довольно большое количество данных: скорость течения жидкости и воздуха вокруг трубопровода, их температуры, теплофизические свойства, включая материал стенки трубы (изоляции), степень черноты поверхности трубы, приведенную (усредненную) степень черноты окружающих трубопровод поверхностей и т. д. Подробнее см. [1], стр. 69–103, а также некоторые уточнения в [2], табл. 2–33, стр. 177.

Некоторые результаты расчета по данной методике, выполненные в программе «СигмаКАД», можно продемонстрировать получив величины изменения температуры теплоносителя и среднюю плотность теплового потока для наиболее распространенных диаметров в зависимости от скоростей теплоносителя, характерных для систем отопления (см. табл. 1).

Таблица 1 Изменение температуры теплоносителя, °С (числитель), и средняя плотность теплового потока, Вт/м (знаменатель), на участке трубопровода длиной 10 м из труб по ГОСТ 3262 в зависимости от диаметра и скорости теплоносителя.

Примечания: температура теплоносителя в начале участка принята 80 0С, температура окружающего воздуха – 18 0С; Н – не изолированный трубопровод; И30, И50 – изолированный минеральной ватой, λ = 0,044 Вт/(м0С), толщиной соответственно 30 и 50 мм.

Расчет системы отопления представляет из себя несколько взаимосвязанных вычислительных этапов, каждый из которых, если конечно не прикидывать «на коленке», занимает довольно много времени даже используя специальные вычислительные программы. Можно выделить 6 этапов:

1. Определение тепловых потоков (Q_i) на участках исходя из заданной теплоотдачи приборов отопления.

2. Вычисление расходов теплоносителя (G_i) на участках.

3. Вычисление теплопотерь трубопроводов и дополнительного расхода теплоносителя (G) для компенсации этих теплопотерь с пересчетом начиная с п. 2.

4. Гидравлический расчет системы трубопроводов (при заданных диаметрах) для определения суммарных потерь давления в системе. Если заданы потери давления, то определение диаметров трубопроводов с пересчетом начиная с п. 3.

5. Определение потерь давления по всем ответвлениям, их увязка и подбор балансировочной арматуры.

6. Подбор приборов отопления.

Большой объем подготовительных расчетов (теплопотери, балансы по теплу, воздуху, вычерчивание схемы трубопроводов, подсчет длин участков и т. д.), а также большой объем исходных данных, особенно для этапа 3 – требуют времени и соответствующего подхода к этой работе. И, если на каком-то этапе допустить существенную неточность, погрешность или ошибку, принять абстрактное исходное данное – это может отразиться на всех элементах, а последствия распространятся так или иначе по всей системе отопления и проявятся, скорее всего, в наиболее слабых и критичных ее местах. Иногда эти погрешности возникают из-за приближенного (упрощенного) выполнения некоторых этапов, а иногда некоторыми расчетами пренебрегают, полагаясь на «коэффициенты запаса». Но с ними можно не угадать, особенно в проектных настройках балансировочной арматуры. С насосом это может повлечь повышенный шум в трубах или ощутимую вибрацию в прилегающих к тепловому пункту помещениях. С переразмеренными приборами отопления снижается тепловой комфорт в помещениях, т. к. более низкая температура на греющей поверхности уменьшает долю теплообмена излучением и, как следствие, радиационную температуру помещения, а конвективное тепло уходит под потолок: радиатор становится воздухонагревателем. Неоправданно увеличиваются и капитальные затраты – особенно заметно это в больших объектах.

Несмотря на всю громоздкость методики и множество входных данных, написать для расчета простейшую программу или даже сделать вычисления в Excel большого труда не составляет. Но все осложняет специфика расчета системы отопления – взаимное влияние некоторых значений, которые на разных этапах вычислений одновременно являются и данными и результатами:

1. изменение температуры теплоносителя на участках трубопроводов: dT_i;
2. температуры теплоносителя в системе в целом: dT(T₁–T₂);
3. теплопотери трубопровода на участках: Q_i;
4. расходы теплоносителя на участках: G_i.

dT_i зависит от Q_i. Q_i зависит от G_i. G_i зависит от dT и Q_i. dT зависит от dT_i. Распутать этот клубок тривиальным способом – выразить одно через другое – не получится. Приходится применять итерационный метод. При этом полученные результаты принимаются как исходные данные для следующих итераций пока не будет достигнуто их совпадение для dT и для суммарного теплового потока ΣQ в системе с определенной (приемлемой) точностью. Но у этого процесса высокая сходимость, поэтому погрешность в 1–2 % достигается за несколько итераций. Для максимальной точности и достоверности результатов в процессе итераций необходимо отслеживать совпадение данных и результатов не только для ΣQ, но и для Q_i по каждому участку трубопровода, количество которых в большом здании может достигать более 1000.

Рассмотрим возможные варианты распределения температур теплоносителя в системе отопления. За вариант 0 примем случай, когда остыванием теплоносителя в трубах пренебрегают.

Вариант 1. Распределение температур в системе при условии обеспечения расхода теплоносителя с учетом дополнительной величины бесполезных теплопотерь трубопроводами (см. рис. 3). При этом расчетные температуры T1–T2 заданы на источнике тепловой энергии (ИТЭ). У потребителя тепловой энергии (ПТЭ) их необходимо вычислить.

Рис. 3.

В этом варианте все подборы приборов отопления в двухтрубной системе (с симметричной подающей и обратной частями трубопроводов) остаются приемлемыми в сравнении с вариантом 0, т. к. средняя температура теплоносителя у приборов отопления падает не существенно и близка к «эталонным» 80 °C. Так, в примере системы отопления 1 для Q1: 79,69 °C, Q2: 79,56 °C, Q3: 79,39 °C, Q4: 79,45 °C. А повышенные расходы теплоносителя не оказывают ощутимого влияния на теплоотдачу радиаторов. Хотя в реальных примерах могут быть исключения (несимметричные, смешанные системы и т. д.).

Вариант 2. Распределение температур в системе, если расчетные температуры T1–T2 заданы у ПТЭ (см. рис. 4). На ИТЭ их необходимо вычислить.

Рис. 4.

Здесь также подборы приборов отопления практически совпадают с вариантом 0. Этот вариант актуален для тепловых сетей, когда необходимо обеспечить определенные температуры подающего и обратного теплоносителя у абонентов.

Вариант 3. Распределение температур в системе, если задана температура T₁ на ИТЭ, а также расчетный перепад температур у ПТЭ (см. рис. 5). Температуру T₂ на ИТЭ следует вычислить. Также необходимо определить температуры у ПТЭ.

Рис. 5.

Этот вариант показывает распределение температур в системе, когда в варианте 1 расход теплоносителя оставлен таким же как в варианте 0. Последствия: сильное падение средней температуры в системе, критическое снижение теплоотдачи приборов отопления и температур воздуха во всех помещениях.

Вариант 4. Распределение температур в системе, если задана температура обратного теплоносителя T₂ на ИТЭ, а также расчетный перепад температур у ПТЭ (см. рис. 6). Температуру подающего теплоносителя T₁ на ИТЭ следует вычислить. Также необходимо определить температуры у ПТЭ.

Рис. 6.

Этот вариант актуален для теплоснабжения некоторых технологических потребителей или из-за особенностей тепловой схемы в ИТЭ.

Примеры расчета простейших систем отопления.

В качестве «испытуемых» для расчета распределения температур на участках возьмем две простейшие системы отопления.

Рис. 7.

Система отопления 1 (рис. 7) является обычной двухтрубной, строго симметричной системой с полностью одинаковыми длинами подающей и обратной частей.

Рис. 8.

Система отопления 2 (рис. 8) отличается от системы 1 только лишь тем, что врезан еще один прибор отопления Q5, причем в транзитный подающий трубопровод (T1) по однотрубной проточной схеме. Понятно, что это несколько ухудшит работу радиаторов Q2 и Q3. Посмотрим насколько работоспособно такое решение. Отметим также, что радиаторы Q2 и Q3 при этом становятся уже однотрубными проточными. Каждый совместно с радиатором Q5 составляет проточную часть системы.

В обоих системах участки 1, 4, 7, 8 теплоизолированы минеральной ватой, λ = 0,044 Вт/(м°С), толщиной изоляции 40 мм для уч. 1, 4 и 30 мм для уч. 7, 8.

Примеры рассчитаны в программе «СигмаКАД». Основные результаты расчета сведены в табл. 2–4.

Таблица 2 Результаты расчета остывания теплоносителя на участках системы отопления 1

Таблица 3 Основные результаты расчета системы отопления 1

Таблица 4 Основные результаты расчета системы отопления 2

Для системы отопления 1 дополнительно вычислено падение теплоотдачи чугунных секционных радиаторов (по методике [3], стр. 43) из секций 2К60П для варианта 3 в сравнении с вариантом 0 (см. табл. 5). Подключение радиаторов принято «снизу-вниз»: p = 0,15; n = 0,08; c = 1 (табл. 9.2, [3]).  Но здесь следует иметь ввиду, что в данном расчете определения теплопотерь трубопроводами полезная их часть никак не учитывалась, а она в каком-то количестве будет присутствовать, например, на открытых подводках к приборам отопления.

Таблица 5 Падение теплоотдачи радиаторов в системе отопления 1

* 2К60П – радиатор чугунный секционный отопительный (ГОСТ 8690-94).

Выводы

1. Снижение параметров теплоносителя по длине трубопроводов может оказывать существенное влияние на подбор приборов отопления, особенно, если есть жесткие требования дизайнера или заказчика по максимально скрытой прокладке труб. В некоторых случаях для компенсации теплопотерь трубопроводами требуется существенно увеличивать типоразмеры оборудования в ИТП: мощность теплообменников систем отопления, а также расход теплоносителя циркуляционных насосов. Для приведенной системы отопления расход теплоносителя следует увеличить с 221,5 до 473,7 кг/ч. Иначе распределение температур в трубопроводах будет как в варианте 3, и как следствие – уменьшение теплоотдачи приборов отопления, недостаточный нагрев помещений (см. табл. 5).

2. Большое значение имеет тепловая изоляция всех транзитных участков, особенно малых диаметров и (или) с низкой скоростью теплоносителя (см. табл. 1). Наиболее критичные места прокладки труб: подвалы, шахты, ниши, особенно примыкающие к наружным ограждающим конструкциям. Наиболее критичные участки с малыми скоростями теплоносителя:

– длинные подводки к приборам отопления;

– распределительные (поэтажные) трубопроводы к поквартирным узлам учета, а также от узлов учета до входа в квартиры, как правило, проложенные в подготовке пола коридоров;

– протяженные транзитные трубопроводы диаметром до 50 мм.

3. Падение температуры теплоносителя в трубопроводе увеличивается с уменьшением скорости теплоносителя в нем. Поэтому при стремлении уменьшить гидравлическое сопротивление трубопроводов системы отопления путем снижения скоростей теплоносителя (увеличения диаметров) следует находить приемлемый баланс, особенно в варианте 1, в котором от теплопотерь трубопровода также зависит расход теплоносителя, а следовательно, скорости и потери давления на участках.

4. Теплопотери трубопроводов могут достигать 40 % от суммарной нагрузки системы отопления. Если их не учитывать, то скорее всего это останется без последствий, т. к. часть тепла все-таки участвует в отоплении помещений, а зимой редко температуры наружного воздуха приближаются к расчетным, да и запасы даются почти во всех подборах основного оборудования: теплообменниках, насосах и приборах отопления. Слабым местом здесь скорее является балансировочная арматура, в подбор и настройки которой вносятся существенные погрешности, которые могут как взаимно уничтожаться, так и складываться (накапливаться), и тут уж как повезет. Может получиться так: слишком большой запас – очевидное завышение сметной стоимости, недостаточный – жалобы и проблемы.

5. Максимально точный учет теплопотерь трубопроводами и мероприятия по их тепловой изоляции еще более важны для тепловых сетей, с их протяженностью и диаметрами. Ведь все потери тепла там очевидно бесполезны.

6. Расчет распределения температур в системе отопления 2 показывает, что такое подключение радиатора Q5, с небольшой мощностью, не оказывает критического влияния на работоспособность других радиаторов и системы в целом. Хотя для возможности регулировки теплоотдачи его все-таки следует подключить через замыкающий участок № 14.

Литература

1. Баскаков А. П., Берг Б. В., Витт О. К. и др. Теплотехника: учебник для вузов / под ред. А. П. Баскакова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Теплотехнический справочник. В 2-х т. Т. 2 / под общ. ред. В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1976.

3. Богословский В. Н., Крупнов Б. А., Сканави А. Н. и др. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3-х ч. Ч.1. Отопление / под ред. И. Г. Староверова, Ю. И. Шиллера. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1990. – 344 с.: ил. (Справочник проектировщика).