Системы ГВС с циркуляцией и точность учета потребления горячей воды

Circulation Hot Water Supply Systems and Precision of Hot Water Metering

Yu. E. Klochkov, Technical Director at PULSAR-MSK LLC, E. I. Gutstein, Candidate of Engineering, Consultant

Keywords: hot water metering, water meter, measurement error

Horizontal apartment-by-apartment water water supply system arrangement is widely used in construction of modern housing. This solution is considered convenient from the engineering and economic perspectives, but has a well-known deficiency: when there is no consumption, water inside the supply pipes cools down and you have to let the water run for some time to get hot water, which reduces the quality of the hot water supply service provided. There is a popular opinion that this deficiency can be eliminated by adding a circulation loop to the system. In this case water inside the apartment does not stagnate, and consumers can get hot water fast. Combination of two meters is proposed (and even used) for metering of hot water use. One of them is installed inside the pipe connecting the inlet hot water pipeline with the apartment, and the second one – inside the circulation pipe connecting the apartment pipework with the circulation pipeline. This article shows that low accuracy is a principal property of a consumption measurement system that uses difference in readings of the two meters.

Описание:

Горизонтальная поквартирная разводка горячего водоснабжения (ГВС) широко применяется при строительстве современного жилья. Это решение считается удобным как с инженерной, так и с экономической точки зрения, но обладает известным недостатком: в отсутствие потребления вода в подводящих трубах остывает, для получения горячей воды приходится некоторое время сливать остывшую, что снижает качество предоставляемой услуги ГВС. Распространено мнение, что этот недостаток может быть преодолен введением в систему контура циркуляции. При этом в квартире вода не застаивается, и потребитель быстро получает горячую вод. Для учета потребления горячей воды предлагается (и даже используется) сочетание двух счетчиков. Один из них устанавливается в трубе, соединяющей входной трубопровод ГВС с квартирой, другой – в циркуляционной трубе, соединяющей внутриквартирную разводку с трубопроводом циркуляции. В настоящей статье показано, что низкая точность является принципиальным свойством системы измерения потребления как разности показаний двух счетчиков.

Ключевые слова: водосчетчик, учет потребления горячей воды, погрешность измерения

Системы ГВС с циркуляцией и точность учета потребления горячей воды

Ю. Е. Клочков, технический директор ООО «ПУЛЬСАР-МСК»

Е. И. Гутштейн, канд. техн. наук, консультант

Для учета потребления горячей воды предлагается (и даже используется) сочетание двух счетчиков. Один из них устанавливается в трубе, соединяющей входной трубопровод ГВС (Т3) с квартирой (входной счетчик, СТ3), другой – в циркуляционной трубе, соединяющей внутриквартирную разводку с трубопроводом циркуляции (счетчик циркуляции, СТ4). Объем потребленной горячей воды рассчитывается как разность показаний СТ3 и СТ4. Коллекторы водоснабжения устанавливают в местах общего пользования, счетчики стоят вертикально.

Однако есть множество случаев, когда жильцы жалуются в управляющие компании на несоответствие начислений реальному потреблению горячей воды. Управляющие компании не могут не обращать внимания на претензии жильцов, используя тот очевидный предлог, что эти претензии не подкреплены какими-либо показаниями приборов. Дело в том, что сами управляющие компании нередко сталкиваются с подобным несоответствием в его самом абсурдном виде: в некоторых случаях счетчик циркуляции показывает больший расход, чем входной счетчик, т. е. квартира показывает ложноотрицательное потребление. Часты также случаи, когда оплата за ГВС начисляется жильцам, которые отсутствовали в квартире в расчетный период (ложноположительное потребление).

Не понимая причин проблемы, жильцы и управляющие компании обращаются к производителям счетчиков воды с претензиями по поводу качества приборов.

В настоящей статье будет показано, что низкая точность является принципиальным свойством системы измерения потребления как разности показаний двух счетчиков.

Перейдем к рассмотрению проблемы по существу.

Для определенности будем использовать в расчетах технические характеристики крыльчатых водосчетчиков Ду15, в изобилии присутствующих на рынке. Важные для нашего рассмотрения характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1

Наименование основных технических характеристик	Диаметр условного прохода, мм
Наименование основных технических характеристик	15		20
Метрологический класс по ГОСТ Р 50193.1	Кл. А	Кл. В	Кл. А	Кл. В
Расход воды, м³/ч
Наименьший, Q_min	0,06	0,03	0,10	0,05
Переходный, Q_t	0,15	0,12	0,25	0,20
Номинальный, Q_n	1,5	1,5	2,5	2,5
Наибольший, Q_max	3,0	3,0	5,0	5,0
Порог чувствительности, не более	0,03	0,015	0,05	0,025

Примечания:
1. Наибольший расход Q_max – это расход, при котором потеря давления не превышает 0,1 МПа (1,0 кгс/см²) и счетчик может работать не более 1 ч в сутки.
2. Номинальный расход Q_n – это расход, равный 0,5 Q_max, при котором счетчик может работать непрерывно в течение длительного времени.
3. Переходный расход Q_t – это расход, при котором счетчик имеет погрешность ±2 %, а ниже которого ±5 %.
4. Наименьший расход Q_min – это расход, при котором счетчик имеет погрешность ±5 % и ниже которого погрешность не нормируется.
5. Порог чувствительности – это расход, при котором крыльчатка приходит в непрерывное вращение.
6. Счетчики соответствуют метрологическому классу В по ГОСТ Р 50193.1 при горизонтальной установке и классу А при вертикальной установке.
7. Предел допускаемой основной погрешности счетчиков при выпуске из производства и при ремонте не превышает:
• в диапазоне Q_min до Q_t – ±5 %;
• в диапазоне Q_t до Q_max – ±2 %.

Обратимся теперь к анализу точности измерения потребления горячей воды в системах с внутриквартирной циркуляцией.

Оценка погрешности измерений разности масс теплоносителя в системах теплоснабжения рассмотрена в работе [3], опубликованной в 2016 году. Возможно, эта работа прошла мимо внимания проектировщиков внутридомовых систем водоснабжения, т. к. относится к ситуации не внутри, а вне дома. Однако принципиальные подходы теории измерений не зависят от географии рассматриваемого объекта и масштаба задачи. Поэтому мы используем подход, примененный в работе [3], для анализа ситуации во внутриквартирной системе ГВС с циркуляцией.

Точность счетчика характеризуется величиной предельно допустимой относительной погрешности δ (см. примечание 7 к табл. 1). Это означает, что абсолютная величина отклонения показания счетчика G от измеряемой величины Q не превышает δ·G, то есть Q = G ± δ·G.

Пусть G₁, G₂ – показания, соответственно, входного счетчика СТ3 и счетчика циркуляции СТ4, δ₁, δ₂ – их относительные погрешности. Тогда потребление горячей воды будет определено как

G₀ = G₁ - G₂, (1)

и относительная погрешность этого измерения будет равна

δ₀ = (δ₁·G₁ + δ2·G₂)/(G₁ − G₂). (2)

Поясним формулу (2). Максимальная погрешность разности показаний счетчиков возникает, когда отклонения показаний от измеряемых величин имеют разные знаки. Поэтому в формуле (2) в числителе содержится сумма абсолютных величин максимальных абсолютных погрешностей счетчиков (мы просим прощения за невольный каламбур, так уж сложилась терминология).

Если относительные погрешности счетчиков одинаковые, δ₁ = δ₂ = δ, то

δ₀ = δ·(G₁ + G₂)/(G₁ − G₂). (3)

Аналогичная формула есть в работе [3].

Рассмотрим конкретные примеры. Будем считать, что в качестве СТ3 и СТ4 используются счетчики с диаметром условного прохода Ду15 с вертикальной установкой; такая конфигурация встречается во многих проектах.

Пример 1.
Поток циркуляции равен Q_min для счетчика Ду15

Возможно, что приемлемые параметры ГВС в квартире можно обеспечить и при меньшей величине потока циркуляции, но тогда счетчики работают в области, где их погрешности не нормированы, и нельзя рассмотреть численный пример. Из табл. 1 видно, что для вертикальной установки поток циркуляции равен Q_min = 0,06 м³/час, что составляет 1,44 м³/сут., или 43,2 м³/мес. При этом предельная относительная погрешность счетчика составляет 5 %.

В табл. 2 приведены рассчитанные величины погрешности измерения при различных значениях объема потребления.

Из табл. 2 видно, что даже при больших значениях объема потребления погрешность измерения этой величины как разности показаний счетчиков остается неприемлемо большой.

Пример 2.
Поток циркуляции равен Q_t для счетчика Ду15

Как видно из примечания 7 к табл. 1, при величине потока, большей, чем Q_t, для счетчика Ду15 максимальная относительная погрешность счетчиков становится минимальной и составляет 2 %. Согласно табл. 1, для вертикальной установки поток циркуляции должен быть равен Qt = 0,15 м³/час, что составляет 3,6 м³/сут., или 108 м³/мес.

В табл. 3 показаны рассчитанные величины погрешности измерения при различных значениях объема потребления.

Из табл. 3 видно, что переход к режиму минимальной погрешности счетчиков практически не меняет погрешности измерения объема.

Из приведенных выше формул и примеров можно сделать ряд выводов, достаточно очевидных, но тем не менее достойных обсуждения.

Чисто математически можно представить себе два способа снижения погрешности измерения потребления горячей воды как разности показаний СТ3 и СТ4: увеличение потребления горячей воды и уменьшение объема циркуляции.

Первый вариант вряд ли реализуем с помощью директивных и технических мер.

Второй вариант математически кажется реализуемым, но чреват серьезными проблемами, возникающими при отсутствии потребления.

Во-первых, при объеме циркуляции, меньшем, чем Qmin, погрешность самих счетчиков не нормируется и доверия к их показаниям нет.

Во-вторых, при отсутствии потребления объем воды, проходящий через СТ3, равен объему воды, проходящему через СТ4. Таким образом, разность показаний этих счетчиков должна стремиться к нулю. Но из формул (2) и (3) следует, что при этом относительная погрешность оценки стремится к бесконечности, что означает полную неопределенность. Чем ближе показания счетчиков друг к другу, тем меньше можно доверять оценке разности, которая может показать как ложноположительное, так и ложноотрицательное потребление при абсолютно исправных счетчиках.

Приведенные примеры позволяют подтвердить вывод, сделанный в [3]: измерение потребления горячей воды следует выполнять не косвенным (как разность показаний счетчиков), а непосредственным способом, устанавливая водосчетчики на каждую точку разбора. Если же по каким-то причинам это сделать невозможно, то нужно использовать иные способы обеспечить качество горячего водоснабжения.

Литература

1. Антоненко А. А., Чухина М. В., Шилкин Н. В. Горизонтальная система горячего водоснабжения: как обеспечить циркуляцию при поквартирном учете // АВОК. – 2020. – № 4. – С. 44–48.

2. Счетчики холодной и горячей воды крыльчатые «ПУЛЬСАР». Руководство по эксплуатации. – URL: https://pulsar-msk.ru/media/upload/product/re_s/re_schetchik_vody_odnostruynyy_pulsar_10_l.imp.red.3_EX05M0a.pdf.

3. Лупей А. Г. О погрешности измерений разности масс теплоносителя в системах теплоснабжения // Новости теплоснабжения. – 2016. – № 10(194). – URL: www.rosteplo.ru/nt/194.