СПОСОБ ЕСТЕСТВЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ И СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD FOR NATURAL REGULATION OF BUILDING HEATING AND A CONTROL SYSTEM BASED ON IT

Изобретение относится к теплоснабжению, а именно к способам и системам регулирования отопления зданий и к схемам узлов подготовки теплоносителя систем отопления в тепловых пунктах зданий, обеспечивающих данное регулирование [F24D10/00].
Отопление – это процесс теплоснабжения здания, при котором за счет получения тепловой энергии от теплоносителя, охлаждающегося в системе отопления здания, в течение отопительного периода в отапливаемых помещениях должна поддерживаться заданная температура воздуха не ниже значения нормативной (расчетной внутренней) температуры, определяемой [Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 №354 (ред. от 29.06.2020) «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов»; СП 60.13330.2012 Отопление, вентиляция и кондиционирование].
Подключение систем отопления зданий к внешней сети или источнику тепловой энергии возможно по зависимой или независимой схемам. При зависимой схеме теплоноситель из сети или от источника поступает в систему отопления, а при независимой – в подогреватель отопления, где нагревает воду, циркулирующую в системе отопления.
Зависимое подключение может быть непосредственное – с подачей теплоносителя в отопительные приборы (ОП) за счет перепада давлений на входе или, при высоких расчетных температурах исходного теплоносителя – с элеваторным или с насосным узлом смешивания для снижения температуры воды поступающей в сеть отопления здания за счет подмешивания охлажденной обратной воды. Также источник тепловой энергии – топливный или электрический водогрейный котел может быть включен в схему системы отопления (теплоснабжения) здания. Подключение сети отопления здания к котлу может быть непосредственное или с использованием гидравлического разделителя (коллектора малого перепада давления), разделяющего циркуляционные контуры котла и сети отопления, причем разделителем может также являться аккумулирующий бак (буферная емкость) между котлом и циркуляционным контуром отопления.
Циркуляция воды в сети отопления при непосредственном подключении системы обеспечивается за счет перепада давления на входе, создаваемом насосами источника. При независимом подключении системы, а также при зависимом подключении с насосным узлом смешивания или с гидравлическим разделителем движение воды обеспечивается за счет работы циркуляционного насоса в контуре системы отопления или за счет работы подмешивающего насоса на перемычке – трубопроводе подмешивания узла смешивания. Во всех случаях на движение воды в системе отопления затрачивается электроэнергия для привода насоса системы отопления и/или насосов источника теплоты.
Существуют системы отопления, называемые гравитационными или системами с естественной циркуляцией, в которых движение воды происходит за счет естественного гравитационного повышения давления в циркуляционном контуре системы [Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. – М: Издательство АСВ, 2008]. Данное повышение давления возникает из-за разности плотностей находящихся вертикальных трубопроводах системы столбов более плотной охлажденной воды и менее плотной нагретой воды. Гравитационные системы просты, надежны, долговечны, бесшумны, в них отсутствуют затраты энергии на движение теплоносителя, однако они обычно применяются для небольших и малоэтажных зданий (например – коттеджей), т.к. требуют увеличенных диаметров трубопроводов.
В многоэтажных зданиях и в имеющих большой объем многоквартирных зданиях, в том числе подключенных к внешней сети, системы отопления с естественной циркуляцией не применяются из-за малой доли естественного повышения давления в сравнении с насосным повышением. Это объясняется тем, что в указанных зданиях регулирование отпуска тепла на отопление обычно осуществляется качественным способом, т.е. изменением температуры теплоносителя по нормативному отопительному температурному графику (например: 95/70 °С – температур подаваемой/обратной воды системы отопления в расчетном режиме) при постоянном расходе. При данном графике и способе регулирования естественное повышение давления незначительно и, кроме того, этот график не учитывает изменение теплового баланса здания при регулировании.
Специальных графиков регулирования отпуска тепла на отопление для систем с естественной циркуляцией в существующей теории и практике отопления нет.
Важным преимуществом естественной циркуляции, кроме отсутствия насосных затрат энергии, является повышение за счет эффекта количественного саморегулирования [Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. – М: Издательство АСВ, 2008] тепловой устойчивости системы отопления, т.е. поддержания необходимой проектной (расчетной) пропорциональности отпуска тепла в отапливаемые помещения при изменении режимов работы системы, что позволяет более точно поддерживать в помещениях заданную температуру. При данном эффекте в помещениях, где снижается температура внутреннего воздуха (например, из-за увеличения теплопотерь), в отопительных приборах (стояках) происходит увеличение охлаждения теплоносителя и величины гравитационного повышения давления, что вызывает увеличение расхода воды в них и увеличение отпуска тепла в данное помещении(ях), частично восстанавливающее температуру внутреннего воздуха.
Этот эффект повышает тепловую устойчивость системы и качество отопления, причем он возрастает при увеличении доли естественного повышения давления при насосной циркуляции теплоносителя, максимален при полностью естественной циркуляции теплоносителя и усиливается при росте величины гравитационного повышения давления, связанного с разностью температур подаваемого и обратного теплоносителя (т.е. величиной охлаждения) [Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. – М: Издательство АСВ, 2008]. Это объясняется тем, что при наличии увеличенного охлаждения при малых расходах теплоносителя и большей величине гравитационного (естественного) повышения давления снижение температуры внутреннего воздуха приводит к большему снижению температуры обратной воды и увеличению охлаждения, а значит к большему росту естественного повышения давления и, соответственно, относительному увеличению расхода воды, отпуска теплоты и большему частичному восстановлению внутренней температуры.
Идея способа естественного регулирования заключается в подаче в сеть отопления здания теплоносителя с температурой, при которой его движение в сети и в циркуляционном контуре отопления происходит с зависящим от данной температуры или с регулируемым расходом за счет естественного повышения давления и при текущей температуре наружного воздуха в отапливаемые помещения отпускается тепловая энергия, необходимая для поддержания заданной температуры внутреннего воздуха, в частности, с учетом теплового баланса и/или по заданному графику регулирования отпуска тепла.
Также на трубопроводах циркуляционного контура могут быть установлены вспомогательный регулируемый насос или нерегулируемый насос и регулирующий клапан, используемый как дополнительное устройство при пуске системы, а также в аварийных ситуациях нарушения внешнего теплоснабжения или в периоды пиковых нагрузок.
Кроме того, в циркуляционном контуре системы отопления может устанавливаться дополнительный регулирующий клапан, управление которым позволяет за счет повышения гидравлического сопротивления контура уменьшать расход естественной циркуляции и увеличивать охлаждение теплоносителя. Это приводит к уменьшению температуры обратной воды отопления, необходимого расхода воды, тепловых потерь во внешней сети и затрат энергии на источнике на транспортировку сетевой воды, а также увеличивает положительный эффект количественного саморегулирования в системе отопления.
При этом предполагается, что система отопления нормативно гидравлически спроектирована, смонтирована, отрегулирована и эксплуатируется с соответствующими диаметрами трубопроводов и, при необходимости – с дроссельными устройствами находящихся на циркуляционных кольцах, ветвях и у отопительных приборов (дроссельные шайбы, регулирующая арматура – балансировочные клапаны, краны двойной регулировки, краны повышенного гидравлического сопротивления, проходные краны, трехходовые краны и т.д.) и обеспечивающих проектные расходы теплоносителя к отопительным приборам в расчетном режиме с естественной циркуляцией, в частности, например, в двухтрубных системах с циркуляционными кольцами при движения теплоносителя через отопительные приборы разных этажей дроссельные устройства обеспечивают дополнительное срабатывание возрастающего с повышением высоты гравитационного повышения давления и проектные расходы воды.
Основными положительными техническими эффектами предлагаемого способа естественного регулирования являются:
• повышение качества отопления, т.е. точности внутренней температуры в отапливаемых помещениях и стабильности поддержания заданной температуры за счет эффекта количественного саморегулирования;
• максимальное возможное повышение тепловой устойчивости системы отопления за счет эффекта саморегулирования при естественной циркуляции;
• уменьшение необходимого количества тепловой энергии за счет учета дополнительных теплопоступлений и теплового баланса процесса отопления;
• уменьшение или исключение затрат энергии на циркуляцию теплоносителя по сравнению с насосными системами, что также повышает надежность отопления.
Кроме того, при естественном регулировании отопления зданий, подключенных к внешним системам теплоснабжения, в них снижается температура обратной воды и, соответственно, возникают следующие дополнительные положительные эффекты:
• уменьшение тепловых потерь в сети;
• уменьшение расхода сетевой воды и затрат энергии на ее транспортировку;
• увеличение теплофикационной выработки электроэнергии на ТЭЦ.
Известна система регулирования отпуска тепла для отопления (патент RU 2642038, МПК F24D 10/00, 19/10, 2016 г.), содержащая отопительные приборы, подключенные к трубопроводам системы отопления, в которых находится теплоноситель; систему управления отпуском тепла с автоматизированным узлом управления, узел подготовки теплоносителя с трубопроводом подмешивания между подающим и обратным трубопроводами отопления или с подогревателем воды на отопление и на подающем трубопроводе до точки смешивания с потоком из трубопровода подмешивания или на трубопроводах к подогревателю размещен основной регулирующий клапан(ы) или в точке смешивания установлен трехходовой регулирующий клапан, а на линии подмешивания расположен подмешивающий насос(ы) с регулятором(ми) или без него, и/или на подающем и/или обратном трубопроводах системы отопления расположен(ы) циркуляционный насос(ы) с регулятором(ми) или без него, и/или установлен дополнительный регулирующий клапан(ы), а также установлены датчики параметров теплоносителя.
В отличие от предлагаемого, в данном решении имеется циркуляционный и/или подмешивающий насос, создающие повышение давления, необходимое для циркуляции и на привод данного насоса затрачивается внешняя электроэнергия. Между тем при использовании естественной циркуляции отсутствуют необходимость в затратах дополнительной электрической или гидравлической энергии на циркуляцию теплоносителя в системе отопления.
Известна система отопления с естественной циркуляцией для многоэтажных зданий (авторское свидетельство SU1638480, МПК F24D 3/00, 3/02, 1988 г.), в которой для увеличения циркуляционного напора подающий трубопровод представляет собой вертикальный стояк с адиабатным вскипанием в нем воды от котла, а обратный трубопровод системы отопления образует петлю, обеспечивающую подачу охлажденной воды в трубный пучок конденсатора-теплообменника, расположенного выше котла. На холодных трубках пучка происходит конденсация пара из водопаровой смеси из стояка и образование горячей воды, подаваемой в систему отопления с температурой, которая задается регулятором давления конденсации, согласно температурного графика.
В отличие от предлагаемого, в данном решении нет непрерывного регулирования температуры и расхода подаваемого в систему отопления теплоносителя, обеспечивающего не только естественную циркуляцию, но и поддержание заданной внутренней температуры согласно теплового баланса здания. Кроме того, данная система применима только для теплоснабжения здания от индивидуального котла и неприменима при теплоснабжении его от внешней тепловой сети.
В известном решении, выбранном в качестве прототипа (авторское свидетельство SU1241029, МПК F24D 3/00, 3/02, 1984 г.) предлагается способ регулирования режима работы системы водяного отопления путем движения теплоносителя, имеющего на выходе котла постоянную температуру, как за счет периодического включения естественной циркуляции, так и во время низких наружных температур за счет циркуляционного насоса с отключением его на периодические повторяющиеся промежутки времени. В периоды отключения насоса, которые начинаются с момента достижения верхнего предела регулирования внутренней температуры и открытия клапана на шунтирующей (обводной) линии насоса, движение теплоносителя происходит за счет естественной циркуляции и температура в помещении постепенно снижается. После достижения нижнего предела регулирования внутренней температуры включается насос, и температура внутреннего воздуха вновь повышается. За счет того, что имеется высокая температура подаваемого от котла теплоносителя, происходит эффективная естественная циркуляция, а в периоды низких температур ее использование уменьшает затраты электроэнергии на привод насоса и при этом используется теплоаккумулирующая способность здания.
Однако, в отличие от предлагаемого, решение прототипа осуществляет не непрерывное, а периодическое качественно-количественное регулирование, оно поддерживает внутреннюю температуру в некотором установленном интервале, а не заданное требуемое значение и сигнал температуры по сигналу датчика температуры в некотором (модельном) помещении здания, что требует соответствия теплового баланса этого помещения тепловому балансу здания для любого режима отопления, что сложно выполнимо, т.к. соотношение приходящих в помещение тепловых потоков (от системы отопления помещения, внутренние тепловыделений и солнечной инсоляции) и уходящих потоков (потери теплопередачей и затраты тепла на инфильтрацию) должно соответствовать соотношению данных потоков (тепловому балансу) для здания.
Задачей изобретения является устранение вышеописанных технических проблем, присущим известным решениям.
Техническим результатом является повышение качества отопления – точности поддержания заданной температуры внутреннего воздуха и повышение тепловой устойчивости систем отопления, уменьшение затрат энергии на циркуляцию теплоносителя по сравнению с насосными системами отопления и уменьшение затрат тепла на отопление, а также, при подключении здания к внешней сети снижение тепловых потерь в сети, затрат энергии на транспортировку теплоносителя.
Указанная задача и технические результаты достигаются взаимосвязанным регулированием температуры и расхода подаваемого в сеть отопления теплоносителя в соответствии с уравнением для температуры внутреннего воздуха или уравнением отопительной нагрузки или по графику регулирования, с учетом теплового баланса отопления или регулированием в соответствии с измеренной внутренней температурой, при естественной циркуляции теплоносителя, которым может быть вода или специальная жидкость.
Конкретно, сущность заявленного изобретения состоит в следующем.
Заявлен способ естественного регулирования отпуска тепла на отопление, характеризующийся подачей теплоносителя в сеть отопления здания или части здания и его регулированием автоматизированной системой управления с узлом учета отпускаемой тепловой энергии и параметров теплоносителя, внутреннего воздуха, теплового баланса здания и условий внешней среды, причем регулирование данной системой выполняется за счет управления подачей внешнего энергетического ресурса в группу элементов – блок нагрева (повышения температуры) теплоносителя системы отопления путем управления по меньшей мере одним регулятором подачи энергоресурса, далее именуемый основной регулятор, который может быть выполнен в любом виде из нижеперечисленных или их комбинаций:
- в виде основного регулирующего клапана(ов) на трубопроводе(ах) внешнего теплоносителя в блоке нагрева с подогревателем отопления или с узлом смешивания;
- в виде регулятора подачи топлива в котел в блоке нагрева с топливным котлом;
отличающийся тем, что
- в виде регулятора подачи электроэнергии в котел в блоке нагрева с электрическим котлом, с помощью автоматизированной системы управления отоплением, управляя основным регулятором за счет открытия/закрытия по меньшей мере одного основного регулирующего клапана на трубопроводе внешнего теплоносителя или/и за счет открытия/закрытия по меньшей мере одного регулятора подачи топлива в по меньшей мере один топливный котел, или/и увеличивая/уменьшая регулятором подачи электроэнергии ее подачу в по меньшей мере один электрический котел создают повышение/снижение температуры подаваемого на отопление и/или температуры обратного теплоносителя, тем самым, при естественной циркуляции создают зависимый от данных температур расход естественной циркуляции и выполняют управление таким образом, что изменяют температуры подаваемого на отопление и обратного теплоносителя в соответствии с температурным графиком регулирования в виде зависимости данных температур от температуры наружного воздуха или изменяют расход и температуру подаваемого на отопление или/и обратного теплоносителя в соответствии с графиком регулирования в виде зависимости данных величин от температуры наружного воздуха, либо обеспечивают отпуск необходимой отопительной тепловой мощности, вычисляемой узлом учета (теплосчетчиком) по формулам учета тепла и теплоносителя на основе заданных вручную или/и программно или/и измеренных значений параметров или/и определяемых величин (температур, давлений, расходов, энтальпий, количества тепла за период времени, потерь с утечками и т.д.) для теплоносителя, в основном, но не исключительно, подаваемого на отопление и обратного из системы (сети) отопления здания или части здания.
Допустимо, что управляют основным регулятором и по меньшей мере одним дополнительным регулирующим элементом в виде дополнительного регулирующего клапана или/и регулируемого гидрогенератора или/и регулируемого обратимого насоса, работающего в режиме генератора или/и подключаемого или вводимого в поток постоянного сопротивления, находящимся на трубопроводе циркуляционного контура системы отопления уменьшая/увеличивая расход естественной циркуляции теплоносителя и зависимо увеличивая/уменьшая его охлаждение – разность температур подаваемого на отопление и обратного теплоносителя путем использования любого из нижеперечисленных действий, либо их комбинацией:
- закрывая/открывая по меньшей мере один дополнительный регулирующий клапан;
- увеличивая/уменьшая внешнюю электрическую нагрузку или/и изменяя элементы гидравлической части по меньшей мере одного регулируемого гидрогенератора или/и регулируемого обратимого электронасоса в режиме генератора;
- открывая по меньшей мере один дополнительный регулирующий клапан полностью;
- максимально уменьшая или отключая внешнюю электрическую нагрузку или/и устанавливая элементы гидравлической части по меньшей мере одного регулируемого гидрогенератора или/и регулируемого обратимого электронасоса в режиме генератора в положение с минимальным гидравлическим сопротивлением;
- исключая дополнительный регулирующий элемент из потока теплоносителя переводя поток на обходящий данный элемент трубопровод;
- переводя по меньшей мере один дополнительный регулирующий элемент в режим работы с постоянным гидравлическим сопротивлением;
- устанавливая или подключая/отключая или вводя в поток или удаляя из потока теплоносителя по меньшей мере один дополнительный регулирующий элемент в виде постоянного гидравлического сопротивления, например, дроссельной шайбы.
Допустимо, что при наличии в блоке нагрева теплоносителя узла смешивания, подключенного к источнику теплоносителя – подогревателю отопления или топливному котлу или электрическому котлу или подключенного к коллектору малого перепада давления, в частности, но не исключительно, к гидравлическому разделителю, подключенному к котлу, также выполняют управление путем открытия/закрытия регулирующего клапана источника или коллектора, находящегося на подающем трубопроводе к узлу смешивания и/или на обратном трубопроводе от него или управлением трехходовым клапаном(ми) путем увеличения/уменьшения потока теплоносителя в точку смешивания или/и из точки разделения потоков узла смешивания или путем закрытия/открытия регулирующего клапана на трубопроводе подмешивания узла смешивания тем самым повышая/уменьшая температуру подаваемого на отопление и/или обратного теплоносителя.
Допустимо, что путем управления основным регулятором и находящимся в отопительном контуре по меньшей мере одним циркуляционным насосом с регулируемым приводом или при использовании нерегулируемого насоса путем управления находящимся в контуре регулирующим клапаном(ми) или дополнительным регулирующим элементом создают в контуре системы отопления дополнительно к естественному повышению давления такое насосное повышение давления, которое обеспечивает либо минимальный расход, либо максимальную температуру подаваемого на отопление теплоносителя.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением, управляя дополнительным регулирующим элементом (элементами) на трубопроводе циркуляционного контура системы (сети) отопления части здания выполняют это так, что в системе (сети) отопления каждой части здания изменяют расход подаваемого на отопление или обратного теплоносителя или температуру обратного теплоносителя в соответствии с расширенным графиком регулирования в виде зависимости данных величин от температуры наружного воздуха или обеспечивают отпуск необходимой для каждой части здания отопительной тепловой мощности.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением при регулировании обеспечивают выполнение теплогидравлического уравнения системы отопления для расширенного естественного регулирования,
где определяемые или вычисляемые на основе сигналов датчиков или/и ручного или/и программного задания или иным способом определяемые величины:
Q
о
– необходимая отопительная тепловая мощность;
G’
о
– расход теплоносителя на отопление в расчетном режиме отопления;
c
в
– средняя удельная теплоемкость теплоносителя;
τ
τ
о1
о2
или  – температура подаваемого на отопление или обратного теплоносителя;
ρ
ρ
о1
о2
или  – плотность подаваемого на отопление или обратного теплоносителя, определяемая по параметрам состояния;
ρ
ρ’
о.ср
о.ср
или  – средняя плотность теплоносителя в системе отопления в текущем или расчетном режиме отопления;
g
– ускорение свободного падения;
H
е
– естественный гидравлический напор системы отопления;
δp’
цт
– расчетные потери давления в циркуляционном трубопроводе отопления, т.е. в блоке нагрева теплоносителя и в трубопроводах, отопительных приборах и постоянных и нерегулируемых элементах контура в расчетном режиме отопления;
δp
–
дрэ
регулируемые потери давления на дополнительном регулирующем элементе(ах) в циркуляционном контуре системы отопления.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением обеспечивают выполнение теплогидравлического уравнения системы отопления для простого естественного регулирования
при нулевом или при минимальном уровне потерь давления на дополнительном регулирующем элементе(ах), учитываемом в расчетных потерях давления в циркуляционном трубопроводе или при удалении данного элемента из потока теплоносителя, где определяемые или вычисляемые на основе сигналов датчиков или/и ручного или/и программного задания или иным способом определяемые величины:
Q
о
– необходимая отопительная тепловая мощность;
G’
о
– расход теплоносителя на отопление в расчетном режиме отопления;
c
в
– средняя удельная теплоемкость теплоносителя;
τ
τ
о1
о2
или  – температура подаваемого на отопление или обратного теплоносителя;
ρ
ρ
о1
о2
или  – плотность подаваемого сеть отопления или обратного теплоносителя, определяемая по параметрам состояния;
ρ
ρ’
о.ср
о.ср
или  – средняя плотность теплоносителя в системе отопления в текущем или расчетном режиме отопления;
g
– ускорение свободного падения;
H
е
– естественный гидравлический напор системы отопления;
δp’
цт
– расчетные потери давления в циркуляционном трубопроводе отопления, т.е. в блоке нагрева теплоносителя и в трубопроводах, отопительных приборах и постоянных и нерегулируемых элементах контура в расчетном режиме отопления.
Необходимая отопительная тепловая мощность определяется по уравнению отопительной нагрузки в виде
Q
о
где  – необходимая отопительная тепловая мощность для здания или части здания и определяемые или вычисляемые на основе сигналов датчиков или/и ручного или/и программного задания или иным способом определяемые величины:
t
вц
– заданная целевая температура внутреннего воздуха в здании или части здания;
t
н
– текущая температура наружного воздуха;
μ –
коэффициент инфильтрации в текущем режиме;
Q
= Q
+ Q
– Q
– Q
– Q
доп
тв
инс
аэр
наг
дин
– мощность дополнительных потоков теплового баланса, при их наличии, в т.ч.:
Q
тв
– мощность внутренних тепловыделений;
Q
инс
– мощность инсоляции;
Q
аэр
– затраты тепла на аэрацию (естественную вентиляцию);
Q
наг
– затраты тепла на нагрев поступающих извне материалов, машин и т.д.;
Q
дин
– мощность, затрачиваемая в динамическом режиме отопления на разогрев внутреннего воздуха и здания (части здания),
а также параметры расчетного режима отопления:
Q’
о
– расчетная отопительная тепловая мощность;
Q’
доп
– расчетная мощность дополнительных тепловых потоков;
μ
’ – расчетный коэффициент инфильтрации;
t
вр
– средняя внутренняя расчетная температура в здании (части здания);
t
но
– расчетная наружная температуры для проектирования систем отопления.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением регулируют температуры подаваемого на отопление и обратного теплоносителя по уравнению регулирования в виде
или в эквивалентном виде
τ
–
τ
τ
о1(2)
о1
о2
где температура подаваемого на отопление теплоносителя  (верхний знак в операторе «±» или «») или обратного теплоносителя  (нижний знак в операторе «±» или «») и определяемые или вычисляемые на основе сигналов датчиков или/и ручного или/и программного задания или иным способом определяемые величины:
t
вц
– заданная целевая температура внутреннего воздуха в здании или части здания;
Q
о
– необходимая отопительная тепловая мощность для здания или части здания;
Q
отн
– относительная отопительная нагрузка
G
о
– расход теплоносителя на отопление в текущем режиме;
G
отн
– относительный расход теплоносителя на отопление в текущем режиме
n, p
– показатели степенных зависимостей коэффициента теплопередачи системы отопления или отопительных приборов от температурного напора и расхода;
k
= Q
/Q
нсо
н
нт
– коэффициент номинального состояния (режима работы) системы отопления;
Q
нт
–номинальная теоретически необходимая тепловая мощность отопления
Δt
оп
– номинальный температурный напор отопительных приборов;
c
в.н
– средняя теплоемкость теплоносителя при номинальном режиме;
Q
н
–номинальная фактическая тепловая мощность системы отопления: установленных трубопроводов и отопительных приборов по номинальным условиям работы отопительных приборов с учетом их типа, конструкции, размеров и условий размещения, подключения и установки;
c
в
– удельная средняя теплоемкость теплоносителя,
а также параметры расчетного режима отопления:
Q’
о
– расчетная отопительная тепловая мощность;
G’
о
– расчетный расход теплоносителя на отопление;
θ’ = τ’
τ’
о1
о2
– – расчетное охлаждение теплоносителя;
τ’
τ’
о1
о2
и  – расчетные температуры подаваемого и обратного теплоносителя;
Δt’
– расчетный среднелогарифмический температурный напор отопления;
c’
в
– расчетная удельная средняя теплоемкость.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением с узлом учета отпускаемой тепловой энергии регулируют отпускаемую тепловую мощность или расход и/или температуры подаваемого на отопление и/или обратного теплоносителя таким образом, чтобы температура внутреннего воздуха в здании или части здания, вычисленная по уравнению внутренней температуры
была равна заданному целевому значению, где
t
вц
– заданная целевая температура внутреннего воздуха в здании или части здания;
t
в
– температура внутреннего воздуха в здании или части здания и определяемые или вычисляемые на основе сигналов датчиков или/и ручного или/и программного задания или иным способом определяемые величины:
t
н
– текущая температура наружного воздуха;
Q
о
– определенный узлом учета системы управления отпуск тепла на отопление (отопительная тепловая нагрузка);
Q
= Q
+ Q
– Q
– Q
– Q
доп
тв
инс
аэр
наг
дин
– мощность дополнительных потоков теплового баланса, при их наличии, в т.ч.:
Q
тв
– мощность внутренних тепловыделений;
Q
инс
– мощность инсоляции;
Q
аэр
– затраты тепла на аэрацию (естественную вентиляцию);
Q
наг
– затраты тепла на нагрев поступающих извне материалов, машин и т.д.;
Q
дин
– мощность затрачиваемая в динамическом режиме отопления на разогрев внутреннего воздуха и здания (части здания);
G
о
– расход теплоносителя на отопление в текущем режиме;
τ
τ
о1
о2
или  – температура подаваемого на отопление или обратного теплоносителя;
c
в
– удельная средняя теплоемкость теплоносителя;
q
о
– удельная отопительная характеристика здания;
V
н
– объем здания по наружным измерениям;
μ –
коэффициент инфильтрации в текущем режиме.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением регулируют отпускаемую тепловую мощность или расход и/или температуры подаваемого на отопление и/или обратного теплоносителя таким образом, чтобы определяемая датчиком(ми) в отдельном помещении в здании (части здания) температура воздуха или определяемая на основе показаний датчиков в помещениях здания (части здания) средняя температура внутреннего воздуха была равна заданному целевому значению.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением регулируют отпускаемую на отопление тепловую мощность или расход и/или температуры подаваемого на отопление или/и обратного теплоносителя таким образом, чтобы определяемая по датчикам параметров состояния (температуры, давления) и расхода теплоносителя отопительная тепловая мощность по уравнению охлаждения теплоносителя
была равна необходимому отпуску тепла (отопительной нагрузке),
Q
о
где  – определяемый узлом учета системы управления отпуск тепла на отопление в отапливаемые помещения и определяемые или вычисляемые на основе сигналов датчиков или/и ручного или/и программного задания или иным способом определяемые величины:
G
о
– расход теплоносителя на отопление в текущем режиме;
h
h
о1
о2
или  – энтальпия подаваемой на отопление или обратной воды;
c
в
– удельная средняя теплоемкость теплоносителя;
τ
τ
о1
о2
или  – температура подаваемого на отопление или обратного теплоносителя.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением регулируют отпускаемую тепловую мощность или расход и/или температуру подаваемого на отопление или/и температуру обратного теплоносителя по графику простого естественного регулирования отопления здания, определяемому отдельным расчетом или динамически рассчитываемом системой управления для заданной целевой температуры внутреннего воздуха путем совместного решения теплогидравлического уравнения системы отопления при нулевом или минимальном уровне потерь давления в дополнительном регулирующем элементе, уравнения отопительной нагрузки и уравнения регулирования.
Допустимо, что с помощью автоматизированной системы управления отоплением регулируют отпускаемую тепловую мощность или расход и/или температуру подаваемого на отопление и/или температуру обратного теплоносителя по графику расширенного естественного регулирования отопления здания или части здания, определяемому отдельным расчетом или динамически рассчитываемом системой управления для заданной целевой температуры внутреннего воздуха путем совместного решения теплогидравлического уравнения системы отопления, уравнения отопительной нагрузки и уравнения регулирования, так, чтобы заданный или искомый расход теплоносителя был меньше, чем расход по простому естественному графику регулирования и больше или равен минимальному расходу
или чтобы искомая или заданная температура подаваемого на отопление теплоносителя была больше, чем температура по простому естественному графику регулирования и меньшей или равной расчетной температуре или текущей температуре подаваемого внешнего теплоносителя или температуре теплоносителя от источника: подогревателя отопления или котла
где определяемые или вычисляемые на основе сигналов датчиков или/и ручного или/и программного задания или иным способом определяемые величины:
G
о
– заданный или определяемый при заданной температуре расход подаваемого на отопление теплоносителя;
G
о.пе
– расход теплоносителя по графику простого естественного регулирования;
G
о.мин
– минимальный допустимый или возможный расход теплоносителя;
G’
о
– расчетный расход теплоносителя на отопление;
G
отн
– относительный расход теплоносителя на отопление в текущем режиме
τ’
о1
– расчетная температура подаваемого на отопление теплоносителя;
τ
1
– температура подаваемого внешнего теплоносителя;
τ
1.и
– температура теплоносителя от источника: подогревателя или котла;
τ
о1
– задаваемая или определяемая при заданном расходе температура подаваемого теплоносителя;
τ
о1.пе
– температура подаваемого теплоносителя по графику простого естественного регулирования.
Также заявлена система регулирования отпуска тепла на отопление, функционирующая согласно описанного выше способа, содержащая отопительные приборы, подключенные к трубопроводам сети отопления здания, узел подготовки теплоносителя для гидравлической сети отопления с трубопроводами циркуляционного контура системы отопления здания, причем указанный узел содержит блок нагрева теплоносителя для отопления за счет использования внешнего энергоресурса, регулятор подачи внешнего энергоресурса в блок нагрева, циркуляционный насос с регулируемым приводом или нерегулируемый с регулирующим клапаном, где все заполнены теплоносителем, а также автоматизированную систему управления отоплением и датчики параметров теплоносителя, внутреннего воздуха, теплового баланса здания и условий внешней среды, отличающаяся тем, что в указанном узле на трубопроводе циркуляционного контура системы отопления или на обводной линии трубопровода установлен по меньшей мере один дополнительный регулирующий элемент с переменным гидравлическим сопротивлением и установлены датчик(и) расхода и параметров состояния теплоносителя на трубопроводе контура отопления.
Допустимо, что дополнительный регулирующий элемент выполнен в виде дополнительного регулирующего клапана.
Допустимо, что дополнительный регулирующий элемент выполнен в виде регулируемого электрического гидрогенератора, подключенного к системе управления отоплением и системе преобразования и аккумуляции электроэнергии.
Допустимо, что дополнительный регулирующий элемент выполнен в виде регулируемого обратимого электрического насоса, подключенного к системе управления отоплением и системе преобразования и аккумуляции электроэнергии.
Допустимо, что дополнительный регулирующий элемент выполнен в виде по меньшей мере одного постоянного гидравлического сопротивления, например, дроссельной шайбы или нескольких постоянных гидравлических сопротивлений с возможностью подключения/отключения или ввода в поток или удаления из потока теплоносителя.
Допустимо, что узел подготовки теплоносителя подключен к внешней сети трубопроводами с внешним теплоносителем, подаваемым к блоку нагрева теплоносителя выполненному в виде узла смешивания с трубопроводом подмешивания между подающим и обратным трубопроводами сети отопления, в узле подготовки по меньшей мере один основной регулирующий клапан установлен на трубопроводе с внешним теплоносителем или/и в точке смешивания или/и разделения потоков узла смешивания установлен трехходовой регулирующий клапан или/и на трубопроводе подмешивания установлен по меньшей мере один регулирующий клапан подмешивания.
Допустимо, что узел подготовки теплоносителя имеет блок нагрева теплоносителя содержащий по меньшей мере один источник теплоносителя – элемент, в котором происходит нагрев теплоносителя системы отопления.
Допустимо, что источник теплоносителя выполнен в виде подогревателя отопления, подключенного трубопроводами к внешней сети с теплоносителем и на данном трубопроводе(ах) установлен по меньшей мере один основной регулирующий клапан.
Допустимо, что источник теплоносителя выполнен в виде топливного котла, подключенного к трубопроводу подачи топлива и на данном трубопроводе установлен по меньшей мере один регулятор подачи топлива.
Допустимо, что источник теплоносителя выполнен в виде электрического котла, подключенного к линии подачи электроэнергии и на данной линии установлен по меньшей мере один регулятор подачи электроэнергии.
Допустимо, что трубопроводы с теплоносителем от источника теплоносителя подключены к узлу смешивания с трубопроводом подмешивания между подающим и обратным трубопроводами сети отопления здания, в узле смешивания по меньшей мере один регулирующий клапан источника установлен на трубопроводе от источника теплоносителя к узлу смешивания или трубопроводе от него или/и в точке смешивания или/и разделения потоков узла смешивания установлен трехходовой регулирующий клапан, или/и на трубопроводе подмешивания установлен по меньшей мере один регулирующий клапан подмешивания.
Допустимо, что трубопроводы с теплоносителем от источника теплоносителя, выполненного в виде котла, подключены к коллектору малого перепада давления, в частности, но не исключительно: к гидравлическому разделителю или аккумулирующему баку, к которому подключены трубопроводы сети отопления здания.
Допустимо, что трубопроводы с теплоносителем от коллектора малого перепада давления, в частности, но не исключительно: от гидравлического разделителя или аккумулирующего бака подключены к узлу смешивания с трубопроводом подмешивания между подающим и обратным трубопроводами сети отопления здания, в узле смешивания по меньшей мере один регулирующий клапан коллектора установлен на трубопроводе от коллектора и/или в точке смешивания или/и разделения потоков узла смешивания установлен трехходовой регулирующий клапан, или/и на трубопроводе подмешивания установлен по меньшей мере один регулирующий клапан подмешивания.
Допустимо, что датчики расхода и/или параметров состояния теплоносителя дополнительно установлены на трубопроводе от внешней сети до узла смешивания или на трубопроводе от источника теплоносителя до узла смешивания или на трубопроводе от коллектора малого перепада давления до узла смешивания.
Допустимо, что на трубопроводе подмешивания установлен обратный клапан, пропускающий теплоноситель из обратного трубопровода отопления в подающий трубопровод отопления и препятствующий обратному протеканию теплоносителя.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана обобщенная схема существующих систем отопления зданий с принудительной насосной циркуляцией теплоносителя и график давлений теплоносителя при движении по циркуляционному контуру системы при насосном и естественном повышении давления.
На Фиг. 2 показана в обобщенном виде предлагаемая схема системы отопления здания с естественной циркуляцией теплоносителя и график давлений теплоносителя при движении по циркуляционному контуру системы при естественном повышении давления.
На Фиг. 3 показаны обобщенно графики расширенного и простого естественного регулирования отопления в виде зависимостей от температуры наружного воздуха для температур и расхода воды на отопление, а также изменений – повышений и потерь давления в циркуляционном контуре отопления и справочно-нормативный температурный график 95/70 °С качественного способа регулирования отопления.
На Фиг. 4 приведены обобщенные блок-схемы вариантов возможного состава и способов включения оборудования блока повышения температуры (нагрева) теплоносителя и другого оборудования системы отопления при реализации способа естественного регулирования и различных видах энергоресурса, используемого для отопления.
Z
На Фиг. 5 показана схема системы отопления здания подключенной к внешней сети или к котельной по зависимой схеме с узлом смешивания и обеспечивающая регулирование отпуска тепла на отопление по простому естественному графику, а также гравитационная -ρg диаграмма и для примера здания приведен график давлений теплоносителя.
На Фиг. 6 показана схема системы отопления здания подключенной к внешней сети или к котельной по зависимой схеме с узлом смешивания и обеспечивающая регулирование отпуска тепла на отопление по расширенному естественному или по простому естественному графикам, а также для примера здания приведены графики давлений теплоносителя при расширенном естественном графике и при естественно-насосной циркуляции.
На Фиг. 7 для примера здания приведен график потоков теплового баланса процесса отопления, как в относительных величинах, так и в долях баланса в зависимости от наружной температуры, а также относительной отопительной нагрузки, в том числе при нормативном отоплении, без учета дополнительных тепловых потоков (тепловыделений и т.д.).
На Фиг. 8 для примера здания приведена диаграмма режимов отопления в виде зависимостей температуры воды, подаваемой на отопление и обратной воды, температуры внутреннего воздуха, естественного повышения давления и потерь давления в системе (сети) отопления при подаче в сеть отопления воды с постоянной температурой 95 °С при температурах наружного воздуха от 10 до -40 °С и изменении относительного расхода подаваемой воды от 0 до 140% расчетного расхода.
На Фиг. 9 для примера здания приведена, разделенная на два изображения, диаграмма режимов простого естественного регулирования отопления в виде зависимости температуры внутреннего воздуха и температуры обратной воды от температуры и расхода воды, подаваемой на отопление и от температуры наружного воздуха с примерами графиков простого естественного регулирования для нормативной внутренней температуры 20 °С или заданной внутренней температуры 23 °С.
На Фиг. 10 для примера здания для схемы на Фиг. 5 показан график простого естественного регулирования примера здания в условиях теплоснабжения от ТЭЦ-5 г. Кирова для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в циркуляционном контуре отопления в зависимости от температуры наружного воздуха.
τG
dPG
На Фиг. 11 для примера здания для заданной внутренней температуры приведены -диаграмма «Температура воды или воздуха – относительный расход» и -диаграмма «Повышение или потери давления – относительный расход» в зависимости от наружной температуры с указанием температур воды на отопления и обратной воды, а также изменений давления воды для простого естественного и расширенного естественного графиков регулирования.
На Фиг. 12 для примера здания для схемы на Фиг. 6 показан график расширенного естественного регулирования отопления и, справочно – простого естественного регулирования в условиях теплоснабжения от ТЭЦ-5 г. Кирова для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в контуре отопления от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 13 показана обобщенная схема системы отопления здания подключенной к внешней сети или котельной по зависимой схеме, обеспечивающая регулирование отпуска тепла по простому естественному или по расширенному естественному графикам с указанием вариантов размещения датчиков параметров теплоносителя (температуры, давления, расхода) и управляемых регулирующих органов (регулирующих и обратных клапанов, вспомогательного насоса с регулируемым приводом), а также регулируемого гидрогенератора или регулируемого обратимого насоса, связанного с системой управления и системой преобразования и аккумуляции электроэнергии.
На Фиг. 14 приведена схема системы отопления подключенной к внешней сети или котельной по независимой схеме через подогреватель отопления или непосредственно к водогрейному котлу, обеспечивающая регулирование отпуска тепла по простому естественному графику, а также для примера здания показан график давлений теплоносителя.
На Фиг. 15 для примера здания и схемы на Фиг. 14 показаны график простого естественного регулирования для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в циркуляционном контуре системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 16 приведена схема системы отопления, подключенной к внешней сети или котельной по независимой схеме через подогреватель отопления или непосредственно к водогрейному котлу, обеспечивающая регулирование отпуска тепла по расширенному естественному или по простому естественному графикам, а также для примера здания приведен график давлений теплоносителя.
На Фиг. 17 для примера здания и схемы на Фиг. 16 показаны график расширенного естественного регулирования отопления и, справочно – простого естественного регулирования для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в контуре отопления от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 18 приведена схема системы отопления подключенной к внешней сети или котельной по независимой схеме через подогреватель отопления или непосредственно к водогрейному котлу, имеющая узел смешивания и обеспечивающая регулирование отпуска тепла по простому естественному графику, а также для примера здания показан график давлений теплоносителя.
На Фиг. 19 для примера здания и схемы по Фиг. 18 показаны график простого естественного регулирования для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в циркуляционном контуре системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 20 приведена схема системы отопления подключенной к внешней сети или котельной по независимой схеме через подогреватель отопления или непосредственно к водогрейному котлу, имеющая узел смешивания и обеспечивающая регулирование отпуска тепла по расширенному естественному или по простому естественному графикам, а также для примера здания приведен график давлений теплоносителя.
На Фиг. 21 для примера здания и схемы по Фиг. 20 показаны график расширенного естественного регулирования отопления и, справочно – простого естественного регулирования для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в циркуляционном контуре системы отопления от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 22 показана обобщенная схема системы отопления здания подключенной к внешней сети или котельной по независимой схеме через подогреватель отопления или непосредственно к водогрейному котлу, в том числе имеющая узел смешивания, обеспечивающая регулирование отпуска тепла по простому естественному или по расширенному естественному графикам с указанием вариантов размещения датчиков параметров теплоносителя (температуры, давления, расхода) и управляемых регулирующих органов (регулирующих и обратных клапанов, вспомогательного насоса с регулируемым приводом), а также регулируемого гидрогенератора или регулируемого обратимого насоса, связанного с системой управления, с системой преобразования и аккумуляции электроэнергии.
На Фиг. 23 приведена схема системы отопления с сетью, подключенной к коллектору малого перепада давления – например, к гидравлическому разделителю или аккумулирующему баку, связанному трубопроводами с водогрейным котлом, обеспечивающая регулирование отпуска тепла по простому естественному графику, а также для примера здания показан график давлений теплоносителя.
На Фиг. 24 для примера здания и схемы по Фиг. 23 показаны график простого естественного регулирования для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в циркуляционном контуре системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 25 приведена схема системы отопления с сетью, подключенной к коллектору малого перепада давления – гидравлическому разделителю или аккумулирующему баку, связанному трубопроводами с водогрейным котлом, обеспечивающая регулирование отпуска тепла по расширенному естественному или по простому естественному графикам, а также для примера здания приведен график давлений теплоносителя.
На Фиг. 26 для примера здания и схемы по Фиг. 25 показаны график расширенного естественного регулирования отопления и, справочно – простого естественного регулирования для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в контуре отопления от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 27 приведена схема системы отопления с сетью, подключенной к коллектору малого перепада давления – гидравлическому разделителю или аккумулирующему баку, связанному трубопроводами с водогрейным котлом, имеющая узел смешивания и обеспечивающая регулирование отпуска тепла по простому естественному графику, а также для примера здания показан график давлений теплоносителя.
На Фиг. 28 для примера здания и схемы по Фиг. 27 показаны график простого естественного регулирования для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в циркуляционном контуре системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 29 приведена схема системы отопления с сетью, подключенной к коллектору малого перепада давления – гидравлическому разделителю или аккумулирующему баку, связанному трубопроводами с водогрейным котлом, имеющая узел смешивания и обеспечивающая регулирование отпуска тепла по расширенному естественному или по простому естественному графикам, а также для примера здания приведен график давлений теплоносителя.
На Фиг. 30 для примера здания и схемы по Фиг. 29 показаны график расширенного естественного регулирования отопления и, справочно – простого естественного регулирования для температур и расхода воды на отопление, а также график изменений и долей повышения давления в контуре отопления от температуры наружного воздуха.
На Фиг. 31 показана обобщенная схема системы отопления с сетью, подключенной к коллектору малого перепада давления – гидравлическому разделителю или к аккумулирующему баку, связанному трубопроводами с водогрейным котлом, в т.ч. имеющая узел смешивания, обеспечивающая регулирование отпуска тепла как по простому естественному или по расширенному естественному графикам с указанием вариантов размещения датчиков параметров теплоносителя (температуры, давления, расхода) и управляемых регулирующих органов (регулирующих и обратных клапанов, вспомогательного насоса с регулируемым приводом), а также регулируемого гидрогенератора или регулируемого обратимого насоса, связанного с системой управления, преобразования и аккумуляции электроэнергии.
На чертежах: 1 - узел подготовки теплоносителя на отопление, 2 - сеть отопления здания внешняя, 3 - подающий трубопровод сети отопления, 4 - обратный трубопровод сети отопления, 5 - распределительный трубопровод сети отопления, 6 - отопительные приборы, 7 - отапливаемый объем здания, 8 - сеть отопления здания гидравлическая, 9 - блок повышения температуры (нагрева) теплоносителя, 10 - линия подачи энергетического ресурса, 11 - регулятор подачи энергетического ресурса, 12 - блок повышения давления теплоносителя, 13 - водоструйный элеватор, 14 - циркуляционный насос, 15 - датчик(и) параметров состояния теплоносителя (температуры, давления), 16 - система автоматического управления отоплением и узел учета, 17 - датчики температуры наружного и/или внутреннего воздуха, 18 - блок регулирования расхода теплоносителя, 19 - дополнительный регулирующий элемент, 20 - датчик расхода теплоносителя, 21 - обратный клапан байпасной линии насоса, 22 - система отопления здания (части здания), 23 - балансировочные клапаны, 24 - дроссельные наладочные шайбы, 25 - краны (клапаны) пусконаладочного регулирования, 26 - внешний теплоноситель, 27 - топливо, 28 - электрическая энергия, 29 - основной регулирующий клапан, 30 - регулятор подачи топлива, 31 - регулятор подачи электроэнергии, 32 - узел смешивания, 33 - источник теплоносителя, 34 - подогреватель отопления, 35 - котел топливный, 36 - котел электрический, 37 - дополнительный регулирующий клапан, 38 - гидрогенератор электрический регулируемый, 39 - электронасос обратимый регулируемый, 40 - коллектор малого перепада давления, 41 - гидравлический разделитель, 42 - аккумулирующий бак, 43 - подающий трубопровод внешнего теплоносителя, 44 - обратный трубопровод внешнего теплоносителя, 45 - трубопровод подмешивания (перемычка) узла смешивания, 46 - датчик(и) температуры наружного воздуха, 47 - датчики внешних условий и параметров теплового баланса здания, 48 - датчик(и) температуры внутреннего воздуха, 49 - трехходовой регулирующий клапан, 50 - обратный клапан на трубопроводе подмешивания, 51 - регулирующий клапан подмешивания, 52 - система преобразования и аккумуляции электроэнергии, 53 - регулирующий клапан источника теплоносителя.
Характеристики используемых параметров и величин:
Параметры системы отопления и здания:
n, p
– степенные показатели зависимости коэффициента теплопередачи системы отопления или отопительных приборов от температурного напора или расхода;
k
= Q
/Q
нсо
н
нт
– коэффициент номинального состояния (режима работы) системы отопления;
Q
нт
– номинальная теоретически необходимая тепловая мощность;
Q
н
– номинальная фактическая тепловая мощность системы отопления: установленных трубопроводов и отопительных приборов по номинальным условиям работы отопительных приборов;
Δt
оп
– номинальный температурный напор отопительных приборов;
c
в.н
– средняя теплоемкость теплоносителя при номинальном режиме;
q
о
– удельная отопительная характеристика здания;
V
н
– объем здания по наружным измерениям;
g
– ускорение свободного падения;
H
е
– естественный гидравлический напор системы отопления;
G
о.мин
– минимальный допустимый расход;
Параметры расчетного режима отопления:
t
вр
– средняя расчетная внутренняя температура в здании (части здания);
t
но
– расчетная наружная температуры для проектирования систем отопления;
τ’
τ’
о1
о2
и  – расчетные температуры подаваемого и обратного теплоносителя;
θ’ = τ’
τ’
о1
о2
– – расчетное охлаждение теплоносителя;
Δt’
– расчетный среднелогарифмический температурный напор;
ρ’
о.ср
– средняя плотность теплоносителя в расчетном режиме отопления;
Q’
о
– отопительная мощность (нагрузка) в расчетном режиме отопления;
Q’
доп
– расчетная мощность дополнительных тепловых потоков;
c’
в
– расчетная удельная средняя теплоемкость;
G’
о
– расход теплоносителя на отопление в расчетном режиме отопления;
μ
’ – расчетный коэффициент инфильтрации;
δp’
цт
– расчетные потери давления в циркуляционном контуре отопления, т.е. в блоке нагрева теплоносителя и в трубопроводах, отопительных приборах и постоянных и нерегулируемых элементах контура в расчетном режиме отопления;
Параметры текущего режима отопления – определяемые или вычисляемые на основе сигналов датчиков или/и ручного или/и программного задания или иным способом определяемые величины:
t
вц
– заданная целевая температура внутреннего воздуха;
t
н
– текущая температура наружного воздуха;
τ
τ
о1
о2
или  – температура подаваемого на отопление или обратного теплоносителя, определяемая датчиками;
ρ
ρ
о1
о2
или  – плотность подаваемого на отопление или обратного теплоносителя, определяемая по параметрам состояния (температуре и давлению);
h
h
о1
о2
или  – энтальпия подаваемой на отопление или обратной воды, определяемая по параметрам состояния (температуре и давлению);
ρ
о.ср
– средняя плотность теплоносителя в системе отопления в текущем режиме отопления;
τ
1
– температура подаваемого извне теплоносителя;
τ
1.
и
– температура теплоносителя от источника – подогревателя или котла;
τ
о1
– задаваемая или определяемая при заданном расходе температура подаваемого на отопление теплоносителя;
τ
о1.пе
– температура подаваемого теплоносителя по графику простого естественного регулирования.
Q
о
– необходимая отопительная мощность для здания или части здания или
Q
о
– определенный узлом учета системы управления отпуск тепла на отопление (отопительная тепловая мощность);
Q
= Q
+ Q
– Q
– Q
– Q
доп
тв
инс
аэр
наг
дин
– мощность дополнительных потоков теплового баланса отопления, при наличии, в т.ч.:
Q
тв
– мощность внутренних тепловыделений;
Q
инс
– мощность инсоляции;
Q
аэр
– затраты тепла на аэрацию (естественную вентиляцию);
Q
наг
– затраты тепла на нагрев поступающих извне материалов, машин и т.д.;
Q
дин
– мощность затрачиваемая в динамическом режиме отопления на разогрев внутреннего воздуха и здания (части здания);
c
в
– средняя удельная теплоемкость теплоносителя;
G
о
– расход теплоносителя на отопление в текущем режиме или
G
о
– заданный или определяемый при заданной температуре расход подаваемого теплоносителя;
G
о.пе
– расход теплоносителя по графику простого естественного регулирования;
μ –
коэффициент инфильтрации;
δp
–
дрэ
потери давления на дополнительном регулирующем элементе, например, регулирующем клапане(ах) в циркуляционном контуре системы отопления.
Относительные параметры текущего режима отопления:
Q
отн
– относительная отопительная нагрузка;
G
отн
– относительный расход теплоносителя на отопление.
Осуществление изобретения
Систему отопления, как изображено на фиг. 1, можно условно разделить на находящийся в тепловом пункте здания узел подготовки 1 теплоносителя для отопления и подключенную к нему внешнюю сеть отопления здания 2, состоящую из теплоизолированных трубопроводов (магистралей), находящихся в техническом подполье или в иных помещениях и подводящих теплоноситель к отапливаемому и теплоизолированному от внешней среды объему (помещениям) здания, в котором находятся распределительные трубопроводы, в т.ч. стояки, с отопительными приборами, причем иногда, например, в малоэтажных домах, теплоизолированные магистрали могут отсутствовать. Тепловая изоляция трубопроводов в узле подготовки 1 на фиг. 1 и далее условно не показывается.
Как показано на фиг. 1, системы отопления, в которых в узле подготовки может выполняться регулирование отпуска тепла (т.е. исключая зависимые системы без смешивания и системы со смешиванием в нерегулируемом элеваторе), обобщенно можно представить имеющими циркуляционный контур движения теплоносителя, состоящий из подающей отопительной магистрали 3, обозначаемой То1 и обратной отопительной магистрали 4, обозначаемой То2, подключенных к сети распределительных трубопроводов 5 с отопительными приборами 6 внутри отапливаемого объема 7 имеющего тепловую защиту, в целом образующих гидравлическую сеть отопления 8 здания, которая подключена к находящейся в узле подготовки 1 и входящей в циркуляционный контур группе элементов – к блоку 9 повышения температуры (нагрева) теплоносителя (БПТ), в котором при движении теплоносителя от т. Б входа до т. А выхода теплоносителя на участке АБ в 9 происходит его нагрев – повышение температуры за счет использования энергии поступающего извне по линии 10 в БПТ 9 некоторого энергетического ресурса.
Энергетическим ресурсом является материальный объект, энергию которого можно полезно использовать и им может быть либо теплоноситель – вещество, у которого берется тепловая энергия его охлаждения (или конденсации), либо топливо – вещество, у которого берется тепловая энергия химических связей при реакции горения, либо электроэнергия – электромагнитное поле, взаимодействующее с веществом с выделением тепловой энергии.
Регулирование подвода энергии и нагрева теплоносителя в БПТ 9 происходит за счет управления регулятором подачи энергоресурса 11, которым может быть либо регулирующий клапан, изменяющий расход теплоносителя, либо регулятор расхода топлива, либо регулятор расхода электроэнергии.
Для движения теплоносителя по циркуляционному контуру отопления, состоящему из гидравлической сети отопления 8 и участка АБ нагрева теплоносителя в БПТ 9 необходимо повышение давления, которое происходит в находящейся в узле подготовки 1 группе элементов – блоке 12 повышения давления (БПД). В элеваторных схемах (далее не рассматриваются) систем отопления БПД 12 состоит диффузора водоструйного элеватора (ВЭ) 13 и в насосных схемах – из циркуляционного насоса (ЦН) 14, причем при обычно реализуемом качественном способе регулирования отпуска тепла работой БПД 12 поддерживается постоянный расход, а регулирование отпуска тепла происходит за счет изменения измеряемой датчиком 15 температуры подаваемого на отопление или обратного теплоносителя в соответствии с температурным графиком при работе регулятора 11 управляемого автоматизированной системой 16 по сигналам датчиков 17 температуры наружного воздуха и/или внутреннего воздуха.
Н
e
В существующих системах отопления блок повышения давления 12 работает постоянно, однако, кроме насосного повышения давления в зданиях, имеющих вертикальную протяженность (многоэтажных зданиях), возникает естественное (гравитационное) повышение давления вследствие разного веса столбов нагретой и охлажденной воды в вертикальных участках сети отопления при высоте естественного гидравлического напора . Над схемой циркуляционного контура системы отопления на фиг. 1 показан в качественном виде график давления Р теплоносителя при его движении по контуру, на котором видно что насосное повышение давления (линия dP.н) и естественное повышение давления (линия dP.е) расходуются на потери давления в подающем трубопроводе (линия То1), в стояках с отопительными приборами (линия dP.оп), в обратном трубопроводе (линия То2) и на участке АБ блока 9 повышения температуры (линия dP.бпт).
На фиг. 2 показана в обобщенном виде предлагаемая схема системы отопления, в которой циркуляция теплоносителя по контуру происходит за счет естественного повышения давления и регулирование отпуска тепла выполняется за счет работы регулятора 11 подачи энергоресурса в блок повышения температуры 9 и работы группы элементов нового блока 18 регулирования расхода (БРР), состоящего из дополнительного регулирующего элемента(ов) 19 с переменным гидравлическим сопротивлением, например, дополнительного регулирующего клапана (РКд) и из элемента 20, измеряющего расход – датчика расхода (ДР), а БПД 12, при его наличии, может использоваться для вспомогательных целей: например, при пуске системы, в периоды пиковых тепловых нагрузок или для циркуляции в системе при аварийном отключении внешнего теплоснабжения, а также включаться при необходимости дополнительного насосного повышения давления. В предлагаемой схеме системы отопления автоматизированная система управления 16 использует сигналы большего количества датчиков – кроме датчиков температур теплоносителя 15 и температуры наружного и, возможно, внутреннего воздуха 17 могут применяться дополнительные датчики внешних климатических условий и параметров теплового баланса здания, а также возможны датчики давления теплоносителя.
На фиг. 2, как на фиг. 1 и на дальнейших схемах систем отопления вспомогательные элементы и устройства, не влияющие на полезный эффект (фильтры, грязевики, устройства поддержания необходимого уровня давления в системе – гидропневматические баки, регулирующие клапаны подпитки, устройства для поддержания заданного уровня давления в подающем и/или обратном сетевом трубопроводе и т.д.) не показаны.
Особенностью предлагаемой схемы является необходимость минимизации ее гидравлического сопротивления, т.е. потерь давления в БПТ 9 на участке АБ за счет выбора схемы подключения и/или применяемого оборудования и потерь давления в трубопроводах сети отопления 8 и в БПД 12, для чего вспомогательный циркуляционный насос (ЦН) 14 целесообразно размещать на байпасной (обводной) линии от основного трубопровода То1 3 (или То2 4) в обход размещаемого на основном трубопроводе обратного клапана (ОК) 21, который рекомендуется выбирать имеющим минимальное сопротивление (клапан для систем с естественной циркуляцией) или размещать ЦН 14 «в линию», т.е. на основном трубопроводе То1 (То2) при малом сопротивлении проточной части неработающего ЦН 14. Для возможности управляемого регулирования отопления изменением расхода воды в периоды работы насоса 14 его рекомендуется устанавливать с частотно-регулируемым приводом (ЧРП), подключенном к системе управления 16. Элементы блоков повышения давления 12 и регулирования расхода 18 могут устанавливаться как на подающем трубопроводе То1 3, так и на обратном трубопроводе То2 4, причем наличие блока 12 повышения давления может быть необязательно для пуска и работы схемы.
Также, на фиг. 2 на графике давления теплоносителя над обобщенной схемой системы отопления с естественной циркуляцией показано, что естественное повышение давления (линия dP.e) в циркуляционном контуре системы расходуется на потери давления в подающем и обратном трубопроводах (линии То1 и То2), в стояках с отопительными приборами (линия dP.оп), на участке АБ блока повышения температуры (линия dP.бпт) и в блоке 18 регулирования расхода в дополнительном регулирующем элементе – например, в дополнительном регулирующем клапане (линия dP.ркд). В общем случае дополнительный регулирующий клапан может быть не один, а возможна установка несколько последовательно и/или параллельно соединенных регулирующих клапанов исходя из рекомендуемых условий их работы по расходу и/или перепаду давления, причем это относится не только к дополнительному клапану, но и к другим клапанам рассматриваемых далее схем.
Способ естественного регулирования отопления заключается в подаче в блок повышения температуры 9 такого количества энергоресурса, которое обеспечит нагрев и подачу в сеть отопления по трубопроводу То1 3 теплоносителя с температурой, при которой возникающее в сети охлаждение теплоносителя обеспечивает его естественную циркуляцию по контуру отопления, а величина естественного повышения давления оказывается достаточна для преодоления потерь давления в трубопроводе гидравлической сети отопления 8 контура, блоке повышения температуры 9 и в регулируемом дополнительном гидравлическом сопротивлении и других элементах блока регулирования расхода 18, причем возникающий расход теплоносителя при имеющемся его охлаждении обеспечивает отпуск необходимого количества тепла на отопление.
На фиг. 3 в обобщенном виде в зависимости от температуры наружного воздуха представлены основные графики способа естественного регулирования отопления, возможные в предлагаемой на фиг. 2 схеме, и для сравнения приведен температурный график 95/70 °С способа качественного регулирования отопления, обычно применяемый в схемах по фиг. 1, при постоянном расходе теплоносителя, равном 100% расчетного расхода. Температурный график, как принято в теории теплоснабжения, показывает зависимость температуры воды на отопление и температуры обратной воды отопления, а также, при необходимости, температур прямой и обратной сетевой воды от температуры наружного воздуха. На верхнем графике качественно-количественного регулирования показаны зависимости для температур и относительных расходов теплоносителя системы отопления относительно расчетного расхода и температура внутреннего воздуха (линия t.в), а на нижнем графике приведены зависимости для повышений и потерь давления в циркуляционном контуре системы в относительных единицах относительно потерь в сети отопления между т. А и т. Б в расчетном режиме, что позволяет сравнивать потери давления в циркуляционном контуре отопления при разных вариантах схем и оборудования БПТ 9, однако, значение относительных потерь давления в расчетном режиме отопления при этом становится больше 100%.
Тепловую устойчивость системы отопления, максимальную при применении естественной циркуляции можно, при заданной тепловой нагрузке, дополнительно повысить за счет увеличения охлаждения теплоносителя при одновременном уменьшении его расхода, т.е. осуществить расширенный естественный график регулирования, показанный на фиг. 3 линиями температур воды подаваемой на отопление (линия То1.ре), обратной воды (линия То2.ре) и расхода (линия Gо.ре). Действительно, в этом случае при уменьшении температуры внутреннего воздуха в каком-то помещении(ях) и теплопотерь из него произойдет большее охлаждение теплоносителя в отопительных приборах данного помещения(й), а это вызовет большее увеличение естественного повышения давления, соответственно, расхода теплоносителя в отопительные приборы этого помещения и больший полезный эффект количественного саморегулирования, увеличивающий тепловую устойчивость системы.
При применении способа расширенного естественного регулирования отопления с момента включения системы отопления при снижении (и последующем изменении) наружной температуры за счет работы регулятора подачи энергоресурса 11 в блок БПТ 9 регулируют в основном температуру подаваемого на отопление теплоносителя То1, а за счет работы блока БРР 18, например, дополнительного регулирующего клапана РКд 19, регулируют в основном расход воды циркулирующей по контуру таким образом, чтобы поддерживать постоянный принятый (заданный) и/или минимально возможный и/или допустимый, например, по условию гидравлической устойчивости расход при наличии естественной циркуляции в контуре, обеспечивая тем самым максимально возможное охлаждение теплоносителя. Далее, при снижении наружной температуры поддерживается принятый и/или минимальный расход, а увеличение отпуска тепла происходит за счет увеличения температуры воды подаваемой на отопление и обратной воды, т.е. осуществляется способ естественно-качественного регулирования отпуска тепла, показанный на графике линией постоянного расхода Gо.ре и линиями температур воды То1.ре и То2.ре до температуры наружного воздуха смены способа регулирования (линия t.нс), при которой температура воды на отопление станет равна некоторой принятой максимальной или расчетной температуре воды, например, равной 95 °С. При более низкой наружной температуре ниже линии t.нс дальнейшее повышение температуры воды на отопление То1.ре невозможно, поэтому она поддерживается постоянной и равной принятой максимальной и/или расчетной температуре, а повышение отпуска тепла при снижении наружной температуры происходит за счет увеличения расхода воды Gо.ре, т.е. осуществляется способ естественно-количественного регулирования до расчетной наружной естественной температуры (линия t’не), при которой дополнительный регулирующий клапан открыт полностью, а естественное повышение давления (линия dP.e) полностью используется на потери давления в гидравлической сети отопления (линия dP.со) и на потери давления в блоке БПТ 9 (линия dP.бпт). Способ расширенного естественного регулирования, при котором обеспечивается либо минимально-возможный или допустимый расход или максимально возможная или допустимая температуры подаваемого на отопление теплоносителя можно назвать способом предельного расширенного естественного регулирования.
При наружных температурах выше расчетной наружной естественной температуры увеличенное, вследствие большого охлаждения воды, дополнительное естественное повышение давления теряется в дополнительном клапане (линия dP.ркд) таким образом, что полные суммарные потери давления в циркуляционном контуре (линия dP.цк.ре) состоящие из потерь в сети отопления, в блоке БПТ 9 и в дополнительном клапане РКд 19 блока БРР 18 равны естественному повышению давления в сети отопления (линия dP.e). При наружных температурах ниже расчетной наружной естественной температуры потери в дополнительном клапане отсутствуют, а потери давления в циркуляционном контуре отопления обеспечиваются естественным повышением давления и насосным повышением давления (линия dP.н).
Вариантом исключения потерь давления в дополнительном регулирующем клапане РКд может быть, например, размещение его на байпасной (обводной) линии в обход запорного крана с малым гидравлическим сопротивлением на основном трубопроводе То1(То2). В этом случае при закрытом запорном кране может происходить регулирование отопления по расширенному естественному графику с использованием РКд, а при открытом запорном кране и полностью закрытом РКд – по рассматриваемому далее графику простого естественного регулирования, при этом РКд исключается из потока теплоносителя. Кроме того, если установить вместо регулирующего клапана в блоке 18 регулируемый электрический гидрогенератор или обратимый электронасос с управляемым гидравлическим сопротивлением, то вырабатываемую ими электроэнергию возможно использовать для работы системы управления 16 и привода исполнительных устройств (например, регулятора 11).
Возможен также способ работы предлагаемой на фиг. 2 схемы системы отопления с естественной циркуляцией, при котором выполняется регулирование при отсутствии потерь давления в дополнительном элементе регулирования расхода (например, в регулирующем клапане) в блоке 18 или при исключении данного элемента из потока теплоносителя по отопительному контуру. Это способ простого естественного регулирования отпуска тепла на отопление, в котором для каждой температуры наружного воздуха имеется однозначная взаимосвязь между температурами воды на отопление (линия То1.пе), обратной воды (линия То2.пе) и расходом (линия Gо.пе), потери давления в циркуляционном контуре (линия dP.цк.пе) равны естественному повышению давления (линия dP.е) и графики зависимостей данных величин от наружной температуры приведены на фиг. 3. График зависимости расхода простого естественного регулирования Gо.пе от наружной температуры показывает максимально возможный расход при естественной циркуляции и ограничивает пространство возможных естественных расходов – от данного расхода до минимально возможного расхода для графика максимального – предельного расширенного естественного регулирования Gо.ре, что дает возможность осуществления множества других графиков расширенного естественного регулирования в этом пространстве, исходя из имеющихся условий и ограничений. Например, если температура То1 подаваемого из блока БПТ 9 теплоносителя по разным причинам не может быть доведена до необходимой температуры То1.ре, т.е. То1.пе < То1 < То1.ре, то осуществляется расширенный естественный график с промежуточным расходом Gо по условию Gо.ре < Gо < Gо.пе.
Частным случаем графика расширенного естественного регулирования является график, при котором дополнительный регулирующий элемент работает в режиме с постоянным гидравлическим сопротивлением, позволяя без затрат энергии на его привод увеличить величину охлаждения теплоносителя и тепловую устойчивость системы отопления, что повышает стабильность и точность поддержания заданной внутренней температуры в здании. Дополнительный регулирующий элемент в этом случае может быть выполнен в виде заменяемого постоянного гидравлического сопротивления (например, дроссельной шайбы) с возможностью замены (установки) дроссельного элемента на элемент с необходимым и/или заданным гидравлическим сопротивлением или может быть выполнен в виде набора постоянных гидравлических сопротивлений, подключаемых к потоку или вводимых в поток при необходимости.
На фиг. 3 для сравнения приведен нормативный температурный график 95/70 °С качественного регулирования отпуска тепла на отопление в виде зависимости температур воды на отопление (линия То1.н) и обратной воды (линия То2.н) от температуры наружного воздуха, при этом относительный расход равен 100% от расчетного, постоянен и условно не показан. Данный или подобный график с другими расчетными температурами обычно рекомендуется и применяется в системах отопления. Из сравнения величин охлаждения воды по нормативному графику, по графикам простого естественного регулирования (линии То1.пе и То2.пе) и расширенного естественного регулирования (линии То1.ре и То2.ре) видно, что применение естественного регулирования приводит, по сравнению с нормативным графиком, к уменьшению расхода и к увеличению охлаждения теплоносителя и естественного повышения давления, приводит к усилению эффекта количественного саморегулирования и тепловой устойчивости системы отопления, увеличивает точность и стабильность поддержания заданной температуры внутреннего воздуха, а значит повышает качество отопления.
По сравнению с обычной насосной системой отопления по фиг. 1 предлагаемая схема системы по фиг. 2 позволяет уменьшить или исключить затраты внешней электрической или гидравлической энергии на циркуляцию теплоносителя по контуру системы отопления, причем при этом повышается и обеспечивается высокая надежность отопления за счет снижения зависимости от внешнего электроснабжения, свойственная системам отопления с естественной циркуляцией.
Кроме того, учет при регулировании отпуска тепла на отопление потоков теплового баланса здания и дополнительных теплопоступлений при применении естественного регулирования по сравнению с регулированием по нормативному температурному графику позволит более точно обеспечивать заданную температуру внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях, т.е. повысить качество отопления и снизить затраты тепла, топлива и/или электроэнергии на отопление здания, а при подключении системы отопления к внешней тепловой сети охлаждение обратного теплоносителя до более низких температур позволит снизить тепловые потери в сети, затраты энергии на транспортировку теплоносителя и увеличить теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ.
Предлагаемые способ естественного регулирования и схема системы отопления могут применяться как для системы (сети) отопления всего здания, так и для системы (сети) отопления части здания (например, для блока или секции дома при многосекционном доме с секциями разной этажности) или/и для сети отопления отдельной стены дома (при пофасадном регулировании) путем либо выполнения отдельных независимых узлов отопления (подготовки теплоносителя) по фиг. 2, обеспечивающих независимое естественное регулирование для каждой части (секции, фасада и т.д.) либо выполнения блока нагрева БПТ 9 общего для всех частей и установки элементов дополнительных блоков регулирования расхода БРР 18 и датчиков параметров теплоносителя на циркуляционных трубопроводах отопления каждой части здания, что при общей для всех частей температуре подаваемой на отопление воды позволяет реализовать различные расширенные графики регулирования и отпуск тепла для разных частей здания путем регулирования расхода через них. Данный способ также может быть реализован при отоплении группы зданий от центрального теплового пункта, при этом каждое здание будет отапливаться по своему расширенному графику естественного регулирования.
Блок повышения температуры 9 системы отопления, обеспечивающий нагрев теплоносителя между т. Б и т. А, может иметь разные схемы и состав оборудования в зависимости от вида используемого энергоресурса и характеристик оборудования.
На фиг. 4 показаны варианты блок-схем возможных конфигураций системы отопления 22, которая условно разделена на узел подготовки теплоносителя 1 и внешнюю относительно узла 1 сеть отопления здания 2, являющейся частью гидравлической сети отопления 8, состоящей из трубопроводов отопления 3, 4, 5, отопительных приборов 6, балансировочных клапанов 23, наладочных дроссельных шайб 24, кранов пусконаладочного регулирования 25 и блока регулирования расхода 18, соединенной с блоком повышения температуры 9, в который через регулятор подачи энергоресурса 11 поступает внешний энергоресурс 10. Данный энергоресурс 10 в виде внешнего теплоносителя 26 или топлива 27 или электроэнергии 28 через соответствующий регулятор 11 в виде основного регулирующего клапана 29 или регулятора подачи топлива 30 или регулятора подачи электроэнергии 31 либо после преобразований в узле смешивания 32 в виде теплоносителя непосредственно поступает в сеть отопления 8, либо поступает в источник теплоносителя 33 – подогреватель отопления 34 или топливный котел 35 или электрический котел 36, т.е. элемент, в котором происходит нагрев теплоносителя, циркулирующего в контуре системы отопления перед подачей его в сеть отопления 8. Внешний теплоноситель после узла смешивания 32, состоящего из узла разделения потока на То2, узла смешивания на То1 и трубопровода подмешивания между То1 и То2 и обеспечивающего необходимое снижение температуры или теплоноситель из источника 33 с заданной температурой поступают в сеть отопления 8, причем в блоке регулирования расхода 18 выполняется изменение расхода теплоносителя за счет изменения гидравлического сопротивления дополнительного регулирующего элемента в виде дополнительного регулирующего клапана 37 или/и регулируемого электрического гидрогенератора 38 или/и регулируемого обратимого электронасоса 39, работающего в режиме генератора, а также установлены датчик(и) расхода 20 и параметров теплоносителя 15. При реализации графика простого естественного регулирования дополнительный регулирующий элемент может находиться в режиме нулевого или минимального сопротивления (полного открытия).
При использовании способа естественного регулирования необходимо стремиться к минимальному гидравлическому сопротивлению и потерям давления в блоке повышения температуры 9. Так как источник теплоносителя 33 в составе блока 9 может иметь значительное гидравлическое сопротивление, сравнимое с сопротивлением сети отопления здания 8 или выше его, для повышения возможностей и расширения границ естественного регулирования источник 33 может соединяться с узлом смешивания 32, имеющим малое сопротивление, при этом происходит уменьшение расхода воды через источник 33 и соответствующее снижение потерь давления в нем при одновременном увеличении нагрева воды, а заданная температура воды подаваемой на отопление обеспечивается узлом смешивания 32. Кроме того, данные схемы позволяют оперативно изменять температуру воды на отопление при значительной инерционности источника 33 (например, водогрейный топливный газотрубный или электрический котел с большим водяным объемом).
Вторым способом снижения гидравлического сопротивления источника теплоносителя 33 и блока повышения температуры 9 системы отопления при использовании в качестве источника 33 водогрейного котла(котлов) 35 или 36 является применение коллектора малого перепада давления 40, например, гидравлического разделителя 41, который имеет практически нулевое сопротивление и потери давления между подающим и обратным трубопроводами и разделяет контуры движения теплоносителя – котловой контур с котловым насосом и циркуляционный контур системы отопления. Гидравлический разделитель 41 также позволяет подключать к себе другие системы теплопотребления дома (например, горячее водоснабжение), исключая их взаимовлияние по гидравлике (по давлению), и этом случае для того, чтобы обеспечить необходимую температуру теплоносителя в сеть отопления 8, не зависящую от температуры теплоносителя от котла, которая может быть связана с режимами других системам теплопотребления или с режимом работы котла, гидравлический разделитель 41 может соединяться с узлом смешивания 32, обеспечивающим необходимую температуру воды подаваемой в сеть отопления.
В качестве коллектора малого перепада давления 40 также может быть аккумулирующий бак 42, позволяющий периодически при включении котла запасать теплоноситель повышенной температуры и при наличии узла смешивания 32 отпускать в сеть отопления воду необходимой температуры. Кроме того, наличие аккумулирующего бака, имеющего запас теплоносителя, позволяет повысить надежность отопления и при отсутствии узла смешивания 32, а при близком расположении мест ввода/вывода теплоносителя от котла и выхода/входа теплоносителя контура отопления аккумулирующий бак будет играть роль «буферной» емкости, сглаживающей, например, суточные неравномерности потребления тепла на отопление и повышающей тем самым качество отопления. Также, периодическая работа котла совместно с аккумулирующим баком позволяет обеспечить необходимый отпуск тепла на отопление в переходный период с малыми тепловыми нагрузками, имеющими значение ниже технологического минимума тепловой мощности котла.
На фиг. 4 обобщенно в виде отдельных блок-схем показаны варианты возможного состава и способов включения оборудования системы отопления при реализации способа естественного регулирования.
В схеме №1 энергоресурс 10 в виде внешнего теплоносителя 26 через регулятор 11 в виде основного регулирующего клапана(ов) 29 поступает непосредственно в узел смешивания 32 и затем используя блок регулирования расхода 18 в сеть отопления 2.
В схеме №2 энергоресурс 10 в виде внешнего теплоносителя 26 через регулятор 11 в виде основного регулирующего клапана(ов) 29 поступает в источник теплоносителя 33 – подогреватель отопления 34, из которого нагретый теплоноситель используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №3 энергоресурс 10 в виде внешнего теплоносителя 26 через регулятор 11 в виде основного регулирующего клапана(ов) 29 поступает в источник теплоносителя 33 – подогреватель отопления 34, из которого нагретый теплоноситель отопления поступает в узел смешивания 32 и затем используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №4 энергоресурс 10 в виде топлива 27 через регулятор 11 в виде регулятора подачи топлива 30 поступает в источник теплоносителя 33 – топливный котел 35, из которого нагретый теплоноситель отопления, используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №5 энергоресурс 10 в виде топлива 27 через регулятор 11 в виде регулятора подачи топлива 30 поступает в источник теплоносителя 33 – топливный котел 35, из которого нагретый теплоноситель отопления поступает в узел смешивания 32 и затем, используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №6 энергоресурс 10 в виде топлива 27 через регулятор 11 в виде регулятора подачи топлива 30 поступает в источник теплоносителя 33 – топливный котел 35, из которого нагретый теплоноситель отопления через коллектор малого перепада давления 40, например, в виде гидравлического разделителя 41, используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №7 энергоресурс 10 в виде топлива 27 через регулятор 11 в виде регулятора подачи топлива 30 поступает в источник теплоносителя 33 – топливный котел 35, из которого нагретый теплоноситель отопления через коллектор малого перепада давления 40, например, в виде гидравлического разделителя 41, поступает в узел смешивания 32 и затем, используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №8 энергоресурс 10 в виде электроэнергии 28 через регулятор 11 в виде регулятора подачи электроэнергии 31 поступает в источник теплоносителя 33 – электрический котел 36, из которого нагретый теплоноситель отопления, используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №9 энергоресурс 10 в виде электроэнергии 28 через регулятор 11 в виде регулятора подачи электроэнергии 31 поступает в источник теплоносителя 33 – электрический котел 36, из которого нагретый теплоноситель отопления поступает в узел смешивания 32 и затем, используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №10 энергоресурс 10 в виде электроэнергии 28 через регулятор 11 в виде регулятора подачи электроэнергии 31 поступает в источник теплоносителя 33 – электрический котел 36, из которого нагретый теплоноситель отопления через коллектор малого перепада давления 40, например, в виде гидравлического разделителя 41, используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
В схеме №11 энергоресурс 10 в виде электроэнергии 28 через регулятор 11 в виде регулятора подачи электроэнергии 31 поступает в источник теплоносителя 33 – электрический котел 36, из которого нагретый теплоноситель отопления через коллектор малого перепада давления 40, например, в виде гидравлического разделителя 41, поступает в узел смешивания 32 и затем, используя блок регулирования расхода 18 поступает в сеть отопления 2.
Далее на фиг. 5-31 представлено физическое описание процесса способа естественного регулирования отопления и приведены построенные на основе расчетного моделирования режимов работы системы отопления реального 10-этажного здания графики естественного регулирования для различных вариантов схем системы отопления и возможного состава оборудования блока повышения температуры 9.
N
эт
На фиг. 5 показана схема зависимой системы отопления по схеме №1 на фиг. 4 с узлом смешивания для здания с числом этажей  и однотрубной сети отопления с нижней разводкой магистралей к стоякам с отопительными приборами, подключенными к стоякам с замыкающими участками. Рассмотрим процесс запуска и естественного регулирования отопления на примере данной схемы.
Схема имеет в узле подготовки подающий трубопровод Т1 43 и обратный трубопровод Т2 44 внешнего теплоносителя из тепловой сети или от котельной с датчиками параметров состояния 15 – температуры и, возможно, давления, также датчики состояния 15 на трубопроводе 3, подающем теплоноситель в сеть отопления и на обратном трубопроводе 4 из сети, в которой имеются отопительные приборы 6 внутри отапливаемого объема здания 7 с теплозащитными конструкциями, основной регулирующий клапан 29 на трубопроводе из внешней сети 43 или 44, узел смешивания 32, состоящий из т. А смешивания (смешивающего подогревателя), т. Б разделения потока обратной воды и трубопровода подмешивания (перемычки) 45 между т. А на трубопроводе 3 и т. Б на обратном трубопроводе 4, а также датчик расхода 20 на трубопроводе 3 или/и 4. В системе имеется датчик температуры наружного воздуха 46 и также могут быть датчики 47 внешних условий (направления и скорости ветра - w, солнечного излучения и т.д.) и параметров теплового баланса отопления (потребления электроэнергии - Э, газа, вентиляционных потерь и т.д.), датчик(и) температуры внутреннего воздуха 48. Датчик(и) расхода 20 может находиться на трубопроводе 43 или/и 44 и расход воды в сеть отопления по трубопроводу 3 или/и из сети по трубопроводу 4 определяться из уравнений теплового и материального баланса узла смешивания, а по разности расходов по трубопроводам 43 и 44 или 3 и 4 может определяться утечка воды в сети отопления.
В процессе работы системы отопления теплоноситель движется по циркуляционному контуру системы, состоящему из трубопроводов отопления 3, 4, 5 с отопительными приборами 6, трубопроводов 3 и 4, проходящих в узле подготовки 1, в целом являющимися гидравлической сетью 8 отопления здания, и трубопровода подмешивания 45, а регулирование происходит автоматизированной системой управления отоплением (АСУО) 16 на основе сигналов от датчиков и путем воздействия на основной регулирующий клапан 29.
Z-
Отдача теплоносителем тепловой энергии в сети отопления вызывает его охлаждение, повышение плотности и, вследствие этого, в циркуляционном контуре возникает гравитационное естественное повышение давления. Процесс возникновения естественного повышения давления показан на фиг. 5 на совмещенной со схемой сети отопления здания гравитационной ρg диаграмме системы отопления.
Z
Z
i-
ρ
ρ
p
ρ
ρ
Z
3
ср.
i
к.
i
н.
i
е.
i
ср.i
к.
i
н.
i
На -ρg диаграмме по вертикальной оси откладывается высота  потока воды от принятого уровня отсчета, а по горизонтальной оси – произведение плотности воды ρ на ускорение свободного падения g, т.е. удельный вес 1 м воды. Для любого го элемента системы – участка или отопительного прибора, естественное повышение давления воды пропорционально произведению средней высоты элемента Z, ускорения g и разности конечной  и начальной  плотностей воды и равно Δ = Z( – )g, отображаясь на диаграмме площадью под линией охлаждения (нагрева) воды в элементе и может быть положительным или отрицательным. Естественное повышение давления в контуре системы равно сумме естественных повышений давления по всем элементам контура движения воды на -ρg диаграмме и равно площади данного контура. При этом естественные повышения давления по стоякам (циркуляционным кольцам) сети отопления не суммируется, а сила гравитации, действующая на воду в каждом элементе, и насос, если он имеется, формируют определенную картину потерь и уровней давления, а также расходов с учетом охлаждения воды в элементах и их высоты.
Z
p
S
H
z
z
z
z
p
S
ρ
ρ
H
H
H
z
z
z
z
z
H
H
е
abcdefghijkia
со
со
1
со
1
е
amnja
о2
о1
е
е
е
е
1
е
1
е
е
со
Естественное повышение давления в контуре отопления отображается на -ρg диаграмме площадью контура движения воды a-b-c-d-e-f-g-h-i-j-k-j-a или Δ = . Высота системы отопления  =  –  на фиг. 5 показана как разница между уровнями высшей точки сети отопления  и точки условного подвода теплоты (нагрева воды) , который для схемы со смешиванием совпадает с уровнем т. А. Фигуру контура движения воды можно условно заменить на прямоугольную фигуру a-m-n-j-a равной площади и охлаждения воды, с таким же естественным повышением давления Δ =  = ( – )g, где высота фигуры  – величина естественного гидравлического напора, равная  =  – , т.е. разности условной высотой естественного напора  и уровнем подвода тепла . При этом фактическое постепенное по высоте охлаждение воды в стояках сети отопления условно заменяется полным охлаждением воды на уровне , и поэтому величина естественного напора обычно примерно равна половине высоты системы отопления  ≈ 0,5, причем с изменением температур и плотностей воды она практически не изменяется.
При пуске системы отопления со схемой показанной на фиг. 5 максимально допустимо открывается клапан 29, и прямая сетевая вода, имеющая обычно по температурному графику сети или для обеспечения горячего водоснабжения или с заданной достаточно высокой температурой 60-80 °С поступает в систему отопления, где в т. А разветвляется на поток в трубопровод То1 3 сети отопления и поток в трубопровод подмешивания (перемычку) 45, после чего в т. Б потоки воды из трубопроводов То2 4 и 45 объединяются в суммарный поток, возвращающийся во внешнюю сеть. Из-за меньшего гидравлического сопротивления перемычки АБ 45 основная часть от суммарного расхода пойдет через нее, однако существенная часть расхода (примерно 10-30%) пойдет через сеть отопления здания, где вода охладится и в сети отопления возникнет естественное повышение давления. При этом наблюдаемое (измеряемое) падение давления на перемычке АБ 45 будет равно гидравлическим потерям давления на вязкое трение в трубопроводах и отопительных приборах сети отопления минус естественное повышение давления в сети.
Затем, после установления стабильного режима выполняется медленное закрытие клапана 29, при этом уменьшаются расходы воды через перемычку и через сеть отопления, что приводит к почти линейному увеличению охлаждения воды и к пропорциональному увеличению естественного повышения давления при одновременном уменьшении гидравлических потерь давления в сети отопления практически по квадратичному закону. В некоторый момент естественное повышение давления сравняется с гидравлическими потерями в сети – в этот момент падение давления на перемычке АБ 45 станет равным нулю и расход воды через нее прекратится.
Это момент начала естественной циркуляции.
Регулирование отопления при наличии естественной циркуляции, называемое простым естественным регулированием, выполняется следующим образом.
При большем закрытии клапана 29 и уменьшении поступающего через него расхода прямой сетевой воды при условном сохранении расхода воды по перемычке АБ 45 уменьшается расход и температура воды поступающей в сеть отопления, снижается средняя температура воды и, соответственно, отпуск тепла и при условном сохранении температуры обратной воды происходит уменьшение охлаждения воды в сети отопления.
Меньшее охлаждение приводит к уменьшению превышения естественного повышения давления над гидравлическими потерями в сети и к уменьшению перепада давления на перемычке АБ 45, что вызывает уменьшение потока охлажденной обратной воды из т. Б в т. А, где происходит ее смешивание с потоком прямой сетевой воды, и вода с большей температурой поступает в сеть отопления. Это приводит к увеличению температуры воды, поступающей на отопление, отпуска тепла, средней температуры воды, ее расхода и охлаждения и, соответственно, к увеличению естественного повышения давления, что приводит к увеличению перепада давления на перемычке АБ 45, расхода подмешивания и к уменьшению температуры воды поступающей в сеть отопления.
Наоборот, при наличии естественной циркуляции и большем открытии клапана 29 происходит увеличение поступающего через него расхода прямой сетевой воды и при условном сохранении расхода воды по перемычке АБ 45 происходит увеличение расхода и температуры воды поступающей в сеть отопления, увеличение средней температуры воды и, соответственно, увеличение отпуска тепла и при условном сохранении температуры обратной воды происходит увеличение охлаждения воды в сети отопления.
Большее охлаждение воды приводит к увеличению превышения естественного повышения давления над гидравлическими потерями в сети и к увеличению перепада давления на перемычке АБ 45, что вызывает увеличение потока охлажденной обратной воды из т. Б в т. А, где происходит ее смешивание с потоком прямой сетевой воды, и вода с меньшей температурой поступает в сеть отопления. Это приводит к уменьшению средней температуры воды, отпуска тепла, расхода и величины охлаждения воды и, соответственно, к уменьшению естественного повышения давления в сети, что приводит к уменьшению перепада давления на перемычке АБ 45, расхода подмешивания и к увеличению температуры воды поступающей в сеть отопления.
Режим отопления стабилизируется при подаче в сеть отопления воды с такой температурой ниже температуры подаваемой прямой сетевой воды (внешнего теплоносителя), при которой возникающее при охлаждении воды в сети естественное повышение давления будет обеспечивать необходимый для получения данной температуры расход подмешивания по перемычке АБ 45 и зависимый от данной температуры расход естественной циркуляции в сети отопления, обеспечивающий отдачу необходимого количества тепловой энергии, зависящего от температуры внутреннего воздуха и характеристик процесса теплоотдачи (теплопередачи) от сети отопления в отапливаемые помещения.
Если отдача тепловой энергии от сети отопления оказывается больше, чем необходимо по тепловому балансу здания, то это будет приводить к увеличению температуры внутреннего воздуха в здании (помещениях здания) и к стабилизации режима на другом уровне с более высокой внутренней температурой и отпуском тепла, и наоборот. В итоге при определенном уровне закрытия (открытия) основного клапана 29 формируется связанный с тепловым балансом здания и с естественной циркуляцией воды в циркуляционном контуре системы отопления с узлом подмешивания естественный режим отопления с определенной температурой и расходом воды на отопление и связанной с ними температурой внутреннего воздуха и отпуском тепла на отопление.
Постепенное закрытие или открытие клапана 29 системой управления 16 будет приводить к снижению или повышению температуры внутреннего воздуха, причем количество отпускаемой тепловой энергии определяется системой управления по сигналам датчиков расхода и состояния (в основном – температуры) на трубопроводах 3 и 4 циркуляционного контура выходящих из узла подготовки. Таким образом, управляя степенью открытия основного регулирующего клапана 29 можно регулировать отпуск тепла системой отопления и температуру внутреннего воздуха при том, что циркуляция воды будет происходить за счет естественного повышения давления, т.е. будет выполняться управляемая естественная циркуляция.
Данный способ осуществления естественной циркуляции является новым, так как обычно применяется нерегулируемая неуправляемая естественная циркуляция.
Целью отопления является создание в отапливаемых помещениях здания заданной внутренней температуры путем подачи в них тепловой энергии.
При естественном регулировании, управляя основным клапаном 29 и за счет этого режимом и расходом естественной циркуляции теплоносителя, необходимо обеспечивать подачу требуемого количества тепловой энергии, причем данный способ естественного регулирования отопления может быть осуществлен несколькими вариантами способа, примеры которых показаны ниже.
Например, в первом возможном варианте способа естественное регулирование выполняется путем сравнения заданного (целевого) значения внутренней температуры с оценкой ее фактического значения по уравнению температуры внутреннего воздуха, полученному из уравнений потерь теплопередачей, теплового баланса и уравнения отопительной нагрузки.
Уравнение потерь теплопередачей описывает потери через внешние теплозащитные ограждающие конструкции здания (стены, двери, окна, чердачные перекрытия, подвал, грунт и т.д.) при наличии разности внутренней и наружной температур
k
i
F
t
t
t
q
V
i
i
в.
i
в
н
о
н
где:  – коэффициент теплопередачи через -ю внешнюю ограждающую конструкцию площадью  с учетом ее вида и расположения в помещении с температурой внутреннего воздуха ; – средняя температура воздуха в здании;  – наружная температура; – удельная отопительная тепловая характеристика здания, характеризующая его теплозащиту;  – объем здания по наружным измерениям.
Q
Q
прих
уход
Уравнение теплового баланса отопления здания описывает равенство приходящих  и уходящих из здания  суммарных мощностей потоков тепловой энергии
Q
Q
Q
Q
Q
Q
μ∙Q
μ = Q
Q
Q
Q
Q
μ = мах(Q
, Q
)/Q
бал
о
тв
инс
т
и
т
и
т
аэр
наг
дин
и
аэр
т
где:  – балансовая тепловая мощность;  – мощность отдаваемая системой отопления в отапливаемые помещения (отопительная нагрузка);  – мощность внутренних тепловыделений (теплопоступлений от людей, электрического и другого оборудования, приборов, систем освещения, нагретых материалов, машин и т.д.), оцениваемая расчетным образом, на основе энергоаудита и/или по показаниям датчиков; – мощность инсоляции от поступающего солнечного излучения;  – мощность потерь теплопередачей; =  – затраты тепла на инфильтрацию, т.е. на нагрев фильтрующегося через здание сквозь неплотности наружных теплозащитных ограждений холодного наружного воздуха вследствие аэродинамического ветрового напора, где /- коэффициент инфильтрации [Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – М.: Изд-во МЭИ, 2001];  – затраты тепла на аэрацию (естественную вентиляцию), т.е. на нагрев системой отопления вентиляционного воздуха, поступающего за счет организованной естественной вентиляции (аэрации) помещений через окна, форточки, клапаны и т.д. и удаляемого через вытяжные вентиляционные каналы и/или специальные клапаны, фонари и т.д.; – затраты тепла на нагрев поступающих из внешней среды материалов, сырья, машин, оборудования и т.д.;  – теплота разогрева (если отрицательная – охлаждения) внутреннего воздуха и конструкций здания при нестационарном – динамическом режиме отопления. Так как затраты тепла на естественную вентиляцию (аэрацию), как и на инфильтрацию, пропорциональны величине нагрева воздуха, т.е. разности внутренней и наружной температур, их можно учесть в коэффициенте инфильтрации (аэрации) как максимальное значение, обеспечивающее необходимую естественную вентиляцию, т.е.  или/и учесть затраты тепла на естественную вентиляцию (аэрацию) в тепловом балансе.
Q
о
Отопительная нагрузка, т.е. отпускаемая системой собственно на отопление (в отапливаемые помещения) тепловая мощность  может определяться узлом учета системы управления на основе известных в теплотехнике, общепринятых и/или стандартных уравнений учета отпуска тепла, потребленного на отопление на основе измерений температур, давлений и расходов теплоносителя по трубопроводам 3 и 4, например, согласно действующему документу – «Методика осуществления коммерческого учета тепловой энергии, теплоносителя» или по иным формулам, например, с учетом утечек и подпитки теплоносителя в системе отопления и/или охлаждения теплоносителя в теплоизолированных магистралях 3 и 4. Если пренебречь слабой зависимостью энтальпии (теплосодержания) воды от давления, потерями тепла с утечками и поступлением тепла с подпиточной водой, а также охлаждением воды в магистралях, уравнение отопительной нагрузки за счет охлаждения теплоносителя принимает вид
G
= G
- G
G
G
h
h
τ
τ
θ = τ
- τ
с
τ
θ
τ
G
о
о1
ут1
ут1
о1
о1
о2
о1
о2
о1
о2
в
о1
о2
о
где:  – расход теплоносителя (воды) на отопление;  – утечки воды из теплоизолированной подающей магистрали до распределительных трубопроводов отопления с отопительными приборами;  – расход воды из узла подготовки в сеть отопления;  и  – удельная энтальпия воды подаваемой на отопление и обратной воды;  и  – температура воды подаваемой на отопление и обратной воды;  – охлаждение воды в сети отопления; – средняя теплоемкость воды в интервале температур ее охлаждения. При естественном регулировании при закрытии или открытии основного клапана 29 изменяется температура  воды подаваемой в сеть отопления, вследствие этого изменяется охлаждение воды , температура обратной воды , расход воды  за счет естественной циркуляции, отпуск тепла на отопление и температура внутреннего воздуха.
Уравнения (1-3) позволяют оценить среднюю внутреннюю температуру в здании при текущей температуре наружного воздуха по измеренным параметрам воды проходящей через сеть отопления и по измеренной датчиками и/или определенной по данным аудита и/или расчетным путем и учитываемой автоматически или ручным и/или программным вводом величине тепловыделений, теплоте инфильтрации, инсоляции, аэрации, нагрева и разогрева (охлаждения) по полученному из (1-3) уравнению температуры внутреннего воздуха (внутренней температуры)
Q
Q
+ Q
Q
+ Q
+ Q
t
доп
тв
инс
аэр
наг
дин
вц
где  = () – () – дополнительные потоки теплового баланса отопления. Система автоматического управления 16, на основе показаний датчиков и заданных значений определяя по уравнению (4) среднюю внутреннюю температуру в здании и управляя открытием клапана 29 и отпуском тепла на отопление при сохранении естественной циркуляции, должна обеспечивать равенство полученного значения заданному целевому значению внутренней температуры .
t
вц
Вторым возможным вариантом способа естественного регулирования можно привести вариант регулирования по датчику (датчикам) температуры воздуха в отапливаемых помещениях или в контрольном помещении(ях) здания или части здания, и система управления 16, изменяя открытие клапана 29 и отпуск тепла, должна обеспечивать равенство измеренного среднего значения внутренней температуры заданному значению . При этом происходит регулируемая системой управления, т.е. управляемая естественная циркуляция теплоносителя – без применения насосов.
Третьим возможным вариантом способа естественного регулирования можно привести вариант регулирования по заданному или рассчитываемому графику изменения температур и расхода воды подаваемой в сеть отопления. Данный график получается путем совместного решения теплогидравлического уравнения системы отопления и уравнения качественно-количественного регулирования с учетом уравнения гидравлического баланса.
Потери давления в циркуляционном контуре системы отопления разделяются на потери давления в постоянных и нерегулируемых элементах, совокупность которых можно назвать циркуляционным трубопроводом и в переменных и изменяемых, т.е. регулируемых элементах (например, в регулирующих клапанах). Потери давления в циркуляционном трубопроводе по известному уравнению Дарси-Вейсбаха с достаточной для практики точностью пропорциональны произведению средней плотности теплоносителя в системе отопления на квадрат средней скорости течения воды в сеть отопления, а значит, среднего объемного или массового расхода теплоносителя на отопление и описываются уравнением
δp
= δp
+ δp
δp
δp
δp
δp
δp
δp’
= δp’
+ δp’
V’
V
G’
ρ’
ρ
цт
со
АБ
со
АБ
пм
по
вк
цт
со
АБ
о.ср
о.ср
о
о.ср
о.ср
где  – потери давления в циркуляционном трубопроводе в текущем режиме, состоящие из потерь давления  на участках, постоянных элементах и в отопительных приборах сети отопления и потерь давления  в БПТ 9, равных потерям  на перемычке АБ 45 или потерям давления  в подогревателе отопления или  в котле с учетом подводящих трубопроводов;  - потери давления в циркуляционном трубопроводе в расчетном режиме;  или  – средний объемный расход воды на отопление в расчетном или текущем режиме, определяемый через массовый расход и среднюю плотность воды;  – расчетный расход воды на отопление;  или  – средняя плотность воды в системе отопления в расчетном или текущем режиме.
G
отн
Теплогидравлическое уравнение отопления связывает между собой относительный массовый расход воды, получаемый из уравнений теплового баланса (2) и охлаждения воды (3) и относительный массовый расход воды в сеть отопления из уравнения (5), зависящий от повышения и потерь давления в циркуляционном трубопроводе и от его гидравлического сопротивления. Без учета утечек воды оно записывается в виде формулы для относительного расхода
G
Δp
δp
о
пов
цк
В любой момент в контуре системы имеется гидравлический баланс – устанавливается такой расход воды , при котором повышение давления  равно потерям давления в циркуляционном контуре  по уравнению гидравлического баланса:
Δp
Δp
= (ρ
- ρ
)gH
ρ
ρ
f
τ
p
f
τ
g
H
δp
δp
= δp
н
е
о2
о1
е
о1(2)
о1(2)
о1(2)
о1(2)
о1(2)
е
дрэ
ркд
дрэ
где  – повышение давления в насосе, если он есть и работает, с регулируемым приводом или без привода, но с регулирующим клапаном;  – естественное повышение давления, где  – плотность воды на отопление (или обратной воды), зависящая от ее температуры и незначительно от давления, т.е.  = (, ) ≈ ();  – ускорение свободного падения,  – гидравлический напор естественной циркуляции, зависящий от высоты и схемы системы отопления;  – потери на дополнительном регулирующем элементе, например, дополнительном регулирующем клапане(ах)  (если он есть), установленном в узле подготовки на трубопроводе 3 и/или 4 циркуляционного контура отопления. Далее в формулах описания в качестве дополнительного регулирующего элемента рассматривается регулирующий клапан.
Используя уравнения потерь теплопередачей (1), теплового баланса (2), и гидравлического баланса (7), теплогидравлическое уравнение (6) можно записать в полном виде
τ
τ
о1
о2
Так как плотности подаваемой на отопление и обратной воды зависят в основном от их температуры (влияние давления незначительно), то при заданной внутренней и известной наружной температурах, а также известных дополнительных потоках теплового баланса (тепловыделений, инсоляции, аэрации, нагрева, разогрева) задание температур воды на отопление  и обратной воды  определяет значение левой части уравнения (8) и необходимый расход воды на отопление по (6), для получения которого из правой части уравнения (8), учитывая естественное повышение давления, можно определить требуемое повышение давления в насосе (насосах) и/или потери давления в дополнительном регулирующем элементе (клапане).
t
τ
τ
G
Q
t
вц
о1
о2
отн
отн
н
Уравнение качественно-количественного регулирования отопления, предложенное в [Пятин А.А. Новая модель регулирования – теоретическая основа высокоэффективного отопления // ЭКО-ТЭК. 2019. № 1 (70). С. 15–30. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/eko-tek_itog_70.pdf], позволяет определять необходимую для поддержания заданной внутренней целевой температуры  температуру воды подаваемой на отопление  и температуру обратной воды  по заданному ее относительному расходу  по (6) и относительной отопительной нагрузке , учитывающей текущую наружную температуру , инфильтрацию и потоки теплового баланса. Уравнение регулирования имеет обобщенный вид
τ
τ
о1
о2
или в виде формулы (верхний знак в операторах «±» или «» относится к температуре воды на отопление , а нижний знак – к температуре обратной воды )
G
Q
о
о
или в эквивалентном виде через текущий расход  и текущую отопительную нагрузку
Δt
t
τ’
τ’
θ’ = τ’
- τ’
n
p
k
= Q
/Q
Q
вр
о1
о2
о1
о2
нсо
н
нт
нт
где ’– среднелогарифмический температурный напор в расчетном режиме отопления при расчетной внутренней температуре  и расчетных температурах воды на отопление  и обратной воды ;  – расчетное охлаждение воды в сети отопления;  и  – степенные показатели зависимости коэффициента теплопередачи системы отопления (отопительных приборов) от температурного напора и расхода воды;  - коэффициент номинального состояния (режима работы) оборудования системы, характеризующий запас ее отопительной тепловой мощности, приведенной к условиям номинального режима работы оборудования (отопительных приборов) [Пятин А.А. Новая модель регулирования – теоретическая основа высокоэффективного отопления // ЭКО-ТЭК. 2019. № 1 (70). С. 15–30. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/eko-tek_itog_70.pdf], где  – теоретически необходимая номинальная тепловая мощность системы отопления определяемая по уравнению
Δt
c
Q
c’
c
Q
оп
в.н
н
в
в
отн
– номинальный температурный напор отопительных приборов, стандартно принимаемый равный 70 °С [Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. – М: Издательство АСВ, 2008], – средняя теплоемкость воды при номинальном режиме охлаждения,  – фактическая номинальная тепловая мощность системы отопления: установленных трубопроводов и отопительных приборов по номинальным условиям работы отопительных приборов с учетом их типа, конструкции, размеров и условий размещения, подключения и установки; или  – теплоемкость воды в расчетном или текущем режиме;  – относительная отопительная нагрузка, определяемая формулой [Пятин А.А. Сбалансированное отопление – новые возможности эффективности и энергосбережения // ЭКО-ТЭК. 2018. № 3 (68). С. 23–34. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/1-68_3.pdf]
t
μ’
Q
Q’
но
доп
доп
где  – расчетная наружная температура для проектирования систем отопления в данной местности, по [СП 131.13330.2012 Строительная климатология], при которой определяется расчетный режим отопления;  – коэффициент инфильтрации в расчетном режиме;  или  - дополнительные потоки теплового баланса в текущем или расчетном режиме.
t
Q’
G’
G
н
о
о
о
Уравнение регулирования (9, 10, 11) совместно с (12) при заданных, рассчитанных и/или измеренных потоках теплового баланса, текущей наружной температуре , коэффициенте инфильтрации, при расчетной отопительной нагрузке  и при расчетном расходе определяет при заданном абсолютном расходе  и при относительном расходе
t
τ
τ
ρ
ρ
τ
τ
θ = τ
τ
ρ
- ρ
вц
о1
о2
о1
о2
о1
о2
о1
о2
о2
о1
необходимую для поддержания заданной целевой температуры внутреннего воздуха  температуру воды подаваемой на отопление  и температуру обратной воды  и, соответственно, их плотности  и , причем с понижением расхода увеличивается необходимая температура , уменьшается температура  [Пятин А.А. Новая модель регулирования – теоретическая основа высокоэффективного отопления // ЭКО-ТЭК. 2019. № 1 (70). С. 15–30. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/eko-tek_itog_70.pdf], увеличивается охлаждение воды  - , разность плотностей воды  и растет естественное гравитационное повышение давления.
Δp
н
Если рассматривать только естественное повышение давления в циркуляционном контуре, т.е. когда  = 0 (безнасосное регулирование), то уравнение (8) принимает вид
δp
ркд
и если без потерь давления в дополнительном регулирующем клапане, когда  = 0 – т.е. при простом естественном регулировании, то другой вид
τ
τ
G
о1
о2
о
При простом естественном регулировании по (15) и (9-13) в каждом режиме отопления имеется однозначная взаимосвязь между температурами ,  и расходом  воды на отопление, формирующая единственно возможный график качественно-количественного простого естественного регулирования для заданной температуры внутреннего воздуха, т.е. зависимость данных температур и расхода воды от температуры наружного воздуха при заданных уровнях инфильтрации и дополнительных потоках теплового баланса.
τ
τ
G
τ
τ
G
о1
о2
о
о
о1
о2
о
График простого естественного регулирования определяется для заданной целевой внутренней температуры путем расчета, используя (9-13), для каждой температуры наружного воздуха температур ,  и расхода  воды на отопление подбором такого значения расхода G, при котором выполняется равенство (15). Данный график вводится в систему или постоянно рассчитывается в системе автоматического управления отоплением которая, оперируя основным регулирующим клапаном 29, при текущей температуре наружного воздуха обеспечивает в соответствии с графиком требуемую температуру воды на отопление  или/и температуру обратной воды  или/и расход воды  на отопление.
Q
t
о.изм
вц
Четвертым вариантом способа естественного регулирования отопления можно привести пример регулирования по отопительной мощности, при котором система управления 16, изменяя открытие клапана 29 и отпуск тепла при регулируемой естественной циркуляции, без применения насосов, должна обеспечивать равенство измеренной узлом учета системы управления фактической отопительной мощности , определенной по уравнению (3) по сигналам датчиков параметров состояния и расхода теплоносителя, отпускаемого по трубопроводам 3 и 4 в сеть отопления, значению требуемой отопительной мощности, определяемой для заданной целевой внутренней температуры  системой управления по полученному из (12) уравнению отопительной нагрузки (мощности)
на основе сигналов от датчиков внешней среды и параметров теплового баланса или на основе ручного и/или программного задания данной зависимости в системе управления.
t
τ
τ
G
вц
о1
о2
о
Таким образом, простое естественное регулирование отопления, обеспечивающее при естественной циркуляции поддержание заданной внутренней целевой температуры  с учетом теплового баланса (или без учета баланса) может осуществляться четырьмя способами – по уравнению (4) для оценки внутренней температуры или по данным измерений внутренней температуры или выполнением графика простого естественного регулирования, определенного совместным решением уравнений (9-13) и (15), когда при текущей температуре наружного воздуха по графику обеспечивается температура воды на отопление  или/и обратной воды  или/и расход , или по уравнению отопительной нагрузки (16).
Простое естественное регулирование рассмотренным способом и запуск системы отопления возможны также с использованием другого оборудования.
Например, кроме или вместо основного регулирующего клапана, устанавливаемого на трубопроводах 3 или 4 сетевой воды (внешнего теплоносителя) для регулирования расхода сетевой воды в точку А циркуляционного контура естественное регулирование также может осуществляться трехходовым клапаном, устанавливаемым в т. А или т. Б узла смешивания. В этом случае в пусковых режимах при больших расходах сетевой воды и большем открытии трехходового клапана по линии 43 (или 44), линия через перемычку АБ 45 будет прикрыта клапаном, что уменьшает обратный расход из. т. А в т. Б, и тем самым ускоряет и упрощает процесс запуска системы. В процессе регулирования трехходовой клапан, установленный в т. А (или в т. Б) изменяет расход по трубопроводу 43 (или 44), регулируя тем самым температуру воды, поступающей в сеть отопления, расход естественной циркуляции, температуру обратной воды, отпуск тепла и температуру внутреннего воздуха.
Для упрощения запуска системы на перемычке АБ 45 узла смешивания может устанавливаться обратный клапан, препятствующий протеканию воды из т. А в т. Б. После начала естественной циркуляции обратный клапан открывается и пропускает охлажденную обратную воду трубопровода 4 из т. Б в т. А, где происходит смешивание потоков, причем обратный клапан желательно устанавливать с малым гидравлическим сопротивлением, в исполнении для систем с естественной циркуляцией. Эту же функцию предотвращения перетекания из т. А в т. Б может выполнять регулирующий клапан подмешивания, устанавливаемый на перемычке АБ 45.
p
δp
н
ркд
Если в циркуляционном контуре системы отопления в узле подготовки установлен вспомогательный циркуляционный насос 14 с регулируемым приводом, он может применяться для запуска системы. При пуске такой системы регулируемый насос 14 должен обеспечивать отсутствие или малую величину обратного потока сетевой воды из т. А в т. Б по перемычке 45, что можно фиксировать по превышению температуры обратной воды по трубопроводу 44 выше температуры обратной воды отопления по трубопроводу 4 из-за подмешивания прямой сетевой воды. Автоматизированная система 16, управляя регулируемым насосом 14, должна обеспечивать малую величину повышения температуры обратной воды или равенство температур воды по трубопроводам 44 и 4 при равенстве температур подаваемой воды по трубопроводам 43 и 3, что означает малую величину или отсутствие потока воды по трубопроводу подмешивания. Вместо регулируемого насоса могут использоваться установленные последовательно нерегулируемый насос и дополнительный регулирующий клапан, которые создают необходимое повышение давления (Δ - ).
Кроме того, насос может использоваться для временного поддержания циркуляции при нарушении внешнего теплоснабжения или при пиковых тепловых нагрузках и при регулировании отпуска тепла изменением расхода воды.
В процессе регулирования отопительную мощность системы отопления необходимо изменять согласно (16, 12) в зависимости от температур внутреннего и наружного воздуха, от величины инфильтрации и величин дополнительных потоков теплового баланса.
Данная зависимость значительно отличается от обычно используемой при регулировании отопления простой пропорциональной линейной зависимости относительной отопительной мощности от наружной температуры как отношения разности внутренней расчетной и наружной температур в текущем режиме к данной разности температур в расчетном режиме отопления и это существенно влияет на регулирование отопления и отпуск тепла.
Q
доп
Из (16) видно, что учет дополнительных тепловых потоков, входящих в уравнение теплового баланса (2), в том числе внутренних тепловыделений, составляющих основную часть дополнительных тепловых потоков , снижает необходимую тепловую мощность отпускаемую системой отопления, т.е. приводит к полезному техническому эффекту – к снижению необходимых затрат тепловой энергии на отопление.
Q
t’
t
Q’
отн
н
но
доп
Отопительная нагрузка равна расчетному значению при  = 1 (100%) при расчетной наружной температуре , которая может быть равна используемой в теплоснабжении расчетной наружной температуре для систем отопления (расчетной наружной отопительной) , но в общем случае от нее отличается и, при  = const, определяется по полученному из (12) уравнению
μ’
t’
Q
= Q’
t
> t
t’
> t
н
н
о
о
вц
вр
н
но
где  – коэффициент инфильтрации при температуре . Повышение заданной внутренней температуры в здании приводит к росту расчетной наружной температуры при которой отопительная нагрузка равна расчетной , т.е. если , то .
Q
t
отн
нач
Отопительная нагрузка равна нулю при  = 0 при наружной температуре начала отопления , определяемой по полученной из (12) формуле [Пятин А.А. Сбалансированное отопление – новые возможности эффективности и энергосбережения // ЭКО-ТЭК. 2018. № 3 (68). С. 23–34. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/1-68_3.pdf]
μ
t
t
нач
нач
нк
где  – коэффициент инфильтрации при температуре . Данная температура с повышением дополнительных тепловых потоков (в основном – внутренних тепловыделений) снижается и может выше или ниже наружной температуры начала (окончания) отопительного периода , равной 8 °С, при которой запускаются или отключаются системы отопления зданий.
t
t
t
< t
G
нач
нк
нк
нач
о.мин
Естественное повышение давления и возможность естественного регулирования появляется как только возникает разность температур и плотностей воды на отопление и обратной воды, т.е. при наружной температуре начала отопления, если  <  или при температуре начала отопительного периода, если . Однако, при малых величинах охлаждения воды и соответствующих им малых естественных расходах возможно нарушение гидравлической устойчивости система, т.е. пропорциональности распределения расходов по отопительным приборам и в этом случае расход воды не должен снижаться ниже некоторого допустимого уровня , определяемого опытным путем для разных схем систем отопления.
t
t
≥ t
t
t
t
< t
t
t
≤ t
вц
вц
вр
нк
нач
нач
нк
но
н
но
Естественное регулирование, как любой способ регулирования отопления, должно обеспечивать поддержание заданной внутренней целевой температуры  не ниже нормативной внутренней расчетной:  в нормативном интервале наружных температур – от  (или от  если ) до расчетной наружной отопительной температуры  и, если возможно, при более низких наружных температурах  т.е. при высоких отопительных нагрузках.
τ
τ’
t’
τ
= τ’
о1
о1
не
о1
о1
При увеличении отопительных нагрузок и выполнении простого естественного регулирования с понижением наружной температуры будут повышаться расход и температуры воды на отопление, температура обратной воды и при некоторой температуре наружного воздуха необходимая температура воды на отопление  станет равна расчетной температуре воды , равной или ниже максимально возможного или допустимого значения для здания. Этот режим является расчетным режимом естественного регулирования и он имеет место при расчетной наружной естественной температуре  при которой .
t
t’
≥ t
t’
≤ t
t
до t
t’
≤ t
t’
≤ t
но
не
но
не
но
нк
но
не
но
не
но
В зависимости от соотношения расчетной отопительной нагрузки, расчетного расхода и гидравлического сопротивления циркуляционного контура отопления, а также в зависимости от заданной внутренней температуры, расчетная естественная температура может быть больше или меньше расчетной наружной отопительной температуры , т.е.  или . Существуют условия, ограничивающие температурный диапазон применения простого естественного регулирования и необходимо проверять существующие здания на возможный диапазон наружных температур, в котором осуществимо естественное регулирование и задавать внутреннюю температуру или проектировать новые здания и их системы отопления так, чтобы естественное регулирование было применимо во всем нормативном диапазоне наружных температур от , т.е. выполнялось . Кроме того, мероприятия по энергосбережению в существующих зданиях могут приводить к уменьшению их расчетных отопительных нагрузок, расчетных расходов воды и к расширению диапазона наружных температур естественного регулирования, вплоть до .
τ
= τ’
τ
= τ’
о1
о1
о1
о1
Если в циркуляционном контуре отопления имеется регулируемый циркуляционный насос (насос с регулируемым приводом) или нерегулируемый насос и регулирующий клапан, роль которого также может выполнять дополнительный регулирующий клапан (элемент), то возможно осуществлять количественное регулирование отопления с учетом естественного повышения давления при наружных температурах ниже расчетной естественной. В этом случае система управления 16, открывая (или закрывая) основной регулирующий клапан 29, увеличивает (снижает) температуру воды подаваемой на отопление, а увеличивая (уменьшая) регулируемым приводом частоту вращения рабочего колеса насоса или открывая (закрывая) регулирующий клапан при нерегулируемом насосе увеличивает (уменьшает) циркуляционный расход воды и тем самым снижает (увеличивает) температуру воды на отопление так, чтобы поддерживалась температура воды на отопление равная максимальной принятой или расчетной  и внутренняя температура была равна заданной по уравнению (4) или по данным измерений внутренней температуры или выполнялся график регулирования определенный по совместному решению уравнений (8, 9-13) по которому, кроме поддержания постоянной температуры  также регулируемым насосом (или нерегулируемым насосом и регулирующим клапаном), обеспечивается расход воды на отопление в соответствии с графиком или выполняется график отопительной нагрузки (16).
t
G
G
G
< G
G
= G
τ
t
G
= G
τ
t
G
= G
t
> t
нк
о
о.мин
о
о.мин
о
о.мин
о1
вц
о
о.мин
о1
н1
о
о.мин
н
н1
При малых тепловых нагрузках и высоких температурах наружного воздуха, близких к температуре начала отопительного периода , возможна ситуация, когда необходимый по простому естественному регулированию расход воды  будет меньше минимального принятого или минимально допустимого  по гидравлической устойчивости системы, т.е. . В этом случае должно осуществляться качественное регулирование, при котором имеющийся в циркуляционном контуре отопления регулируемый насос 14 или нерегулируемый насос с регулирующим клапаном увеличивает расход воды на отопление до минимально допустимого , а основной клапан 29 изменяет расход прямой сетевой воды и, соответственно, температуру подаваемой на отопление воды  таким образом, чтобы внутренняя температура была равна заданной  по уравнению (4) или по данным измерений или выполнялся график регулирования определенный по совместному решению уравнений (6, 9-13) по которому минимальный расход воды на отопление  обеспечивается регулируемым насосом (или нерегулирумым насосом с регулирующим клапаном), а за счет регулирования клапаном 29 обеспечивается температура  в соответствии с графиком или выполнялся график отопительной нагрузки (16). Данное регулирование осуществляется при наружных температурах больших первой граничной наружной температуры  при которой , т.е. при наружных температурах .
В общем случае, при реализации графика естественного регулирования, если невозможно осуществить естественную циркуляцию, для обеспечения минимального расхода или максимальной температуры теплоносителя подаваемого на отопление за границами диапазона наружных температур естественной циркуляции выполняется рассмотренное выше насосно-естественное регулирование режима отопления, при котором регулируемым насосом дополнительно к естественному повышению давления осуществляется насосное повышение давления таким образом, чтобы обеспечить график естественного регулирования в виде зависимости температур и расхода теплоносителя от наружной температуры и/или необходимый отпуск тепла. При этом возможен вариант использования нерегулируемого насоса с отдельным регулирующим клапаном или использование в качестве регулирующего клапана дополнительного регулирующего элемента блока регулирования расхода.
Таким образом, график естественного регулирования отопления имеет диапазон наружных температур с естественной циркуляцией и за его пределами диапазон (диапазоны) наружных температур, в которых естественная циркуляция невозможна и осуществляется насосно-естественная циркуляция, в частности, для обеспечения максимальной температуры или минимального расхода.
Так как естественное повышение давления в системах отопления большинства многоэтажных зданий существует в любых режимах, а насосное повышение давления при графике естественного регулировании осуществляется в некоторых режимах с учетом естественного повышения давления, то какой график регулирования является естественным? Повышение давления необходимо для обеспечения циркуляции теплоносителя и оно затрачивается на преодоление сил внутреннего вязкого трения теплоносителя и трения его о стенки трубопроводов и элементов системы, вследствие чего имеются затраты механической (гидравлической) энергии на циркуляцию. Соответственно, если при регулировании отопления данные суммарные затраты энергии обеспечиваются естественным повышением давления в большей степени, чем насосным повышением, то весь график регулирования можно считать естественным, причем при расчете затрат энергии необходимо учитывать длительность стояния (повторяемость интервалов) температур наружного воздуха из справочных данных по климатологии для нормативного интервала наружных температур или полного интервала возможных температур данной местности.
Простое естественное регулирование отопления, осуществляемое рассмотренными выше четырьмя способами, позволяет более точно поддерживать заданную внутреннюю температуру и повысить тепловую устойчивость систем отопления за счет использования эффекта количественного саморегулирования, максимального при естественной циркуляции. Кроме того, учет при регулировании потоков теплового баланса позволяет дополнительно снизить затраты тепла на отопление и температуру обратной воды. Если система отопления здания подключена к внешней сети или к котельной, то это приводит к снижению тепловых потерь в сети, расхода сетевой воды, затрат энергии на источнике на ее транспортировку и увеличивает теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ.
Тепловую устойчивость систем отопления можно, по сравнению с простым естественным регулированием, увеличить еще в большей степени за счет эффекта саморегулирования, увеличив охлаждение воды в системе, разность плотностей воды и естественное гравитационное повышение давления путем осуществления графика расширенного естественного регулирования отопления. При расширенном естественном регулировании в циркуляционном контуре системы отопления создается регулируемое гидравлическое сопротивление и потери давления на нем, например, на дополнительном регулирующем клапане(ах), что приводит к уменьшению расхода естественной циркуляции, однако одновременно при этом для обеспечения необходимого отпуска тепловой энергии и заданной внутренней температуры увеличивается открытие основного регулирующего клапана, расход сетевой воды через него и в сеть отопления, согласно (9, 10-13), подается вода с большей температурой, а из сети выходит обратная вода с меньшей температурой.
Также, дополнительное снижение при расширенном естественном регулировании температуры обратной воды уменьшает тепловые потери во внешней сети, необходимый расход сетевой воды и затраты энергии на ее транспортировку, а также увеличивает теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ.
τ
G
t
G
τ
о1
о
в
о
о1
Расширенное естественное регулирование по схеме на фиг. 6¸ также соответствующее схеме №1 (фиг. 4), выполняется путем одновременного управления основным регулирующим клапаном(ми) 29 на трубопроводе сетевой воды 43 или/и 44 и дополнительным регулирующим клапаном(ми) 37 на трубопроводах 3 или/и 4 в узле подготовки. Открытие основного клапана 29 повышает температуру , увеличивает естественное повышение давления и расход , отпуск тепла и внутреннюю температуру  (и наоборот), а закрытие клапана 37 снижает расход  и температуру  воды на отопление, отпуск тепла и внутреннюю температуру (и наоборот).
G
= G
τ
τ
= τ’
τ
= τ
τ
= τ
G
о
о.мин
о1
о1
о1
о1
1
о1
1и
о
При регулировании по расширенному естественному графику при изменении температуры наружного воздуха либо выдерживается заданный или минимальный допустимый или возможный расход , в общем случае зависящий от наружной температуры, и изменяется температура воды на отопление  (диапазон естественно-качественного регулирования), либо выдерживается заданная или расчетная температуры воды на отопление  или имеющаяся (возможная) температура прямой сетевой воды  или воды от источника теплоносителя  и изменяется расход воды на отопление  (диапазон естественно-количественного регулирования).
G
= G
τ
= τ’
t
G
= G
= const
о
о.мин
о1
о1
нс
о
о.мин
Граничный режим между данными диапазонами, т.е. режим при котором одновременно имеется минимальный расход  и возможная или максимальная принятая и/или расчетная температура  воды на отопление соответствует режиму наружной температуре , называемой температурой смены способа регулирования расширенного графика. Частным случаем расширенного естественного графика является расширенный график регулирования при условии постоянства минимального расхода , не зависящего от наружной температуры [Пятин А.А. Новая модель регулирования – теоретическая основа высокоэффективного отопления // ЭКО-ТЭК. 2019. № 1 (70). С. 15–30. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/eko-tek_itog_70.pdf, Пятин А.А. Сбалансированное отопление – новые возможности эффективности и энергосбережения // ЭКО-ТЭК. 2018. № 3 (68). С. 23–34. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/1-68_3.pdf].
G
о.пе
о.мин
Указанные выше условия регулирования по расширенному естественному графику могут быть записаны в виде следующих неравенств – заданный расход на отопление или искомый расход при заданной температуре теплоносителя на отопление должен меньше, чем расход по простому естественному графику  и больше или равен минимальному расходу G
τ
τ
τ’
τ
о1
о1.пе
о1
1
1и
или искомая при заданном расходе или заданная температура теплоносителя на отопление  должна быть большей, чем температура по простому естественному графику  и меньшей или равной расчетной температуре  или текущей температуре τ подаваемого извне теплоносителя (для зависимых схем) или температуре  теплоносителя от источника (подогревателя отопления или котла)
G
G
> G
G
о.мин
о
о.мин
о.мин
В условиях, когда текущая температура воды поступающей из внешней сети недостаточна для регулирования при минимальном расходе , в зависимой схеме отопления по фиг. 6 приоткрывается дополнительный клапан 37 и за счет увеличения расхода естественной циркуляции  выполняется необходимый отпуск тепла. Аналогичное регулирование выполняется, если возможная в текущих условиях температура воды из подогревателя отопления или котла оказывается недостаточной для регулирования при минимальном расходе , то приоткрывается клапан 37 и происходит увеличение расхода теплоносителя и отпуска тепла.
В случае выполнения системы отопления здания, имеющего несколько частей со своими независимыми сетями отопления и применения для каждой части своего расширенного естественного графика регулирования из общего для всей системы блока БПТ 9 (участок АБ контура) может выходить вода на отопление с температурой, достаточной для обеспечения естественной циркуляции во всех частях системы, а имеющийся в каждой части блок регулирования расхода БРР 18 на основании измерений датчиков по сигналам системы управления 16 изменяет расход теплоносителя так, чтобы обеспечить необходимый график регулирования, отпуск тепла и/или заданную внутреннюю температуру в каждой части здания.
G
G
= G
τ
τ
τ
= τ’
о
о
о.мин
о1
о2
о1
о1
Расширенное естественное регулирование может осуществляться тремя рассмотренными выше способами для простого естественного регулирования, обеспечивающими поддержание заданной внутренней температуры – по уравнению для внутренней температуры (4) или по измерениям температуры внутреннего воздуха или используя уравнение отопительной нагрузки (16) или пятым способом – путем выполнения расширенного графика регулирования, определенного решением уравнений (10-13, 14), по которому заданный  или минимальный расход  воды на отопление обеспечивается в основном дополнительным клапаном 37, а за счет регулирования клапаном 29 обеспечивается в основном температура  или  или заданная или расчетная температура  воды на отопление в соответствии с графиком.
Потери давления на дополнительном регулирующем клапане 37 являются бесполезными потерями энергии при расширенном естественном регулировании и их в некоторых случаях можно полезно использовать для генерации электроэнергии, например, для собственных нужд процесса регулирования. Для этого в циркуляционном контуре отопления может устанавливаться регулируемый гидрогенератор или регулируемый обратимый электронасос, способный работать в режиме генератора. Регулирование гидравлического сопротивления гидрогенератора или насоса может осуществляться, например, изменением положения управляемых элементов проточной части – направляющего аппарата статора или лопаток ротора или изменением внешней электрической нагрузки.
Например, при имеющихся в клапане 37 потерях давления до 5-7 кПа расход воды равный 1 л/с (3,6 т/ч) при КПД генератора 0,7 (70%) дает при его использовании вместо клапана вырабатываемую электрическую мощность порядка 3,5-5 Вт и, применяя систему накопления электроэнергии, ее можно расходовать на привод исполнительных элементов системы управления. Это снижает зависимость системы регулирования от внешнего электроснабжения и повышает надежность отопления.
Рассмотренные выше пять вариантов способа естественного регулирования отопления возможны также в системах, в которых происходит нагрев теплоносителя отопительного контура в подогревателе отопления внешним теплоносителем (сетевой водой) или в топливном или электрическом водогрейном котле, в том числе с гидравлическим разделителем или аккумулирующим баком между контуром воды через котел и циркуляционным контуром системы отопления.
τ
t
t
τ
τ
G
о1
в
вц
о1
о2
о
При использовании подогревателя отопления простое естественное регулирование осуществляется основным регулирующим клапаном(ми) 29, установленном на трубопроводе 43 и/или 44 сетевой воды в подогреватель и система управления отоплением, открывая или закрывая 29, изменяет расход сетевой воды в подогреватель и температуру нагретой воды  отопительного контура, поступающей по трубопроводу 3 из подогревателя в сеть отопления таким образом, чтобы в контуре осуществлялась естественная циркуляция и температура внутреннего воздуха , определенная по уравнению (4) или по данным измерений, была равна заданному значению  или выполнялся заданный график простого естественного регулирования определенный из уравнений (9-13, 15) и при текущей температуре наружного воздуха в соответствии с графиком обеспечивалась температура воды на отопление  или температура обратной воды  или расход воды  или выполнялся график отопительной нагрузки (16).
τ
t
о1
в
При использовании в системе отопления водогрейного котла при простом естественном регулировании температура нагретой воды , поступающей по трубопроводу 3 из котла в сеть отопления изменяется регулированием подачи в водогрейный котел топлива или электроэнергии соответствующим регулятором таким образом, чтобы в отопительном контуре осуществлялась естественная циркуляция и температура внутреннего воздуха , определенная по (4) или по данным измерений, была равна заданному значению или выполнялся заданный график простого естественного регулирования или график отопительной нагрузки (16).
δp’
δp’
δp’
вк
по
цт
Водогрейный котел или подогреватель отопления могут иметь высокое гидравлическое сопротивление (коэффициент сопротивления) и расчетные потери давления или , сравнимые с расчетными потерями давления  в циркуляционном трубопроводе – нерегулируемых элементах, участках и отопительных приборах контура системы отопления или значительно выше их. В этом случае включение котла или подогревателя в контур отопления приводит к увеличению необходимого охлаждения воды, естественного повышения давления и к снижению расхода, который может оказаться ниже минимально допустимого в значительной области диапазона наружных температур, а вследствие увеличения температуры воды подаваемой на отопление, происходит повышение расчетной наружной естественной температуры. Кроме того, котел может отдавать теплоноситель в другие системы теплопотребления здания (горячее водоснабжения, теплые полы и т.д.) с другими режимами работы и гидравлическими характеристиками.
Для уменьшения или исключения влияния на гидравлический режим работы системы отопления потерь давления в котле и режимов работы других теплопотребляющих систем между контуром циркуляции воды через котел, имеющим свой насос и циркуляционным контуром системы отопления иногда устанавливают коллектор малого перепада давления – гидравлический разделитель. В гидравлическом разделителе имеется почти нулевое падение давления между подающими трубопроводами 43 (3) и обратными трубопроводами 44 (4), а так как подающие и обратные трубопроводы расположены в разделителе почти напротив друг друга, теплоноситель может двигаться через разделитель практически без процесса смешивания, т.е. без подмешивания обратной воды в поток воды на отопление. Коллектор малого перепада давления также может быть в виде емкости большого объема – аккумулирующего бака, в этом случае запас нагретой воды в нем является резервным запасом теплоносителя для аварийных ситуаций, например, отключения котла, или использоваться в периодическом режиме работы котла (отопительной печи).
При использовании в системе отопления водогрейного котла и гидравлического разделителя (или аккумулирующего бака) простое естественное регулирование выполняется аналогично регулированию для котла и из-за практического отсутствия потерь давления график естественного регулирования при наличии гидравлического разделителя (или бака) близок к графику для систем отопления с узлом смешивания.
Другим способом уменьшения гидравлических потерь давления в подогревателе отопления или котле при их большой величине является создание узла смешивания на выходе теплоносителя из подогревателя или из котла в сеть отопления здания. В этом случае вследствие направления части общего расхода воды на отопление по трубопроводу подмешивания АБ 45 в т. А, уменьшается расход воды через подогреватель или котел и потери давления в нем, а необходимый отпуск тепла на отопление обеспечивается увеличением нагрева воды в подогревателе или котле.
t’
н.е
В схемах с использованием имеющего значительное гидравлическое сопротивление источника теплоносителя – подогревателя или котла и при их присоединении к сети отопления здания через узел смешивания или котла через коллектор малого перепада давления гидравлическое сопротивление блока нагрева системы отопления уменьшается и это позволяет увеличить диапазон наружных температур с естественным регулированием за счет уменьшения расчетной наружной естественной температуры . Охлаждение воды в сети отопления при этом снижается, однако, из-за меньших расчетного 100%-го уровня расходов воды оно тем не менее остается большим, чем охлаждение воды при нормативном температурном графике (например, 95/70 °С) качественного регулирования отопления с постоянным расчетным расходом и поэтому в данных схемах эффекты количественного саморегулирования, повышения тепловой устойчивости системы, стабильности поддержания внутренней температуры и повышения качества отопления сохраняются.
τ
о1
Простое естественное регулирование отопления от подогревателя или котла при наличии узла смешивания в отопительном контуре выполняется путем регулирования температуры воды , поступающей по трубопроводу 3 из т. А узла смешивания в сеть отопления изменением степени открытия регулирующего клапана подмешивания на трубопроводе АБ 43 и расхода подмешиваемой обратной воды в т. А или/и изменением открытия регулирующего клапана источника теплоносителя, находящегося на трубопроводе 3 или 4 из источника теплоносителя – коллектора малого перепада давления, подогревателя или котла до трубопровода подмешивания АБ 43 и изменяющего расход воды через источник, или/и за счет трехходового регулирующего клапана, находящегося в т. А или т. Б узла смешивания и изменяющего соотношение расходов по трубопроводу подмешивания и через источник теплоносителя. Установка регулирующего клапана источника теплоносителя может быть обусловлено необходимостью дополнительного снижения расхода воды через источник в некоторых режимах работы схемы, в которых для дальнейшего уменьшения расхода через источник оказывается недостаточно полного открытия регулирующего клапана подмешивания.
τ
τ
τ
τ
τ
= τ’
= const
τ
≥ τ’
о1и
о1
о1и
о1.пе
о1и
о1и
о1и
о1
При этом основной регулирующий клапан 29, находящийся на сетевом трубопроводе 43 или 44 в подогреватель отопления, должен изменять через него расход сетевой воды, а регулятор котла должен изменять расход топлива или электроэнергии в котел так, чтобы температура воды  на выходе источника теплоты – подогревателя или котла была равна или выше температуры воды на отопление , необходимой по графику простого естественного регулирования, т.е.  ≥ . Возможен вариант работы, когда на выходе подогревателя или котла поддерживается постоянная и расчетная температура воды , равная или выше расчетной температуре воды на отопление, т.е .
τ
>> τ’
о1и
о1
Вариантом системы с практически постоянной температурой воды от источника является система с аккумулирующим баком между котлом и контуром отопления с узлом смешивания. В данной системе, после нагрева котлом находящейся в баке воды до температуры существенно выше расчетной температуры воды на отопление, т.е. до  затем возможно, используя тепловую энергию накопленную за счет большего нагрева воды отпускать тепло при неработающем котле определенное время по естественному графику за счет остывания воды в баке без ухудшения качества отопления. При этом котел эксплуатируется в периодическом режиме включения и выключения, как отопительная печь. Также, если котел имеет газотрубную конструкцию с большим водяным объемом, этот объем может выполнять функцию аккумулирующего бака, а узел смешивания позволяет быстрее изменять режим отопления, чем режим работы котла. Кроме того, возможно выполнение подогревателя отопления с подключенным к нему узлом смешивания и с большим объемом подогревателя со стороны нагреваемого теплоносителя системы отопления. В этом случае данный объем также играет роль аккумулирующего бака, отпускающего теплоноситель аналогично котлу с большим водяным объемом.
Естественное регулирование по расширенному естественному графику также может осуществляться в системах отопления с подогревателем отопления или с водогрейным котлом, в том числе с гидравлическим разделителем, имеющих узлы смешивания на выходе подогревателя, котла или гидравлического разделителя, для чего в контуре отопления на трубопроводах 3 и/или 4 на выходе подогревателя, котла, разделителя или узла смешивания должен устанавливаться дополнительный регулирующий элемент – дополнительный регулирующий клапан(ы) или регулируемый гидрогенератор или регулируемый обратимый электронасос.
G
G
= G
τ
τ
τ
= τ’
о
о
о.мин
о1
о2
о1
о1
В данных схемах расширенное естественное регулирование, обеспечивающее поддержание заданной внутренней температуры, осуществляется дополнительным регулируемым клапаном, гидрогенератором или обратимым насосом в режиме генератора путем изменения их гидравлического сопротивления, что позволяет изменять расход воды на отопление  или поддерживать минимальный расход , и регулированием клапана 29 на входе в подогреватель, регулирующих клапанов источника, на перемычке или/и трехходового клапана в узле смешивания и регулятора расхода топлива или электроэнергии в котел, что позволяет изменять температуру  или  по графику регулирования или поддерживать расчетную температура  воды подаваемой на отопление.
При этом регулирование выполняется по уравнению (4), позволяющему оценить внутреннюю температуру или по данным измерений внутренней температуры или путем выполнения заданного графика расширенного естественного регулирования, определенного совместным решением уравнений (10-13, 14) или по уравнению отопительной нагрузки (16) при выполнении условий (19, 20).
Простое естественное регулирование рассмотренными выше четырьмя вариантами способа (по рассчитанной или измеренной внутренней температуре, по графику отопительной нагрузки или по простому естественному графику) возможно в следующих схемах.
1. Отопление от сети или котельной с узлом смешивания.
2. Отопление от сети или котельной с подогревателем отопления.
3. Отопление от сети или котельной с подогревателем и с узлом смешивания.
4. Отопление от котла – топливного или электрического.
5. Отопление от котла с узлом смешивания.
6. Отопление от котла с коллектором малого перепада давления.
7. Отопление от котла с коллектором малого перепада и с узлом смешивания.
Расширенное естественное регулирование также возможно четырьмя вариантами способа (три – как при простом регулировании и четвертый – по расширенному естественному графику) в указанных схемах, если на трубопроводах контура в узле подготовки имеется регулируемое гидравлическое сопротивление – дополнительный регулирующий клапан(ы) или/и регулируемый гидрогенератор или/и регулируемый обратимый электронасос или/и заменяемое или вводимое в поток теплоносителя по меньшей мере одно постоянное гидравлическое сопротивление.
Возможность осуществления способа естественного регулирования показана на примере реального здания – кирпичного десятиэтажного одноподъездного 73-х квартирного жилого дома в г. Кирове [Пятин А.А. Новая модель регулирования – теоретическая основа высокоэффективного отопления // ЭКО-ТЭК. 2019. № 1 (70). С. 15–30. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/eko-tek_itog_70.pdf; Пятин А.А. Сбалансированное отопление – новые возможности эффективности и энергосбережения // ЭКО-ТЭК. 2018. № 3 (68). С. 23–34. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/1-68_3.pdf] путем расчетного моделирования и анализа режимов работы его системы отопления при различных вариантах способа естественного регулирования и схемах узла подготовки теплоносителя.
τ’
τ’
θ’
k
n
p =
о1
о2
нсо
3
Система отопления дома двухтрубная с нижним расположением магистралей и со стояками, к которым подключены отопительные приборы – радиаторы МС-140. Она получает теплоноситель от центрального теплового пункта, проектный температурный график системы / = 95/70 °С при проектной расчетной отопительной нагрузке 361,0 кВт и потерях гидравлического напора 1,2 м вод. ст., что при средней плотности воды 970 кг/м соответствует расчетным потерям давления 11,415 кПа при расходе 3,440 кг/с (12,4 т/ч). Расчетное охлаждение воды  = 25 °C, а по анализу данных отопительного периода 2017/2018 гг. коэффициент номинального состояния системы  = 1,17 (117%), степенные показатели температурной и расходной нелинейности теплопередачи системы отопления  = 0.22, 0,07.
τ’
/τ’
H
H
1
2
со
е
е
Для анализа различных схем и режимов регулирования условно принято, что тепловой пункт здания имеет узел смешивания или подогреватель отопления и подключен к тепловой сети г. Кирова, в которой применяется температурный график  = 150/70 °С со срезкой на 130 °С и спрямлением при 77 °С либо имеет водогрейный котел. При высоте расположения ОП верхнего этажа 27,55 м и уровне центра нагрева (т. А) минус 2,0 м высота системы отопления дома  = 29,55 м, а естественный гидравлический напор  = 14,27 м. Данный напор создает расчетное естественное повышение давления Δp’ = 2,222 кПа и, соответственно, проектные гидравлические потери давления в гидравлической сети системы отопления составляют 13,637 кПа.
Q’
=
G’
δp’
δp’
о
о
со
цт
Дом имеет хорошую теплозащиту – полученная из обработки архива показаний теплосчетчика отопления фактическая расчетная отопительная нагрузка составила в 2013 году 214,2 кВт, а после энергосберегающих мероприятий снизилась до 113,7 кВт в 2018 году. Данная величина соответствует расчетному расходу воды на отопление  = 1,083 кг/с и расчетным потерям давления в сети отопления (на выходе узла подготовки) 1,537 кПа. С учетом потерь давления в трубопроводах 3 и 4 в узле подготовки расчетные потери давления в контуре сети отопления между т. А и т. Б составили  = 1,964 кПа. Также, при расчетном расходе подмешивания по перемычке и потерях давления на ней 0,129 кПа расчетные потери давления в циркуляционном трубопроводе составили  = 2,093 кПа и оказались примерно равны расчетному естественному повышению давления.
t
t
Δt’
u’
μ’ =
Q’
Q’
Q’
+ Q’
+ Q’
вр
но
тв
инс
аэр
наг
дин
По [Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 №354 (ред. от 29.06.2020) «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов»; СП 131.13330.2012 Строительная климатология] для г. Кирова для жилых зданий внутренняя расчетная температура  = 20 °С, расчетная наружная отопительная  = -33 °С, для примера дома среднелогарифмический расчетный температурный напор составил  = 61.66 °C, для расчетного режима: коэффициент инжекции  = 2.23,коэффициент инфильтрации  6,17% [Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – М.: Изд-во МЭИ, 2001] и определенные по удельной заселенности дома расчетные внутренние тепловыделения  = 65,0 кВт, принята расчетная теплота инсоляции  = 0 кВт, как и другие потоки теплового баланса  = 0 кВт.
Расчетное моделирование режимов работы системы отопления примера дома выполнялось по уравнению режимов отопления, теплогидравлическому уравнению отопления (8) и новому уравнению (10) качественно-количественного регулирования [Пятин А.А. Новая модель регулирования – теоретическая основа высокоэффективного отопления // ЭКО-ТЭК. 2019. № 1 (70). С. 15–30. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/eko-tek_itog_70.pdf; Пятин А.А. Сбалансированное отопление – новые возможности эффективности и энергосбережения // ЭКО-ТЭК. 2018. № 3 (68). С. 23–34. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/1-68_3.pdf].
t
вц
Для анализа режимов регулирования была задана целевая температура внутреннего воздуха  = 23 °С, находящаяся в допустимом диапазоне температур 20…24(26) °С [Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 №354 (ред. от 29.06.2020) «О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов»].
t
н
На фиг. 5 над рассмотренной ранее схемой зависимой системы отопления по блок-схеме №1 (фиг. 4) с узлом смешивания показан полученный для примера здания график давлений теплоносителя при движении по системе при наружной температуре  = -30 °С при естественном регулировании. Уровень давления в системе отопления должен быть достаточным для заполнения ее водой, но на графике для упрощения условно принято, что давление в обратном трубопроводе 44 на выходе из узла подготовки оно равно 1 кПа, а на входе в подающем трубопроводе 43 равно 3 кПа (для зависимых схем). При движении воды по трубопроводам из внешней сети (линии Т1, Т2) и трубопроводам циркуляционного контура (линии То1, То2) ее давление в направлении течения падает, также давление падает в основном регулирующем клапане 29 (линия dP.РКо), на перемычке АБ 45 (линия dP.пм) и в отопительных приборах (линия dP.оп). Повышение давления в контуре отопления происходит только естественным образом в стояках системы (линия dP.е), причем это повышение, как и потери в отопительных приборах, условно показано происходящим в дальнем стояке системы.
На фиг. 6 показана обеспечивающая возможность регулирования как по простому, так и по расширенному естественному графику зависимая схема системы отопления по блок-схеме №1 (фиг. 4) с узлом смешивания, которая отличается от схемы на фиг. 5 наличием и использованием дополнительного регулирующего клапана 37 на обратном трубопроводе 4 и вспомогательного циркуляционного насоса 14 с частотно-регулируемым приводом, включенного «в линию» на трубопроводе 3. Возможность включения насоса «в линию» возможна при малых потерях давления на гидравлической части неработающего насоса в диапазоне минимальных расходов воды расширенного графика.
На фиг. 6 над схемой системы отопления также показан график давлений теплоносителя для расширенного естественного графика регулирования при двух режимах – при наружной температуре -30 °С, когда есть только естественное повышение давления и при температуре -35 °С, при которой имеется дополнительное повышение давления в насосе 14.
i
Q
Q
Q’
Q’
Q’
+ Q’
Q
Q
Q
Q’
Q
А
Q
Q
Q
Q
Q
Q
i =
t
t’
t
бал.
i
i
бал
бал
о
тв
бал
бал.
i
i
бал
бал
i
i
бал.т
бал.т
о
тв
инс
нач
н
нач
На фиг. 7 приведен тепловой баланс процесса отопления здания в зависимости от температуры наружного воздуха в виде величин относительных балансовых -хпотоков тепла  = /, где  =  = 113,7 + 65,0 = 178,7 кВт – расчетная балансовая мощность, суммарно  = ∑ = ∑/ (линия ) и в виде долей потоков в общем балансе  = /, где  =  +  [+ ] – текущая балансовая мощность процесса отопления, а индекс {о, тв, т, и, инс, …} принимается по уравнению (2). Для здания принято [Пятин А.А. Сбалансированное отопление – новые возможности эффективности и энергосбережения // ЭКО-ТЭК. 2018. № 3 (68). С. 23–34. http://www.energy-saving.ru/uploads/files/1-68_3.pdf], что инсоляция и аэрация не учитываются, естественная вентиляция обеспечивается инфильтрацией, коэффициент инфильтрации с повышением наружной температуры возрастает вследствие увеличения проветривания помещений и температура начала отопления  =10 °С, а вследствие внутренней температуры 23 °С расчетная наружная температура повысилась до = -30 °С (линия t’н). Из фиг. 7 видно, что с повышением наружной температуры уменьшается доля теплопоступления от системы отопления – линия А.о и увеличивается доля тепловыделений – линия А.тв, которая при температуре  становится равна 100%. При этом уменьшается доля потерь теплопередачей – линия А.т, и увеличивается доля затрат тепла на инфильтрацию – линия А.и.
Q
t
бал.
о
нк
На фиг. 7 показана зависимость относительной балансовой отопительной мощности  (линия Q.бал.о) от наружной температуры по уравнению (16) начиная с наружной температуры начала отопительного периода  = 8 °С (линия t.нк), выполнение которой должен обеспечить способ естественного регулирования, а также величины других относительных балансовых потоков тепла (мощностей).
Q
Q
отн
отн.н
Также, на фиг. 7 приведен график относительной отопительной нагрузки (линия Q.отн) и, для сравнения, график относительной отопительной нормативной нагрузки (линия Q.отн.н) по (16) – при заданной целевой внутренней температуре и без учета тепловыделений (дополнительных потоков) и инфильтрации, характеризующий режим регулирования по обычно применяемому нормативному отопительному температурному графику качественного регулирования с постоянным расходом теплоносителя. Видно, что учет тепловыделений приводит к уменьшению необходимой отопительной мощности и к экономии затрат тепла на отопление, а отсутствие учета вызывает перегрев помещений и избыточный отпуск тепла (перетоп).
τ
τ
τ’
τ
t
о1
о1
о1
о1
в
На фиг. 8 приведена диаграмма возможных режимов отопления в виде зависимостей температуры воды подаваемой на отопление и обратной воды, температуры внутреннего воздуха, естественного повышения давления и потерь давления в системе (сети) отопления при температуре наружного воздуха изменяющейся от +10 до -40 °С когда в сеть отопления здания подается вода с постоянной температурой  = 95 °С, а относительный расход воды изменяется от 140% до 2% расчетного. Показана линия температуры воды на отопление  =  = 95 °С и в зависимости от расхода через интервал наружной температуры 10 °С показаны линии температур  обратной воды и линии температур  внутреннего воздуха.
е
е
цк
ц
к
о.пе
е
о.пе
цк
о.пе
dP
p
dP
G
p
G
δp
G
При любой температуре наружного воздуха с понижением расхода снижается температура обратной воды, увеличивается охлаждение воды и снижается температура внутреннего воздуха. Одновременно, при увеличении охлаждения воды увеличивается естественное повышение давления Δp, показанное линиями . С другой стороны практически по квадратичному закону уменьшаются потери давления в циркуляционном контуре δ системы отопления здания, показанные линией . Указанные зависимости пересекаются в точке, характеризующей простой естественный режим работы системы отопления при отопительном естественном расходе , при котором естественное повышение давления равно потерям в трубопроводе Δ() = () и этот режим единственен, устойчив, зависит от наружной температуры и от температуры поступающей воды. Он однозначно определяет температуру обратной воды и температуру внутреннего воздуха в здании, причем с понижением наружной температуры увеличивается охлаждение воды, снижается температура внутреннего воздуха и температура обратной воды, увеличивается естественное повышение давления и расход воды в системе.
τ
τ
t
τ
t
о1
о1
в
о2
в
На фиг. 9 показана диаграмма режимов простого естественного регулирования отопления здания в виде зависимостей температуры внутреннего воздуха и температуры обратной воды от температуры и расхода воды подаваемой на отопление и от температуры наружного воздуха при температурах подаваемой на отопление воды  = 20…110 °С, которая для удобства разделена на две части – на - диаграмму и - диаграмму. На каждой диаграмме есть области температур внутреннего воздуха и воды, значение которых зависит от температуры и расхода воды на отопление при заданной температуре наружного воздуха.
t
t
τ
t
н
н
о2
в
Задание температуры подаваемой воды при известной температуре наружного воздуха позволяет по данной диаграмме определять возникающий естественный расход воды и температуру обратной воды, а также температуру внутреннего воздуха. Это дает возможность увидеть границы простого и расширенного естественного регулирования отопления при изменении условий регулирования. Например, при наружной температуре  = -10 °С перемещаясь по изолинии  = const на - диаграмме можно видеть, что при повышении температуры воды на отопление от 20 °С до 95 °С, естественный расход возрастает от 27,0% до 97,3%, температура внутреннего воздуха возрастает от 10,1 °С до 34,8 °С и температура обратной воды увеличивается от 13,9 °С до 72,9 °С.
И наоборот, задав внутреннюю температуру и проведя горизонтальную линию в области внутренних температур можно получить зависимость необходимой температуры воды на отопление, ее расхода и получающейся температуры обратной воды от температуры наружного воздуха, тем самым однозначно определив график качественно-количественного простого естественного регулирования отопления для заданной внутренней температуры.
t’
не
На фиг. 9 построены линии графиков простого естественного регулирования отопления – для нормативной внутренней температуры 20 °С и заданной внутренней температуры 23 °С, из которых следует, что для нормативной внутренней температуры простое и, соответственно, расширенное естественное регулирование возможно в интервале наружных температур от +5,7 до -37,6 °С, а при внутренней температуре 23 °С этот интервал составляет от +10,0 до -32,7 °С, т.е. до расчетной наружной естественной температуры  = -32,7 °С.
На фиг. 10 приведены графики режимов простого естественного регулирования отопления для схемы на фиг. 5 – график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления в контуре отопления с учетом температурного графика внешней сети.
t
t
t
.
t’
ни
н.ср
в
н.
е
На первом графике – графике качественно-количественного регулирования в зависимости от температуры наружного воздуха начиная с температуры начала отопительного периода 8 °С (линия t.нк) показаны температура прямой сетевой воды (линия Т1), имеющая точку излома при наружной температуре  = 0,4 °С (линия t.ни) и срезку на 130 °С при наружной температуре срезки  = -23,8 °С (линия t.нср); температура внутреннего воздуха  = 23 °С (линия tв) и температуры воды на отопления (линия То1.пе) и обратной воды (линия То2.пе), а также относительный расход воды на отопление (линия Gо.пе) для простого естественного графика регулирования, причем учитывалось гидравлическое сопротивление перемычки АБ 45 и расчетная естественная температура равна  = -32,7 °С. Также показана средняя (среднелогарифмическая) температура воды (линия То.ср) и расходы воды из городской сети системы централизованного теплоснабжения (линия G.сцт) и воды по перемычке АБ 45 (линия G.пм) в единицах относительного расхода (13), сумма которых равна расходу воды на отопление (линия Gо.пе).
На графике регулирования на фиг. 10 и далее на других графиках для режимов простого естественного регулирования для сравнения дополнительно показаны нормативные температуры воды на отопление (линия То1.н), обратной воды (линия То2.н) и постоянного относительного нормативного расхода воды на отопление (линия G.о.н), равного 100% для обычно используемого в многоквартирных зданиях нормативного температурного графика 95/70 °С качественного регулирования отпуска тепла на отопление. Видно, что из-за меньшего 100% относительного расхода воды для графика простого естественного регулирования охлаждение воды при данном графике больше, чем при нормативном графике качественного регулирования, что приводит к увеличению эффекта количественного саморегулирования и повышению тепловой устойчивости системы отопления.
Кроме того, на фиг. 10 показан график простого естественного регулирования для относительной нормативной отопительной нагрузки (см. фиг. 7) без учета дополнительных тепловых потоков (внутренних тепловыделений), т.е. теплового баланса отопления. Данный график изображен линиями температуры воды на отопления (линия То1.пе.н) и обратной воды (линия То2.пе.н), а также относительного расхода воды на отопление (линия Gо.пе.н) и из него также видно что и без учета теплового баланса отопления применение простого естественного графика регулирования приводит по сравнению с нормативным графиком к большему охлаждению теплоносителя (из-за уменьшения необходимого расхода) и к увеличению эффекта саморегулирования и тепловой устойчивости системы отопления.
δp
Δp
δp
δp
δp
Δp
δp
А
Δp
δp
А
Δp
δp
А
А
t
А
А
со
i
со
i
со
н
н
цк
е
е
цк
н
е
нач
е
н
Второй график – график потерь  и повышений  давления в циркуляционном контуре системы отопления построен в относительных единицах от расчетной потери давления ’ в сети отопления (между т. А и т. Б), т.е. в величинах отношений /’ или /’. Так как естественное повышение давления возникает всегда, также можно использовать относительные доли насосного повышения давления  = / и естественного повышения  = /, сумма которых равна единице  +  = 1 (100%). График изменений давления имеет линию полных потерь давления в циркуляционном контуре (линия dP.цк.пе), которые при простом естественном регулировании состоят из потерь в трубопроводе сети отопления (линия dP.со) и на перемычке АБ (линия dP.пм). Повышение давления в контуре при наружных температурах от температуры начала отопления  = 10 °С до расчетной наружной естественной температуры (линия t’не) происходит естественным образом (линия dP.е), при котором относительная доля  = 1 (линия А.е = 100%), а при более низкой температуре при переходе к естественно-количественному регулированию включается циркуляционный насос 14, увеличивается повышение давления в нем (линия dP.н), возрастает его доля  (линия А.н), однако, естественное повышение давления сохраняется.
Указанные на фиг. 10 обозначения линий температур, расходов и изменений давления используются далее на графиках режимов естественного регулирования для других схем систем отопления.
τG-
dPG
На фиг. 11 приведены построенные для здания диаграммы возможных режимов отопления – диаграмма «Температура воды или воздуха – относительный расход» и -диаграмма «Повышение или потери давления – относительный расход». На диаграммах показаны графики расширенного естественного и простого естественного регулирования и их взаимосвязь по тепловым и гидравлическим характеристикам процесса отопления.
τG-
t
G
t
в
отн.мин
нс
Первая – диаграмма построена на основе уравнения регулирования (10) и на ней для постоянных температур наружного воздуха в интервале от 8 °С до -40 °С изображены изолинии необходимых температур воды на отопление (линии То1), возрастающие с уменьшением относительного расхода и температур обратной воды отопления (линии То2), при уменьшении расхода стремящиеся к линии заданной внутренней температуры  = 23 °С. Пример расширенного естественного графика регулирования с принятым постоянным относительным минимальным расходом =30% показан линиями То1.ре и То2.ре с диапазоном качественного регулирования от наружной температуры 8 °С до температуры смены способа регулирования  = -16,4 °С и диапазоном количественного регулирования с постоянной температурой воды на отопление 95 °С при более низких наружных температурах. График простого естественного регулирования показан линиями То1.пе, То2.пе и Gо.пе.
dPG -
τG
τG-
t
н
Вторая – диаграмма построена на основе -диаграммы и показывает величину естественного повышения давления (линии dP.ец) при известной наружной температуре, заданном относительном расходе и получающейся из диаграммы разности температур и плотностей воды, а также гидравлические потери в циркуляционном трубопроводе (линии dP.цт) при  = 8 °С и -33 °С. На диаграмме показан график простого естественного регулирования (линия dP.пе), совпадающий с линией dP.е естественного повышения давления равного потерям в циркуляционном трубопроводе dP.цт, а также линия dP.ре естественного повышения давления при расширенном графике, превышающая линию dP.пе и данное превышение давления должно теряться в дополнительном регулирующем клапане (элементе) 37 в циркуляционном контуре отопления. При наружной температуре ниже расчетной естественной гидравлические потери в контуре превышают естественное повышение давления и это превышение давления должно обеспечиваться работой насоса с регулируемым приводом или нерегулируемым насосом и регулирующим клапаном.
На фиг. 12 приведены графики режимов расширенного естественного регулирования для схемы на фиг. 6 при минимальном относительном расходе воды 30%, представленные в виде графика температур и расходов воды и графика относительных изменений и долей повышения давления в контуре отопления, аналогичные графикам на фиг. 10. Также справочно показаны линии температур и относительного расхода воды на отопление для графика простого естественного регулирования.
Из графика температур и расходов – графика качественно-количественного регулирования видно, что уменьшение расхода при расширенном естественном регулировании дополнительно увеличивает гидравлическую устойчивость системы отопления за счет эффекта количественного саморегулирования и снижает температуру обратной воды, что уменьшает потери тепловой энергии в сети, затраты электроэнергии в сетевых насосах источника и повышает теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ.
t
н1
На графике изменения давлений на фиг. 12 потери давления в циркуляционном контуре (линия dP.цк.ре), состоящие из потерь в сети отопления (линия dP.со), на перемычке (линия dP.пм) и потерь в дополнительном регулирующем клапане (линия dP.ркд) равны в сумме естественному повышению давления (линия dP.е) в интервале наружных температур от первой граничной температуры  = 8,2 °С (линия t.н1) до расчетной естественной температуры (линия t’не), т.е. в этом интервале А.е = 100%. При наружных температурах ниже расчетной естественной или выше первой граничной необходимое для обеспечения заданного расхода повышение давления обеспечивается дополнительным ростом давления в насосе (линия dP.н).
Первая граничная наружная температура всегда возникает при пересечении линии минимального расхода и линии расхода естественного графика регулирования, которая стремится к нулевому значению при температуре начала отопления.
На фиг. 13 показана обобщенная схема зависимого подключения системы отопления здания к внешней сети или котельной, имеющая узел смешивания, которая позволяет осуществить простой и расширенный естественные графики регулирования отопления. В схеме имеется находящийся на трубопроводе внешнего теплоносителя 43 и/или 44 в узле подготовки управляющий расходом сетевой воды основной регулирующий клапан 29, причем вместо одного клапана их может быть несколько, подбираемых исходя из рекомендуемых условий их работы. В циркуляционном контуре системы на подающем 3 и/или обратном трубопроводе 4 сети отопления устанавливается датчик расхода воды 20 или устанавливаются оба датчика для контроля утечек или датчик(и) расхода 20 могут устанавливаться на трубопроводах 43 и/или 44, а расход воды в сеть отопления определяется из теплового и материального баланса узла смешивания. На выходе трубопроводов 3 и 4 из узла подготовки, а также выходе трубопроводов 43 и 44 во внешнюю сеть устанавливаются датчики 15 параметров состояния теплоносителя – датчики температуры, а также возможны, датчики давления, для повышения точности расчета тепловой энергии. Регулирование температуры воды, подаваемой на отопление, может также осуществляться трехходовым клапаном 49, устанавливаемым в точке смешивания А (клапан слияния) или/и точке разветвления Б (клапан разделения) потоков. На трубопроводе подмешивания между т. А и т. Б для исключения обратных перетоков воды при пуске системы может устанавливаться обратный клапан 50 или управляемый запорный кран или регулирующий клапан подмешивания 51, позволяющий также управлять расходом подмешивания. Данная схема под управлением автоматизированной системы 16 по измеренным данным датчиков параметров теплоносителя 15, датчиков внешних условий и внутренних параметров теплового баланса 47, датчиков температуры наружного воздуха 46 и, при необходимости, внутреннего воздуха 48 позволяет осуществлять график простого естественного регулирования отопления. Для осуществления графика расширенного естественного регулирования в схеме узла подготовки 1 имеется дополнительный регулирующий клапан (клапаны) 37 на трубопроводе отопления 3 или 4, который также может устанавливаться на отдельной байпасной линии в обход запорного крана на основном трубопроводе отопления или запорный кран устанавливается на байпасной линии (трубопроводе) в обход клапана 37.
Также в схеме на фиг. 13 показан циркуляционный насос 14 с частотно-регулируемым приводом на трубопроводах контура отопления 3 или/и 4, который может устанавливаться «в линию» или на байпасной (обводной) линии в обход обратного клапана 21 (пример – на трубопроводе 3), например, при больших расходах теплоносителя. Вместо или дополнительно к клапану 37 в схеме может быть установлен регулируемый или нерегулируемый гидрогенератор 38, представляющий собой гидравлическую машину с электрогенератором, передающую электрическую энергию в систему преобразования и аккумуляции электроэнергии (СПАЭ) 52. Накопленная в системе 52 электроэнергия может использоваться для работы системы управления 16 и регулирующих клапанов. Система управления и генератор 52 могут выполняться с возможностями управления, и в этом случае он будет выполнять функцию дополнительного регулирующего клапана 37. Как вариант, насос 14 может быть выполнен в виде обратимой регулируемой электрогидравлической машины (обратимого насоса) 39, в этом случае он может выполнять функции регулирующего клапана 37, регулируемого насоса 14 или гидрогенератора 38.
На фиг. 13 также дополнительными серыми линиями показано выполнение системы отопления с несколькими частями при общем блоке повышения температуры 9 (фиг. 1, 2) – узле смешивания 32 (фиг. 4) и отдельными для каждой части блоками регулирования расхода 18 (фиг. 2), состоящими из датчика(ов) расхода, дополнительных регулирующих клапанов и/или гидрогенераторов и/или обратимых насосов, датчиков параметров теплоносителя, которые позволяют независимым регулированием расхода воды на отопление через каждую часть при естественной циркуляции обеспечить необходимый для данной части расширенный график регулирования, отпуск тепла и/или заданную температуру внутреннего воздуха.
Приведенные на фиг. 5, фиг. 6 схемы и на фиг. 13 обобщенная схема для зависимого, с узлом смешивания для внешнего теплоносителя, подключения системы отопления здания к тепловой сети или к котельной при реализации способа естественного регулирования по простому или по расширенному графику позволяют повысить качество отопления – т.е. точность поддержания заданной температуры внутреннего воздуха и ее стабильность путем повышения тепловой устойчивости системы отопления, в том числе при одновременном уменьшении затрат тепла на отопление при учете теплового баланса отопления, а также, за счет уменьшение температуры обратной воды относительно нормативного температурного графика качественного регулирования позволяют снизить тепловые потери в сети, затраты энергии на транспортировку теплоносителя и увеличить теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ.
Далее, на фиг. 14-22 рассмотрены схемы систем отопления с источником нагретого теплоносителя – с подогревателем отопления при независимой схеме подключения или котлом и показаны тепловые и гидравлические режимы их работы при естественном регулировании на примере здания.
При расчетном моделировании потери давления в подогревателе отопления или котле в проектном расчетном режиме были приняты равными 20 кПа, причем с точки зрения гидравлики и нагрева теплоносителя (обычно воды) подогреватель и котел идентичны, поэтому рассматриваются в одних схемах.
На фиг. 14 показана схема системы отопления с источником теплоносителя – с подогревателем отопления 34 или с котлом 35 или 36, в который в т. Б поступает обратная вода отопления, а из т. А выходит нагретая вода, затем поступающая в сеть отопления здания. Величина нагрева до заданной температуры регулируется либо основным регулирующим клапаном 29, изменяющим расход сетевой воды в подогреватель 34 или регулятором подачи топлива 30 или регулятором подачи электроэнергии 31 в котел 35 или 36. Обозначения остальных элементов совпадают с фиг. 4 и, кроме того, показан расположенный на байпасной линии вспомогательный насос 14 с обратным клапаном насоса 21 на трубопроводе 3. Данная схема позволяет реализовать простой естественный график регулирования.
На фиг. 15 приведены график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления для схемы на фиг. 14. Из графика регулирования следует, что увеличение гидравлического сопротивления циркуляционного контура приводит к увеличению температуры воды на отопление, величины охлаждения воды и к уменьшению температуры обратной воды, а также расхода воды через систему. На графике давлений видно, что с понижением температуры наружного воздуха монотонно увеличиваются потери давления в циркуляционном контуре (линия dP.цк.пе) состоящие из потерь давления в подогревателе или котле (линия dP.по(вк)) и в сети отопления (линия dP.со), преодоление которых до расчетной наружной естественной температуры (линия t’не) обеспечивается только естественным повышением давления (линия dP.е), а при более низких температурах – дополнительно насосным повышением давления (линия dP.н). На фиг. 14 также приведен над схемой системы отопления график давлений теплоносителя в системе при наружной температуре -20 °С.
На фиг. 16 показана схема системы отопления с подогревателем или котлом, аналогичная схеме на фиг. 14, но в которой на трубопроводе 4 установлен дополнительный регулирующий клапан 37. Данная схема позволяет реализовать как график расширенного естественного регулирования , так и график простого естественного регулирования при полностью открытом клапане 37.
На фиг. 17 приведены график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления по схеме на фиг. 16 при графике расширенного естественного регулирования при минимальном расходе 30% и справочно – при простом естественном графике. Из графика регулирования видно, что введение клапана 37 снижает температуру обратной воды и расход в интервале наружных температур от расчетной естественной (линия t’не), равной -20,7 °С до первой граничной наружной температуры (линия t.н1), равной -5,3 °С. При температурах выше первой граничной естественного повышения давления недостаточно и дополнительно включается циркуляционный насос 14. На фиг. 16 над схемой системы отопления приведен график давлений теплоносителя в системе при наружной температуре -17 °С, ближайшей к температуре смены регулирования (линия t.нс), равной -16,4 °С.
На фиг. 18 показана схема системы отопления с подогревателем или котлом, аналогичная схеме на фиг. 14, в которой имеется узел смешивания с трубопроводом подмешивания между т. А и т. Б и на трубопроводе 4 в т. Б установлен трехходовой клапан 49 и/или на трубопроводе АБ 45 установлен регулирующий клапан подмешивания 51 для управления расходом в подогреватель или котел. Также в схеме установлен «в линию» циркуляционный насос 14, обозначения остальных элементов совпадают с фиг. 14. Данная схема позволяет реализовать график простого естественного регулирования.
На фиг. 19 приведены график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления при наличии узла смешивания по схеме на фиг. 18. Из графиков видно, что введение узла смешивания с наличием обводного потока по трубопроводу подмешивания АБ позволяет уменьшить расходы через источник теплоносителя – подогреватель (котел) и снизить потери давления между т. А и т. Б, что существенно меняет форму графиков температур и расходов воды при естественном регулировании. На графике регулирования показаны линия температуры воды на выходе источника теплоносителя (линия Тит1), принятая постоянной и равной 100 °С; линии температур воды и линия относительного расхода воды на отопление (линия Gо.пе), значение которого является суммой расходов воды по трубопроводу подмешивания АБ (линия G.пм) и через подогреватель или котел (линия G.по(вк)). Расчетная наружная естественная температура снижается до -21,9 °С (линия t’не). График давлений на фиг. 19 в сравнении с графиком на фиг. 15 показывает, что вследствие использования узла смешивания существенно снижаются потери давления в циркуляционном контуре, состоящие из потерь давления в сети отопления и на линии подмешивания АБ (линия dP.пм), равных потерям по линии течения воды через подогреватель, часть из которых является потерями давления в подогревателе или котле (линия dP.по(вк)). На фиг. 18 над схемой системы отопления также приведен график давлений теплоносителя в системе при наружной температуре -20 °С.
На фиг. 20 показана схема системы отопления с подогревателем или котлом и с узлом смешивания, аналогичная схеме на фиг. 18, в которой на трубопроводе отопления 4 установлен дополнительный регулирующий клапан 37. Обозначения остальных элементов совпадают с фиг. 18, кроме регулирующего клапана источника 53 на трубопроводе к подогревателю или котлу. Данная схема позволяет реализовать как расширенный естественный график, так и простой естественный график регулирования при полностью открытом клапане 37.
t
не
На фиг. 21 приведены, аналогично фиг. 12 и фиг. 17, график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления при расширенном графике при минимальном расходе 30% и справочно – при простом естественном графике регулирования. Из графиков следует, что наличие узла смешивания расширяет диапазон наружных температур с естественным повышением давления, так как первая граничная температура повышается от значения -5,3 °С до 8,2 °С и в диапазоне наружных температур от 8,2 °С до расчетной естественной ’ = -21,9 °С осуществляется полностью естественное регулирование по расширенному графику с температурой смены способа регулирования равной минус 16,4 °С. На фиг. 20 над схемой системы отопления приведен график давлений теплоносителя в системе при наружной температуре -17 °С.
Применение схем на фиг. 18 и фиг. 20 с узлом смешивания целесообразно, когда необходимо быстро регулировать температуру воды на отопление, а источник обладает инерционностью (например, водогрейный котел или подогреватель отопления с большим объемом теплоносителя).
На фиг. 22 показана обобщенная схема подключения сети отопления здания через подогреватель отопления 34 к внешней сети или котельной или к топливному котлу 35 или электрическому котлу 36, которая также может иметь узел смешивания и позволяет осуществить простой график или расширенный график естественного регулирования.
В схеме имеется основной регулирующий клапан 29, находящийся на трубопроводе сетевой воды 43 или 44 в узле подготовки и позволяющий изменять температуру воды, выходящей из т. А подогревателя, а также регулирующий клапан источника 53, изменяющий расход воды через подогреватель или котел. Кроме того, от узла управления 16 имеется линия управления регуляторами подачи топлива 30 или электроэнергии 31 в котел при его использовании. Остальные элементы схемы идентичны элементам на фиг. 13.
На фиг. 22 также дополнительными серыми линиями показано выполнение системы отопления с несколькими частями при общем БПТ 9 – подогревателе отопления или топливном и/или электрическом котле, также может быть узел смешивания и с отдельными для каждой части БРР 18 (фиг. 2), аналогичными варианту с узлом смешивания (фиг. 13), которые позволяют регулированием расхода воды через каждую часть обеспечить необходимый для данной части расширенный график естественного регулирования.
Приведенные на фиг. 14, 16, 18, 20 схемы и на фиг. 22 обобщенная схема подключения системы отопления здания к источнику нагретого теплоносителя – подогревателю отопления при независимой схеме подключения к внешней сети или котельной или к топливному или электрическому котлу, имеющая узел смешивания на выходе из источника или без него, при реализации способа естественного регулирования по простому или по расширенному графику позволяют повысить качество отопления – точность и стабильность поддержания заданной целевой температуры внутреннего воздуха за счет увеличения тепловой устойчивости системы отопления при одновременном уменьшении затрат тепла на отопление в случае регулирования с учетом теплового баланса, а также, схемы с подогревателем за счет уменьшение температуры обратной воды относительно нормативного температурного графика качественного регулирования позволяют снизить тепловые потери в сети, затраты энергии на транспортировку сетевого теплоносителя и увеличить теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ.
Далее, на фиг. 23-31 рассмотрены схемы систем отопления, подключенные к топливному или электрическому водогрейному котлу через некоторую емкость, которую можно назвать коллектором малого перепада давления – например, гидравлический разделитель или аккумулирующий бак и показаны тепловые и гидравлические режимы их работы при естественном регулировании на примере здания. Отличием данного способа подключения являются малые потери давления при течении воды через емкость, которыми можно пренебречь.
При расчетном моделировании потери давления в гидравлическом разделителе или баке (коллекторе малого перепада) были приняты равными 0 кПа.
На фиг. 23 показана схема системы отопления с гидравлическим разделителем (баком) 41, в который в т. Б поступает обратная вода и из т. А выходит нагретая вода, поступающая в сеть отопления здания, а в разделитель 41 нагретая вода поступает от котла 35 или 36 с регулятором подачи топлива 30 или электроэнергии 31 в котел. Оборудование, обеспечивающее циркуляцию воды через контур котла, условно показано регулируемым котловым насосом, не входящим в циркуляционный контур системы отопления. Кроме того, показан расположенный на байпасной линии насос 14 с обратным клапаном 21 на трубопроводе 3 воды на отопление.
Температура выходящей в сеть отопления из т. А воды равна температуре воды, поступающей от котла в гидравлический разделитель (бак) 41 или находящейся в баке, она регулируется системой управления 16 и регулятором подачи топлива 30 или подачи электроэнергии 31 в котел. В случае применения бака-аккумулятора увеличивается инерционность процесса, однако бак-акумулятор при этом сглаживает суточные колебания тепловой нагрузки и является резервным объемом теплоносителя, для аварийных ситуаций. Данная схема позволяет реализовать график простого естественного регулирования.
t’
не
На фиг. 24 приведены график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления по схеме на фиг. 23. Из графиков видно, что уменьшение гидравлического сопротивления циркуляционного контура отопления приводит к уменьшению охлаждения воды и к увеличению расхода воды через систему. Также увеличивается расчетная наружная естественная температура до  = -30,6 °С. На фиг. 23 над схемой системы отопления приведен график давлений теплоносителя в системе при наружной температуре -30 °С.
На фиг. 25 показана схема системы отопления с гидравлическим разделителем (баком) в который вода поступает из водогрейного котла, аналогичная схеме на фиг. 23, но в которой на трубопроводе отопления 4 установлен дополнительный регулирующий клапан 37. Обозначения остальных элементов совпадают с фиг. 23. Схема позволяет реализовать как расширенный естественный график, так и простой естественный график регулирования при полностью открытом клапане 37.
На фиг. 26 приведены график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления при расширенном графике регулирования отопления здания по схеме на фиг. 25 при минимальном расходе 30% и справочно – при простом естественном графике регулирования по фиг. 24. Из графика регулирования видно, что введение клапана 37 снижает температуру обратной воды и расход воды в интервале наружных температур от расчетной естественной температуры -30,6 °С до первой граничной температуры, равной 7,1 °С. На фиг. 25 над схемой системы отопления показан график давлений теплоносителя в системе при наружной температуре -17 °С, ближайшей к температуре смены способа регулирования, равной -16,4 °С.
На фиг. 27 показана схема системы отопления с гидравлическим разделителем (баком) в который вода поступает из водогрейного котла, аналогичная схеме по фиг. 23, в которой дополнительно имеется узел смешивания с трубопроводом подмешивания между т. А и т. Б и на трубопроводе 4 контура отопления в т. Б установлен трехходовой клапан 49 и(или) на трубопроводе АБ установлен регулирующий клапан подмешивания 51 для управления расходом, подаваемым в гидравлический разделитель (бак) и затем в котловой контур. Также в схеме установлен «в линию» регулируемый насос 14, обозначения других элементов совпадают с фиг. 23. Данная схема позволяет реализовать график простого естественного регулирования.
На фиг. 28 приведены график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления при простом естественном регулировании отопления здания при наличии узла смешивания по схеме на фиг. 27. Видно, что введение узла смешивания с наличием обводного потока в обход гидравлического разделителя по трубопроводу подмешивания АБ 45 позволяет уменьшить расходы через подогреватель (котел) и снизить потери давления между т. А и т. Б, что существенно меняет форму графиков. Кроме того, наличие узла смешивания позволяет осуществить простой естественный график регулирования независимо от графика температуры воды от котла, которая, например, может быть постоянна или связана с режимами регулирования других систем теплопотребления, подключенных к гидравлическому разделителю. На графике регулирования показаны линия температуры воды на выходе гидравлического разделителя 41 (линия Тгр1), принятая равной 100 °С и постоянной; температуры воды на отопление и обратной воды (линии То1.пе, То2.пе) и относительный расход воды на отопление (линия G.о.пе) равный сумме расхода через гидравлический разделитель (линия G.гр) и по трубопроводу подмешивания (линия G.пм). Расчетная наружная естественная температура по сравнению со схемой на фиг. 23 немного снижается до значения -31,1 °С (линия t’не). На фиг. 27 над схемой системы отопления приведен график давлений теплоносителя в системе при наружной температуре -30 °С.
На фиг. 29 показана схема системы отопления с гидравлическим разделителем (баком) в который вода поступает из котла 35 и/или 36 и с узлом смешивания с трубопроводом подмешивания АБ 45, аналогичная схеме на фиг. 27, в которой на трубопроводе 4 контура отопления установлен дополнительный регулирующий клапан 37. Обозначения остальных элементов совпадают с фиг. 27, кроме регулирующего клапана источника теплоносителя 53 на трубопроводе к разделителю (баку) 41. Данная схема позволяет реализовать как расширенный график, так и простой естественный график регулирования при полностью открытом клапане 37.
На фиг. 30 приведены, аналогично фиг. 26 и фиг. 28, график регулирования температур и расходов воды и график относительных изменений и долей повышения давления при расширенном графике при минимальном расходе 30% и справочно – при простом естественном графике регулирования по схеме на фиг. 28 при наличии узла смешивания. Из графика регулирования видно, что введение клапана 37 снижает температуру обратной воды и расход воды в интервале температур естественного регулирования от первой граничной температуры 8,2 °С до расчетной наружной естественной температуры -31,1 °С и температура смены способа регулирования равна -16,4 °С. На фиг. 29 над схемой системы отопления приведен график давлений теплоносителя в системе при наружной температуре -30 °С.
Применение схем на фиг. 27 и фиг. 29 с узлом смешивания целесообразно, когда необходимо быстро регулировать температуру воды на отопление, а источник обладает инерционностью (например, бак с большим объемом теплоносителя).
На фиг. 31 показана обобщенная схема подключения сети отопления к коллектору малого перепада давления – гидравлическому разделителю 41 (аккумулирующему баку 42), подключенному к котлу 35 и/или 36, которая может иметь узел смешивания и позволяет осуществить простой естественный и расширенный естественный графики регулирования. В схеме имеется проходящая от системы управления 16 линия управления регуляторами подачи топлива 30 или электроэнергии 31 в котел 35 или 36, позволяющий изменять температуру выходящего из т. А гидравлического разделителя (бака) теплоносителя на отопление. Остальные элементы схемы идентичны элементам на фиг. 22.
На фиг. 31 также дополнительными серыми линиями показано выполнение системы отопления с несколькими частями при общем БПТ 9 – коллекторе малого перепада, например, гидравлическом разделителе (баке), подключенном к водогрейному котлу, также может быть узел смешивания и отдельные для каждой части блоки регулирования расхода 18 (фиг. 2), аналогичными вариантам на фиг. 13 и фиг. 22, которые позволяют обеспечить для каждой части свой расширенный график естественного регулирования.
Приведенные на фиг. 23, 25, 27, 29 схемы и на фиг. 31 обобщенная схема подключения системы отопления здания к гидравлическому разделителю или аккумулирующему баку, в который вода поступает от топливного или электрического котла, имеющие узел смешивания на выходе из разделителя (бака) или без него, при реализации способа естественного регулирования по простому естественному или по расширенному естественному графику позволяют повысить качества отопления – точность поддержания заданной температуры внутреннего воздуха и повысить тепловую устойчивость системы отопления и одновременно уменьшить затраты тепла на отопление в случае учета теплового баланса процесса отопления (в основном за счет учета внутренних тепловыделений).