Повышение эффективности работы систем низкотемпературного водяного отопления

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО

ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Зайцев Олег, Лукьянченко Дарья, Меннанов Эльмар, Степанцова Наталья

Академия строительства и архитектуры Крымского Федерального университета им. В.И.Вернадского корп.4, ул. Киевская, 181, г. Симферополь, Республика Крым, 295493

e-mail: zon@ukr.net

Аннотация. В статье приведены результаты теоретических исследований поля температуры, скорости и давления в нагревательных приборах с различной тепловой инерцией. Показано, что практически линейный режим регулирования расхода теплоносителя наблюдается в очень малом диапазоне постулируемой области работы терморегулятора. Выявлены наиболее предпочтительные для применения типы нагревательных приборов в системах с количественным регулированием.

Ключевые слова: нагревательный прибор, терморегулятор, система отопления.

Общая постановка задачи

Оснащение отопительных приборов индивидуальными автоматическими регуляторами теплового потока (термостатами) позволяет в зависимости от типа регуляторов и условий их эксплуатации уменьшить расход тепловой энергии на отопление на 10-20% в основном за счёт снижения непроизводительных затрат теплоты [1-5], однако получаемая экономия зачастую меньше декларируемой.

Анализ последних исследований и публикаций

Основным недостатком в работе регулируемых систем отопления является узкая область линейного действия терморегуляторов (от 0,3 до 0,7 хода клапана). Также необходимо отметить, что, несмотря на достаточно развитую теорию гидравлического регулирования систем отопления в настоящее время отсутствуют тепловые модели работы таких систем. Особенно негативна ситуация при малом тепловом напоре в нагревательном приборе, что характерно для возобновляемых источников энергии

Целью работы является совершенствование систем водяного отопления с низкотемпературным теплоносителем на основе рационального выбора нагревательных приборов для систем с качественным регулированием и выявления негативных факторов при эксплуатации и проектировании таких систем.

Основной материал исследований

Рассмотрим способы регулирования теплопередачи отопительных приборов в системах отопления при использовании теплоносителя с начальной температурой более 60°С.Так, номинальный тепловой поток отопительного

прибора Qн т есть величина, получаемая в процессе

его тепловых испытаний в климатических камерах при определенных нормируемых условиях. Во время эксплуатации условия, как правило, отличаются от нормируемых. Тепловой поток отопительного прибора зависит от многих факторов, например, от способа установки и подключения

прибора, конструкции декоративного ограждения, состава и цвета красителя. Например, окраска заметно влияет на теплоотдачу приборов с гладкой поверхностью и практически не влияет на теплоотдачу приборов с ребристой поверхностью. Эти факторы постоянны и учитываются путем введения поправочных коэффициентов к номинальному тепловому потоку.

Тепловой поток отопительного прибора

Q(т зависит также от ряда переменных факторов.

Эта зависимость имеет следующий вид:

(

Qom = б

Atс

Y+V

At„

ср J

GmeK

пр

Y

где

At тек

ср

О,

V

тек

О,

пр J

пр

текущие

(эксплуатационные) значения разности средней температуры воды в приборе и температуры

окружающего воздуха tв и расхода воды в приборе;

р - экспериментальный показатель, характеризующий конкретный прибор,

р е (0; 0,18) (радиаторам свойственны меньшие значения, конвекторам - большие);

п - показатель степени, для конвекторов и радиаторов п е

На практике варьировать теплоотдачу нагревательных приборов можно изменением трех величин: начальной температуры поступающей в прибор греющей среды tг, расхода этой среды Опр и

продолжительности работы прибора и. В зависимости от того, изменением какой из величин осуществляется изменение теплоотдачи

нагревательного прибора, можно выделить следующие виды регулирования (рис.1):

Обозначим относительный тепловой поток отопительного прибора в переменном режиме

работы Q0т, где:

0 от

в*

Он

Количественное регулирование - способ управления теплоотдачей отопительного прибора, основанный на изменении потока циркулирующего в нем теплоносителя, то есть на изменении величины относительного расхода греющей воды в

переменном режиме работы прибора О пр :

тек

О — пР

^ пр — '

метода регулирования зависит от вида отопительного прибора. Так, для радиатора чугунного секционного и стального панельного при движении теплоносителя в нем сверху вниз, при Д?ср — 70°С , при р = 0,02 и п = 0,3 зависимость относительной теплоотдачи от относительного расхода теплоносителя в*т — / (Опр ) при

д > тек ^

различных Д1р представлена на рис. 2:

Оп

Поскольку показатель степени р в (1) переменная величина, применимость данного

Рис. 1. Виды регулирования

Радиатор

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

мммммммммммммммммммммммммммммммммммммммммммммммммм 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

10 20 30 40 50 60 70

Рис. 2. Зависимость относительного теплового потока радиатора от относительного расхода

теплоносителя в нем при различных

ср

тек

Рисунок 3 - Зависимость относительного теплового потока конвектора от относительного расхода

Дt„,

ср

теплоносителя в нем при различных

Как видно из рисунка 2, изменение расхода теплоносителя практически не влияет на тепловой поток от радиатора, то есть количественное регулирование в этом случае представляется малоэффективным.

Рассмотрим влияние относительного расхода теплоносителя на тепловой поток конвектора. При Дt = 70°С ,р = 0,18 и п = 0,35

зависимость

Qот = / (пр ) при различных

Л -ф тек ~

Дtср представлена на рис. 3:

Как видно из графика (рис.3), изменение теплового потока конвектора методом количественного регулирования возможно. При этом значению расхода 10% от расчетного соответствует теплоотдача приблизительно 65% от расчетной, что затрудняет процесс регулирования

при низких значениях Qот.

Осуществляется этот метод

количественного регулирования с помощью терморегулятора, изменение расстояния между

седлом и конусом клапана в котором вызывает изменение потока теплоносителя. Основным преимуществом применения автоматического терморегулятора является возможность

индивидуального регулирования теплового потока каждого отопительного прибора. Это позволяет избежать повышенного расхода теплоты в системах отопления при наличии дополнительных теплоизбытков в отапливаемом помещении. Возможная экономия теплоты достигает, по разным данным, 15 - 25% [2-4]. Необходимо отметить, однако, что возможности количественного регулирования ограничиваются типом

отопительного прибора. Как было показано выше, чугунные секционные и стальные панельные радиаторы практически не изменяют теплового потока при изменении расхода теплоносителя через них. Кроме того, можно отметить низкую эффективность совместной работы

терморегуляторов и инерционных отопительных приборов в силу значительной продолжительности нагревания и остывания последних (рис. 4).

500-

400-

к 300г

о

т

200-

100

Нагревательные _ приборы  Терморегулятор

А

к 1 к

1 2 3 4 5

Типы нагревательных приборов

Рис. 4. Сопоставление времени закрытия терморегулятора с временем остывания нагревательного прибора:

- время остывания нагревательного прибора (1- конвектор, 2- стальной радиатор, 3 - чугунный радиатор, 4 - нагревательная панель в стене, 5 - нагревательная панель в перекрытии).

- время полного закрытия терморегулятора.

Принагрузке 1000 Вт наприбор (Тг-То=80-60

Принагрузке 1000 Вт наприбор (Тг-То=55-35

Принагрузке 500 Втна прибор (Тг-То=80-60

Принагрузке 500 Втна прибор (Тг-То=55-35

Номернагревателэногоприбора

1 2 3 4 5

Рис. 5. Изменение авторитета терморегуляторов на нагревательных приборах по ходу движения теплоносителя

0

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Данный график позволяет сделать вывод о том, что терморегуляторы корректно работают совместно с конвекторами и стальными, алюминиевыми, биметаллическими радиаторами. В случае установки терморегуляторов на чугунные радиаторы при изменении температуры внутреннего воздуха (например, при ее повышении) поток теплоносителя в нагревательный прибор прекратится, поскольку время остывания последнего значительно больше времени полного закрытия клапана терморегулятора. То есть регулирование в данной системе будет осуществляться в двух позициях - клапан терморегулятора либо полностью открыт, либо закрыт, что снижает эффективность регулирования с точки зрения энергосбережения. Кроме того, в процессе работы автоматических терморегуляторов возникают нестационарные гидравлические режимы в системе, то есть необходимо рассмотреть влияние температурного режима системы отопления на эффективность совместной работы нагревательных приборов и терморегуляторов. Поскольку существующие программные продукты для расчета систем водяного отопления, предлагаемые на рынке, предусматривают не только определение гидравлических потерь в системе, но и расчет предварительных настроек положения клапанов терморегуляторов в зависимости от потерь давления до рассчитываемого нагревательного прибора. Для наглядности режимов работы терморегуляторов, находящихся на одной ветке с постоянным перепалом давления (рекомедуется установка балансировочного вентиля на 6-8 нагревательных приборов) был выполнен гидравлический расчет в таком программном продукте и определен авторитет терморегуляторов для пяти последовательно расположенных нагревательных приборов при различных нагрузках на данной ветке и при условии равномерного распределения тепловой нагрузки по нагревательным приборам. Результаты расчета приведены на рис.5.

Анализ полученного графика показал, что снижение нагрузки незначительно влияет на изменение авторитета терморегулятора

нагревательного прибора, при этом изменение температурного режима также не влияет на предварительную настройку клапана

терморегулятора. Поскольку основной

характеристикой нагревательного прибора является номинальный тепловой поток, то вывод о незначительном влиянии достаточно условен, учитывая, что программа предназначена для гидравлического расчета.

Полученное изменение авторитета терморегулятора в пределах одной ветви в зависимости от расположения нагревательного прибора свидетельствует, что все терморегуляторы, кроме среднего имеют меньшую линейную характеристику регулирования. То есть первые два (из рассмотренных пяти) имеют авторитет,

позволяющий им работать в задекларированной производителем (от 0,3 до 0,7) области линейного регулирования только при открытии клапана терморегулятора (то есть при охлаждении помещения), а при избытке тепла - регулирование будет нелинейным, в режиме «пуск-стопа». Терморегуляторы, расположенные после среднего (4-5), характеризуются тем, что их область нелинейного регулирования находится при открытии клапана (то есть при охлаждении помещения).

Таким образом, можно сделать вывод о уменьшении эффективного диапазона работы терморегулирующих клапанов в процессе эксплуатации при установке балансировочного вентиля на ветке с более чем с двумя нагревательными приборами. Но, установка балансировочных клапанов в таком количестве удорожает систему отопления в несколько раз, поэтому в проектировании оставляют рекомендуемое количество (6-8 штук), при котором балансировочный клапан может обеспечить гидравлическую работу терморегулирующих клапанов, но не эффективную подачу тепла в помещение.

Выводы

Терморегуляторы наиболее эффективно работают в случае установки конвекторов и стальных, алюминиевых, биметаллических радиаторов.

В случае установки терморегуляторов на чугунные радиаторы при изменении температуры внутреннего воздуха (например, при повышении) произойдет полное закрытие потока теплоносителя в нагревательный прибор, поскольку время остывания последнего значительно больше времени полного закрытия клапана терморегулятора.

Выявлено, что даже на проектной стадии значение авторитета терморегулятора в пределах одной ветви в зависимости от расположения нагревательного прибора кроме среднего предполагают уменбшение области линейной характеристики клапанов терморегулятора. То есть терморегуляторы до среднего нагревательного прибора на одной гидравлической ветке имеют авторитет, позволяющий им работать в задекларированной производителем (от 0,3 до 0,7) области линейного регулирования только при открытии клапана терморегулятора (то есть при охлаждении помещения), а терморегуляторы, расположенные после среднего, находятся в данной области при закрытии клапана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нудлер Г.И., Тульчин И.К. Автоматизация инженерного оборудования жилых и общественных зданий. - М.: Стройиздат,1988.-223 с.

2. Покотилов В. В. Регулирующие клапаны автоматизированных систем тепло- и

холодоснабжения / В.В. Покотилов. - Вена.: фирма «HERZ Armaturen», 2010. - 176 с.

3. Пырков В.В. Современные тепловые пункты. Автоматика и регулирование / В.В. Пырков. -К.: II ДП «Ташсправи», 2007. - 251 с.

4. Грановский В. Л. Основный принципы конструирования и испытаний отопительных

приборов со встроенными терморегуляторами / В.Л. Грановский // АВОК. - 2005. - №4. - С. 48-52.

5. Petitjean R. Total hydronic balancing: A handbook for design and troubleshooting of hydronic HVAC systems / R. Petitjean. - Gothenburg: TA AB, 1994. - 530 p.

IMPROVE THE EFFICIENCY OF LOW-TEMPERATURE HOT WATER

HEATINGSYSTEMS

Summary. The article presents the results of theoretical studies of the field of temperature, velocity and pressure in the heating devices with varying thermal inertia. It is shown that almost a linear coolant flow regime is observed in a very small range of postulated work area temperature control. Revealed the most preferred for use types of heaters in systems with quantitative regulation.

Keywords: heater, thermostat, heating system.