Стратегия автоматического регулирования систем отопления многоквартирных домов

В. И. Ливчак, канд. техн. наук, член бюро президиума НП «АВОК»

А. Д. Забегин, государственный эксперт-инженер

По моему мнению, основное решение, позволяющее достичь поставленной в первой фразе задачи, – это осуществление в первую очередь автоматического регулирования подачи теплоты в системы отопления из тепловой сети в ИТП или в АУУ (автоматическом узле управления системой отопления при подключении через ЦТП). Причем важно не только предусмотреть установку системы авторегулирования, но и добиться настройки контроллера системы авторегулирования на оптимальный режим подачи, реализуемый выбранным графиком температур в подающем трубопроводе системы отопления в зависимости от изменения температуры наружного воздуха.

Термостаты при этом выполняют второстепенную роль, удовлетворяя индивидуальные потребности жителей в области достижения в отапливаемом помещении желаемой температуры воздуха в комфортных пределах и возможной экономии тепловой энергии на отопление в периоды теплопоступлений с солнечной радиацией либо при увеличении внутренних теплопоступлений (например, во время приготовления пищи).

Подтверждение энергоэффективности авторегулирования подачи теплоты в системы отопления из тепловой сети в условиях эксплуатации

Для демонстрации сказанного воспользуемся результатами комплексных испытаний, осуществленных в отопительном сезоне 2009–2010 годов по инициативе Москомэкспертизы и мэрии Москвы при поддержке Департамента капитального ремонта жилищного фонда Москвы и префектуры ЮЗАО на восьми жилых домах серии II-18-01/12 по адресу ул. Обручева, в которых был выполнен комплексный капитальный ремонт, включающий утепление стен до R_ст.пр = 3,06 м²·⁰C/Вт, замену окон на более герметичные с Rок.пр = 0,55 м²·⁰C/Вт, замену системы отопления с отопительными приборами, оборудованными термостатами, и устройство автоматизированного узла управления (АУУ) подачи теплоты в систему отопления здания.

Утепление зданий и замена систем отопления дд. 47, 49, 53, 57, 59, 61 выполнена зимой 2008–2009 годов, дд. 51 и 63 – зимой 2009–2010 годов. В д. 57 по ул. Обручева 18 ноября 2009 года была реализована подача теплоты на отопление по расчетной зависимости с учетом увеличивающейся доли внутренних теплопоступлений в тепловом балансе дома с повышением наружной температуры и выявленного запаса при проектировании системы отопления (график Ливчака³ ). В дд. 47, 49 и 61 той же серии контроллеры АУУ были включены на поддержание проектного графика температур, в дд. 51 и 63 АУУ еще не были установлены, регулирование подачи теплоты осуществлялось в ЦТП, к которому были подключены все перечисленные здания. Дд. 53 и 59 исключены из-за сбоев в работе АУУ, описанных в [2].

По результатам измерений построены графики (рис. 1) изменения среднечасового за каждый месяц отопительного периода фактического теплопотребления систем отопления перечисленных зданий в зависимости от разности средних за месяц температур воздуха внутри и снаружи здания согласно рекомендациям ГОСТ 31168–2003. На рис. 1 линией 1 показана расчетная зависимость изменения расхода теплоты на отопление и вентиляцию, удовлетворяющая оптимальному теплопотреблению, построенная по двум реперным точкам со следующими координатами: расходу теплоты, равному Q_от.тр.р = 175,7 кВт при расчетной температуре наружного воздуха t_нр = –26 ⁰C (в координатах t_в– t_н = 20 – (–26) = 46 ⁰C) и нулевой расход теплоты при tн = 12 ⁰C (t_в– t_н = 20 – 12 = 8 ⁰C).

Линией 3 обозначена проектная зависимость изменения расхода теплоты на отопление и вентиляцию, соответствующая расчетному расходу теплоты из проекта, равному Qот.пр.р = 205,2 кВт, и нулевому расходу теплоты при tн = tв = 18 ⁰C (t_в– t_н = 20 – 18 = 2 ⁰C), на поддержание которой в соответствии с проектом был настроен контроллер в дд. 47, 49, 61. Эта линия совпала с обобщающей зависимостью линейной аппроксимации фактических измерений теплопотребления этих домов на отопление за каждый месяц отопительного периода (указано на рисунке оранжевыми значками), отнесенных к одному часу. Линия 4 обобщает показатели фактического теплопотребления дд. 51 и 63, в которых не были закончены ремонтные работы. В расчетных условиях расход теплоты на отопление превышал проектное значение домов с выполненным капитальным ремонтом на (290 – 205) · 100 / 205 = 40 %.

Зелеными треугольниками на рис. 1 показаны результаты таких же измерений за меньший период в несколько суток, по возможности с исключением переходных периодов влияния динамических процессов, д. 57, настроенного на оптимальный режим работы, в то же время обеспечивающий поддержание заданной температуры внутреннего воздуха 20 ⁰C и нормативного воздухообмена. Следует отметить, что в зоне поддержания требуемого теплопотребления менее 20 % от расчетного автоматика работала неустойчиво, сбиваясь на двухпозиционный режим работы («закрыть – полуоткрыть»), что вызывало нарекания жильцов на «холодные батареи», хотя температура внутри помещений не опускалась ниже 21 ⁰C. Стрелкой показано, как после 27 марта при t_н = 6 ⁰C контроллер был вручную переведен с оптимального режима работы на проектный.

Рисунок 1. Результаты измерения фактического теплопотребления на отопление домов серии II-18–01/12 и расчетные зависимости изменения расхода теплоты на отопление Qот, кВт, от разности температур внутри и снаружи здания tв – tн, 0С

Фактический расход теплоты на отопление д. 57 аппроксимируется линией 2, которая выше расчетной зависимости, заложенной для поддержания в контроллере, на (186 – 175,7) · 100 / 175,7 = 6 %. Как оказалось позже, это было связано с инициативой жильцов по увеличению площади нагрева отопительных приборов сверх проекта, что при использовании в качестве отопительных приборов чугунных радиаторов не вызывает затруднений, так как не требует сварочных работ. Побуждения жителей вполне объяснимы: во-первых, когда у тебя под окном устанавливают меньшее количество секций радиаторов, чем было до ремонта, это справедливо вызывает недоверие, и во-вторых, очень одиноко смотрятся 2–3 секции радиатора шириной до 0,2 м в нише под окном на кухне, имеющим ширину 1,2–1,5 м; конечно, в этом случае надо ставить прибор с меньшей теплоплотностью.

Но поскольку увеличение площади нагрева отопительных приборов сверх проекта было выполнено жильцами только отдельных квартир, этот запас нельзя устранить централизованно. Этот перегрев будет иметь место, пока жителей, нарушивших условия совместного проживания, не обяжут восстановить систему общего пользования всего дома, какой является система отопления с отопительными приборами, в проектное состояние.

В результате за период испытаний с 18 ноября 2009 года по 30 апреля 2010 года фактический удельный расход тепловой энергии на отопление д. 57, пересчитанный на нормативный по МГСН 2.01–99 и СНиП 23-02–2003 отопительный период (ГСОП = 4 943 ⁰C·сут.) составил 99,5 кВт·ч/м². А если еще учесть 6 %-ное реальное увеличение поверхности нагрева отопительных приборов по сравнению с проектом, зафиксированное соответствующими актами при обходе квартир, то фактическое теплопотребление дома было бы даже ниже норматива – 95 кВт·ч/м². Это убедительно доказывает, что нормируемое значение энергоэффективности в домах типовых серий вполне достижимо. Средний удельный годовой расход тепловой энергии на отопление по трем домам такой же серии, но подача теплоты в которых выполнялась в соответствии с проектными параметрами, составил 140 кВт·ч/м², это означает перерасход теплоты на (140 – 95) · 100 / 95 = 47 % больше нормативного и достигнутого в д. 57 значения, то есть упущенная экономия составила 47%.

Практика применения термостатов в московском строительстве

Подтверждением того, что в достигнутой экономии за счет наличия АУУ и настройки контроллера и циркуляционного насоса системы отопления на оптимальный режим работы не участвовали термостаты, служат результаты натурных испытаний, проведенных на тех же домах по ул. Обручева. Оба дома (дд. 57 и 59) оборудованы АУУ. В системе отопления д. 59 кроме термостатов установлены еще балансировочные клапаны на стояках и теплораспределители на отопительных приборах. Режим работы системы отопления этих домов представлен на рис. 2.

Рисунок 2. Режим работы систем отопления жилых домов серии II-18–01/12 после капитального ремонта, оборудованных АУУ

В верхней части рисунка приведены величины среднечасового за сутки расхода теплоты на отопление обоих домов по измерениям домовыми теплосчетчиками за период с декабря 2009 года по январь 2010 года в сопоставлении с требуемым, установленным для поддержания контроллером АУУ на проектный график. В средней части – среднечасовой за сутки фактически измеренный расход теплоносителя из тепловой сети в систему отопления, внизу – среднесуточная температура наружного воздуха.

Д. 57. Как видно из рис. 2, в д. 57 АУУ находился в рабочем режиме. В результате фактический расход теплоты был несколько ниже требуемого, особенно при температурах наружного воздуха выше средней температуры отопительного периода, поскольку контроллер этого дома был настроен на поддержание не проектного графика (как в д. 59 в декабре), а заданного с учетом увеличивающейся доли внутренних теплопоступлений в тепловом балансе дома с повышением наружной температуры (график Ливчака3). Средний за сутки расход теплоносителя из тепловой сети в систему отопления колебался в пределах 1,2–3,2 т/ч.

Д. 59. В д. 59 до 20 декабря АУУ также находился в рабочем режиме, и фактический расход теплоты соответствовал требуемому. Но с 20 декабря по 19 января автоматика АУУ была отключена, поэтому резко увеличился расход теплоносителя на отопление до максимума, с 2,4 до 4,5 т/ч (рис. 2б). Расход теплоты, потребляемый системой отопления, вырос на 40–50 % по сравнению с требуемым (рис. 2а), и термостаты не смогли снять этот перегрев. Только когда 19 января вновь была включена автоматика на АУУ, теплопотребление восстановилось до проектного.

Почему же термостаты не стали закрываться при таком колоссальном перегреве? Такой перегрев помещений здания стал следствием того, что термостаты были оборудованы термостатическими головками с максимальным пределом температурной настройки 26 ⁰C. Это означает, что при полном открытии термостата клапан не будет автоматически закрываться, пока температура воздуха в помещении не превысит 26 ⁰C. Естественно, даже самые теплолюбивые жильцы воспринимают такую температуру как избыточную и раскрывают окна, сбрасывая теплоту на улицу.

Менталитет российского жителя оказался таков, что он не меняет настройку терморегулятора, а ставит его на полное открытие, тем более что терморегуляторы не оцифрованы по градусам температуры. Чтобы предотвратить это, следует ограничить настройку термостатической головки среднекомфортным значением температуры: 21 ⁰C. С учетом коэффициента неравномерности это будет означать поддержание температуры воздуха в помещениях в оптимально комфортном диапазоне 20–22 ⁰C. Несмотря на то, что такое предложение было высказано М. М. Грудзинским еще в конце 90-х годов при первых испытаниях термостатов в условиях реальной эксплуатации в Москве, в доме в районе Восточное Дегунино, проектировщики и производители термостатов проигнорировали его.

Поэтому и в п. 6.1.3 СП 60.13330.2012 написано очень осторожно:

«В системах центрального отопления следует предусматривать, как правило, автоматическое регулирование теплоотдачи отопительных приборов… При этом автоматическое регулирующее устройство должно иметь ограничение диапазона регулирования температуры воздуха в помещении…»

Роль индивидуального автоматического регулирования теплоотдачи отопительных приборов

Следует отметить, что человек, система отопления и создаваемые ею тепловой и воздушный режимы в квартире в отсутствии термостатов являются устойчивой саморегулируемой системой при обеспечении поступления количества теплоты в эту квартиру, как принято в нормах проектирования2, 3, в объеме, компенсирующем теплопотери через ограждения и на нагрев вентиляционной нормы наружного воздуха за вычетом бытовых теплопоступлений, на что и рассчитываются системы отопления.

Гигиенисты свидетельствуют, что особенности воздействия микроклимата на человека таковы, что он быстро реагирует на изменение окружающей температуры, но не ощущает незначительные колебания количества вентиляционного воздуха. Поэтому если в вышеописанном случае будет добавлено регулирующее воздействие на отопительные приборы в виде термостатов, которые должны закрываться при повышении температуры воздуха в отапливаемом помещении, то у жителя не возникает потребности в открывании окон. Воздухообмен в квартире будет ниже нормативного, из-за этого повышается влажность воздуха, приводящая к образованию плесени на стенах. Возникает синдром больного здания. Количество таких зданий в европейских странах значительно больше, чем в России, поскольку там жители законопослушнее, чем у нас: они реже открывают окна, стремятся к экономии энергии и настраивают термостаты на поддержание желательной температуры воздуха в допустимых нормами пределах.

А мы не стремимся к экономии теплоты в доме и раскрываем форточки даже при наличии термостатов. Но человек не всегда успевает среагировать, когда температура воздуха в помещении понизится из-за приоткрытой форточки, термостат же опережает его, автоматически раскрываясь при снижении температуры в помещении, добавляя теплоты больше, чем необходимо для нагрева воздуха в объеме нормативного воздухообмена, тем более что отопительные приборы подобраны всегда с запасом. В результате термостаты вызовут перерасход тепловой энергии на отопление.

В связи с этим внедрение термостатов должно быть обусловлено наличием:

1. постоянно действующей вентиляции в квартирах в объеме нормативного воздухообмена;
2. устройств, демонстрирующих снижение теплопотребления при правильной настройке термостата. Житель должен понимать, что если он будет менять установку термостатической головки, понижая температуру внутри помещения, то снизит плату за сэкономленную теплоту.

Из этого следует, что квартиры должны быть обеспечены авторегулируемыми приточными клапанами в наружных стенах или оконных переплетах, работающей вытяжной вентиляцией и теплораспределителями или квартирными теплосчетчиками. При этом считается, что измерение теплоотдачи отопительного прибора (в условных величинах, по значению которых затем будет распределяться измеренный расход тепловой энергии на отопление всего дома) стимулирует жителей к энергосбережению [4]. А пока это не реализовано и жители не прониклись осознанием неотвратимости энергосбережения, не следует форсировать обязательную установку термостатических головок. Лучше реализовывать их через розничную торговлю, как электролампочки.

В каждом доме обязательно следует предусматривать автоматизированный узел управления системой отопления (АУУ), позволяющий оптимизировать подачу теплоты на отопление для достижения максимальной экономии тепловой энергии при обеспечении комфортных условий в жилище. Производители термостатов, подтверждая энергоэкономический эффект от их применения на практике, забывают, что термостаты устанавливают в системах отопления, оборудованных автоматическим регулированием подачи тепла на отопление в зависимости от изменения наружной температуры, и эффект, приписываемый термостатам, на самом деле получается от реализации АУУ.

О необходимости балансировочных клапанов на стояках

Следует заметить, что вертикально-однотрубная система отопления является самой гидравлически устойчивой и малометаллоемкой из всех известных. Даже при работающих термостатах расход теплоносителя через стояки практически не меняется, а правильное распределение теплоносителя по стоякам обеспечивается приемами, рекомендуемыми СНиПом при гидравлическом расчете трубопроводов: до 70 % потерь давления обеспечивается в стояке и только 30 % – на общих участках подающего и обратного розливов. При этом установка балансировочных клапанов не требуется и СНиПом не рекомендуется. О некорректности доказательств достижения экономии теплоты от применения балансировочных клапанов на стояках в натурных испытаниях на домах серии II 18-01/12 сказано в [5].

В секционных жилых домах второго и третьего поколений индустриального домостроения, как и в башнях типа серии II 18-01/12, системы отопления в плане не превышают 30×15 м. Максимальная длина плеча таких систем (при подводе теплоносителя в центр системы) не превышает 20 м, а количество стояков в отдельной ветке системы не более 5–7 шт., что чрезвычайно мало, чтобы испытывать трудности в распределении теплоносителя. Вот если бы на одной ветке их было в два раза больше, тогда бы стоило задуматься; хотя и в этом случае можно отказаться от применения балансировочных клапанов, а перейти на схему попутного движения теплоносителя в разводящих магистралях, к которым подключаются вертикальные стояки (обратная магистраль начинается не с последнего стояка по подаче теплоносителя, а с первого, и кольца через любой стояк системы отопления становятся одинаковыми по длине).

Судить о разрегулировке стояков по несовпадению температуры обратной воды также неправильно, так как вертикально-однотрубные системы отопления проектируют с переменным температурным перепадом. Балансировочные клапаны понадобятся только на ответвлениях секционных систем отопления при питании от одного ИТП нескольких секционных систем, а на стояках в домах типовых серий они не нужны.

Подтверждением того, что достигнутая экономия осуществляется за счет настройки контроллера АУУ и циркуляционного насоса системы отопления на оптимальный режим работы, служит рис. 2, который дает обоснование, почему при отключении контроллера и возникшем при этом перегреве не сработали термостаты, и соображения об их роли в системе авторегулирования отопления.

P. S. В предыдущем номере журнала «Энергосбережение» [6] появилось сообщение, что Минстроем России подготовлен проект плана мероприятий (дорожной карты) повышения энергетической эффективности зданий, предусматривающий уменьшение удельного годового расхода тепловой энергии и электрической энергии на общедомовые нужды в многоквартирных домах и тепловой и электрической энергии в административных и общественных зданиях к 2018 году на 5 %, к 2020 году – еще на 10 %, и к 2025 году – всего на 25 % по сравнению со значением базового энергопотребления в 2015 году.

Это вызывает недоумение, ведь еще не закончилось действие постановления Правительства РФ № 18⁴, по которому к 2016 году тот же показатель энергопотребления МКД должен быть снижен на 30 %, а к 2020 году – всего на 40 % по сравнению с уровнем, достигнутым до выхода этого постановления! И это вполне достижимые показатели, как показал опыт московского строительства, где на региональном уровне в 2010 году были приняты повышенные обязательства по повышению энергоэффективности зданий. По независимым друг от друга заявлениям руководителя Центра энергосбережения ГУП НИИМосстроя Г. П. Васильева и генерального директора Центра энергоэффективности – ХХI век И. А. Башмакова незначительное увеличение стоимости за счет дополнительного утепления зданий несколько раз окупится за период жизненного цикла здания.

Так что же, рекомендуется обо всем этом забыть, считать, что никакого постановления Правительства РФ от 2011 года не было, и начать новый отсчет опять с неизвестных базовых значений энергопотребления 2015 года, которые будут устанавливать так же долго? А на самом деле под лозунгом «совершенствования государственного регулирования в области повышения энергоэффективности зданий» вместо провозглашенного постановлением Правительства РФ № 18 повышения энергоэффективности к 2020 году на 40 % спуститься до 15 %, увеличив отставание в энергоемкости зданий даже от стран бывшего соцлагеря?

Отмечаемое на практике в ряде примеров большее, чем ожидаемое в проекте фактическое теплопотребление на отопление и вентиляцию МКД объясняется, как было продемонстрировано в начале статьи, неправильной настройкой или отсутствием контроллера, регулирующего подачу тепла в систему отопления. В д. 57, где контроллер был настроен на поддержание температурного графика подачи тепла на отопление с учетом соблюдения теплового баланса и выявленного запаса поверхности нагрева отопительных приборов, в сезоне 2009–2010 годов обеспечивалось требуемое теплопотребление при поддержании температуры воздуха и воздухообмена в квартирах на нормативном уровне. А в других аналогичных домах, также утепленных и оборудованных АУУ, но с не перенастроенным контроллером, теплопотребление на отопление было на 45–50 % выше нормативного.

Литература

1. Колубков А. Н. Обязательные требования к проектной документации с 1 июля 2015 года. Взгляд эксперта и инженера // АВОК. 2015. № 5.
2. ивчак В. И., Забегин А. Д. Преодоление разрыва между политикой энергосбережения и реальной экономией энергоресурсов // Энергосбережение. 2011 № 4.
3. Малявина Е. Г., Бирюков С. В., Дианов С. Н. Воздушный режим жилых зданий. Учет влияния воздушного режима на работу системы вентиляции жилых зданий // АВОК. 2003. № 6.
4. Карпов В. Н. Проблемы внедрения поквартирного учета расхода тепла в системах отопления // АВОК. 2012. № 4.
5. Ливчак В. И. Сомнения в обоснованности энергоэффективности некоторых принципов автоматизации систем водяного отопления // Новости теплоснабжения. 2012. № 6.
6. Туликов А. В. Совершенствование государственного регулирования в области повышения энергоэффективности зданий // Энергосбережение. 2016. № 2.

¹ Введенные с 1 июля 2015 года Постановлением Правительства РФ от 26 декабря 2014 года № 1521 «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил (частей таких стандартов и сводов правил), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений"».

² СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01–2003».

³ Подробнее о «графике Ливчака» в статье «Независимый оператор коммерческого учета должен измерять и анализировать» («Энергосбережение», № 1, 2013, с. 47, комментарий редакции). Объяснения, почему в проекте оказался скрытый запас, как рассчитать оптимальный график подачи теплоты и как настроить контроллер на его поддержание, можно найти в Рекомендациях НП «АВОК» 2.3–2012 «Руководство по расчету теплопотерь помещений и тепловых нагрузок на систему отопления жилых и общественных зданий» и в [2].

⁴ Постановление Правительства Российской Федерации от 25 января 2011 года № 18 «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов».