Гидравлический Режим системы водяного отопления при автоматическом регулировании

7/)П11 ВЕСТНИК _7/2011 МГСУ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РЕЖИМ СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ РЕГУЛИРОВАНИИ

HYDRAULIC REGIME OT THE HEATING SYSTEM WITH AUTOMATIC CONTROL

Л.М. Махов, C.M. Усиков L. Mahov, S. Usikov

Московский ГСУ

Приведены результаты исследования влияния запорно-регулирующей арматуры на гидравлику системы отопления в целом и на отдельных участках с учетом конструктивных особенностей. Оценено влияние балансировочных клапанов и терморегуляторов в совокупности с циркуляционным насосом на распределение теплоносителя в системе отопления.

Results of research of influence of regulating armature on hydraulics of system of heating as a whole and on separate sites taking into account design features are resulted. Influence of balancing valves and temperature regulators in aggregate with the circulating pump on heat-carrier distribution in heating system is estimated.

B настоящее время в современных проектах систем отопления гражданских зданий имеется значительное количество различного вида арматуры и оборудования. В отечественной практике стали чаще использоваться балансировочные клапаны, терморегуляторы, узлы регулирования, регуляторы перепада давлений и расхода различных конструкций. Но одним из самых основных элементов, предназначенных для регулирования системы, а значит и для достижения максимально комфортных условий для пребывания людей в помещении, является терморегулятор. Важно заметить, что он позволяет не только обеспечить необходимое количество теплоты, отдаваемое отопительным прибором, но и воздействовать на гидравлику системы, автоматически регулируя её.

Современной проблемой создания новых проектов является разрешение спора о том, какую регулирующую арматуру необходимо устанавливать в системах отопления, в каком количестве и на каких участках.

Конечной целью расчета системы отопления и подбора её оборудования является обеспечение необходимого значения теплового потока от отопительного прибора, для компенсации теплопотерь здания в целом и достижения комфортных условий для пребывания людей в здании на протяжении всего отопительного периода.

Существуют два радикально разных способа обеспечения этих условий: отечественный и западный. Первый метод заключается в максимально-возможном увязывании колец системы диаметрами участков и установки наименьшего количества регулирующей арматуры. Второй метод пришел в отечественную практику вместе с новыми видами арматуры из западной Европы. Он заключается в установке наибольшего

количества арматуры на стояках, в тепловых пунктах и на ответвлениях для увязки колец непосредственно самой арматурой.

Оба метода имеют свои преимущества и недостатки, которые мы постарались выявить на примере в данной статье.

Для подбора терморегуляторов, регуляторов расхода и балансировочных клапанов в современной практике используется характеристика, называемая пропускной способностью. Её определяют как объемный расход воды в м3/ч с плотностью 1000 кг/м3, проходящей через клапан при перепаде давления 105 Па (1 бар). Измеряется он в (м3/ч)/бар0,5, или, пренебрегая физическим смыслом, в каталогах зачастую пишут просто в м3/ч. Для удобного определения пропускной способности клапана с пересчетом на параметры, принятые в отечественной практике (потери давления, Па, а расход теплоносителя, кг/ч) в литературе [1] приведена формула следующего вида:

О

ку = 0,316^^=,( м3/ ч)/бар °'5, л/АР

где: О - расход теплоносителя через клапан, кг/ч; АР - потери давления на клапане, Па.

За счет изменения к на клапанах, происходит изменение обоих параметров (О и АР) в клапане, что влияет не только на гидравлику отдельных участков системы отопления, но и на всю систему в целом. Это важный фактор, который должен учитываться проектировщиками.

Клапан у отопительного прибора способен автоматически изменять свою пропускную способность в зависимость от температуры воздуха в помещении за счет термостатической головки, датчиков внутреннего воздуха или же за счет ручного регулирования потребителем.

Важно также заметить, что необходим тщательный подбор термоклапанов у отопительных приборов, потому что зависимость теплоотдачи отопительного прибора от расхода теплоносителя в нем не линейная. Также и у клапанов. Они бывают различного конструктивного исполнения, и зависимость хода штока от пропускной способности имеет свои особенности. Сопоставляя эти две характеристики, мы получим общую характеристику регулируемого участка. Эти исследования довольно полно приведены в [1].

Однако изменения характеристики регулируемого участка будет влиять на характеристику всех остальных участков, что может привести к разрегулировке всей системы. Под разрегулировкой будем понимать несоответствие расходов теплоносителя на отопительных приборах относительно расчетных или необходимых, вследствие чего произойдет недостаток или избыток теплоты в помещениях. В системе отопления факторами разрегулировки являются:

- отключение ветвей, стояков, отопительных приборов и других элементов системы в связи с аварией или за ненадобностью;

- изменение расчетного расхода теплоносителя в отопительном приборе с целью поддержания необходимой температуры или минимальной температуры помещения из-за временного его неиспользования;

- изменения схемы или элементов системы отопления после реконструкции и ремонта.

Циркуляционный насос системы отопления тоже имеет различные характеристики, которые должны учитываться при регулировке системы. Если насос стандартный, то с повышением характеристики сопротивления системы отопления уменьшается расход теплоносителя. Очередным шагом, сделанным современным проектировщиком, для упрощения расчетов, стал подбор циркуляционных насосов с большим запа-

сом по располагаемому давлению, что приводит к неоправданно высокому расходу электроэнергии.

Сейчас существуют современные конструкции насосов, позволяющие более экономно расходовать электроэнергию и более точно поддерживать заданное располагаемое давление и расход в системе (насосы с электрическим управлением). При увеличенных капитальных затратах на эти насосы мы можем выиграть в пониженных эксплуатационных затратах на электроэнергию.

Однако, ориентируясь на новые технологии, в ходе конструирования системы отопления необходимо комплексно подходить к возможным разрегулировкам при её работе.

На конкретных схемах систем отопления представленных на рис. 1(а, б, в), мы постараемся выявить достоинства и недостатки двух методов конструирования системы отопления, о которых мы говорили ранее: западном и отечественном.

Стояк 1 0ст1=3150 Вт Сст1=117,1 кг/ч

Стояк 2 0ст2=2650 Вт вст2=98,6 кг/ч

Стояк 3 0СТЗ=3150 Вт Сст3=117,1 кг/ч

Общее Со6щ=8950 Вт Спй|11=332,8 кг/ч

а)

б)

Рис. 1. Схемы систем отопления: а - без применения балансировочных клапанов; б - при использования балансировочного клапана; в - при использовании пары балансировочных клапанов на каждом стояке; 1- оборудование теплового пункта; 2 - циркуляционный насос; 3 - отопительный прибор; 4 - отключающий шаровой кран; 5 - термоклапан; 6 - балансировочный клапан; 7 - балансировочный клапан постоянного перепада давления; 8 -дублер балансировочного клапана

Из регулирующей арматуры в первом случае имеется только клапаны у отопительных приборов. Для анализа системы отключим один прибор на верхнем этаже первого стояка. Характеристика сопротивления увеличится и на графике (рис. 2) примет положение Б1, а необходимый расход теплоносителя понизится на величину расчетного расхода в отключенном приборе (до 288,3 кг/ч). В самом начале отопительные приборы начнут получать больше теплоты, что приведет к перегреву помещений. Термостатические головки, электроника или же потребители в ручную, реагируя на это воздействие, начнут воздействовать на клапан, который будет опускать шток клапана, уменьшая тем самым свою пропускную способность и увеличивая сопротивление всей системы. Каждый клапан будет опускать шток ровно на столько, сколько теплоносителя он должен пропустить к отопительному прибору. В конце концов, установиться стационарный режим, когда температура в помещениях стабилизируется, и штоки клапанов перестанут двигаться.

Понятно, что характеристика сопротивления всей системы будет известна, так как терморегуляторы сами отрегулируют систему до нужного расхода и потерь давления. Это напрямую связано с характеристикой насоса. Чтобы описать физику процесса, мы использовали коэффициент затекания воды [2]. Для начала он был определен для всех стояков системы, чтобы получить требуемую характеристику сопротивления на каждом участке стояков, тем самым, определив какую пропускную способность, будет иметь клапан у отопительных приборов в данном конкретном состоянии системы.

Важно заметить, что клапан имеет определенные рамки изменения величины пропускной способности. Для данного случая он был ограничен в пределах от 0,04 до 0,54 (м3/ч)/бар0,5. Верхний предел является величиной при полном (максимальном) открытии клапана. Так же нормируется перепад давления на клапане. На клапане он не должен превышать 0,5 бар или примерно 5000 Па. В случае превышения максимального перепада давлений возможно некорректное регулирование температуры.

В процессе расчета системы, и определения величин затекания участков, было выявлено, что при расчетном режиме работы системы пропускная способность колеблется в пределах от 0,23 до 0,44 (м3/ч)/бар0,5, а перепад давления от 1020 до 2497 Па. Данные значения полностью удовлетворяют требованиям принятым ранее.

АР, Пг

-»2 Срасч в, КГ/Ч

Рис. 2. Характеристика насоса и системы отопления без использования балансировочных клапанов:

8Расч, ЛРрасч, ^раСч- характеристика сопротивления, потери давления и расход теплоносителя системы отопления в исходном (расчетном) режиме;

81, АР1, в1 - характеристика сопротивления, потери давления и расход теплоносителя

системы отопления при отключении верхнего прибора первого стояка;

82, ДР2, в2 - характеристика сопротивления, потери давления и расход теплоносителя

системы отопления при отключении первого стояка

Если мы отключаем первый прибор первого стояка, то после автоматического регулирования и установившегося стационарного теплового режима в помещениях пропускные способности клапанов уменьшаются и находятся в пределах значений от 0,19 до 0,53 (м3/ч)/бар0,5. Перепады давления соответственно от 700 до 3551 Па. Это тоже вполне удовлетворяет требованиям.

Аналогичная ситуация и при отключении первого стояка. Пропускные способности клапанов уменьшаются и находятся в пределах значений от 0,16 до 0,25

Мы видим, что при различном разрегулировочном воздействии на систему отопления происходит изменение характеристики сопротивления системы. Однако клапаны вполне могут «отрегулировать» системы так, чтобы в каждый прибор поступало необходимое количество теплоносителя.

Стоит заметить, что такое регулирование имеет определенные рамки, связанные с перепадом давлений на клапане и фиксированным диапазоном его пропускной способности. К примеру, если бы каждый стояк состоял не из 3-х, а из 10-ти приборов, и мы отключили бы первый стояк, то, возможно, что пропускная способность клапанов второго стояка должна была упасть до минимальных значений, при этом резко повысился бы перепад давления на них. Но, этот факт необходимо доказать расчетом для конкретной системы. Но, если таких стояков было бы не три, а двадцать, то отключение одного стояка слабо бы воздействовало на гидравлику всей системы отопления. Этот фактор также обусловлен характеристикой насоса.

Рассмотрим второй случай (см. рис.1 б). На подающем теплопроводе установлен балансировочный клапан. В таком случае общая характеристика сопротивления, а вместе с ней и потери давления в системе значительно увеличиться, из-за того, что балансировочный клапан имеет значительные потери давления в своей конструкции. Следовательно, насос на такой системе будет более мощный.

В расчетных условиях (все приборы работают) пропускные способности клапанов у приборов будут в диапазоне от 0,23 до 0,43 (м3/ч)/бар0,5, а перепады давлений от 1097 до 2574 Па. Пропускная способность балансировочного клапана будет иметь значение 0,95 (м3/ч)/бар0,5, а перепад давления 12262 Па.

Проведем те же операции по разрегулировке системы, что и в первом случае.

При отключении стояка или одного отопительного прибора мы можем отрегулировать систему. Однако одного балансировочного вентиля не будет достаточно, так как он не будет влиять на коэффициенты затекания воды в стояки и приборы, а будет изменять только общую характеристику сопротивления всей системы. Иллюстрация к этому замечанию приведена на рис. 3. Важно отметить, что при отключении первого прибора пропускные способности клапанов у приборов будут в диапазоне от 0,21 до 0,49 (м3/ч)/бар0,5, а при отключении стояка в диапазоне от 0,20 до 0,39(м3/ч)/бар0,5.

Эти цифры показывают, что отклонение расчетных значений пропускных способностей клапанов меньше относительно первого случая (без применения балансировочного клапана).

Наконец, рассмотрим третий случай (рис. 1в). На каждом стояке стоит пара балансировочных клапанов (регулирующий и дублер) соединенных между собой импульсной трубкой, с помощью которой поддерживаться постоянный перепад давления на стояке. Принцип работы заключается в том, что данная пара клапанов поддерживает постоянный расход на стояке при постоянном перепаде давления. Грубо говоря, регулирующий клапан изменяет свою пропускную способность в зависимости от считываемого значения перепада давления на стояке, тем самым поддерживая постоянный расход. Однако, если учитывать, что характеристика насоса не является линейной (для стандартных насосов), то при одном и том же перепаде давления на стояке расход может быть абсолютно различным. Исследуем эту схему аналогично предыдущим.

АР. Па

е, кгГч

Рис. 3. Характеристики насоса и системы отопления при использовании балансировочного клапана:

^расч, 80ткл, Бб.к, Зкл+б.к- характеристика сопротивления системы отопления в исходном (расчетном) режиме, при отключении первого стояка без учета регулирующего воздействия, с учетом только воздействия балансировочного клапана, с учетом воздействия клапанов у отопительных

приборов и балансировочного клапана; Орасч, Орег, - расход теплоносителя системы отопления в исходном (расчетном) режиме и при

отключении первого стояка после регулировки системы соответственно; ДРрасч, ДРрег, - потери давления в системе отопления в исходном (расчетном) режиме и при отключении первого стояка после регулировки системы соответственно; ДРб.к - потери давления на балансировочном клапане; ДРкл - дополнительные потери давления в сети связанные с уменьшением пропускной способности на клапанах у отопительных приборов; ДРоткл - изменение потерь давления в системе после отключения первого стояка

Когда система работает в расчетном режиме, пропускная способность клапанов у приборов находится в диапазоне от 0,27 до 0,46 (м3/ч)/бар0,5. Пропускная способность дублирующих клапанов неизменна и составляет 1,6 (м3/ч)/бар0,5. Пропускная способность балансировочного клапана составляет для 1-го, 2-го и 3-го стояка соответственно. Потери давления на трех стояках составят, без учета потерь на балансировочном клапане, составляют 1756, 1912 и 1881 Па соответственно. Этот перепад давления будет поддерживаться на каждом стояке при отключении элементов системы отопления.

При отключении первого прибора или стояка, на балансировочных клапанах происходит изменение пропускной способности в зависимости от потерь давления на стояке. Однако и здесь для полного регулирования системы следует изменить значения пропускных способностей клапанов у приборов. Они будут находиться в диапазо-

3 0 5 3 0 5

не от 0,29 до 0,44 (м /ч)/бар , при отключении прибора и от 0,25 до 0,5 (м /ч)/бар , при

отключении первого стояка. Заметим, что эти значении мало отличаются от расчетных, что говорит о хорошей устойчивости работы системы.

Рис. 4. Характеристики насоса и системы отопления при использовании балансировочных клапанов на каждом стояке: ^расч, 80ткл, Бб.к, 8КЛ+6.К- характеристика сопротивления системы отопления в исходном (расчетном) режиме, при отключении первого стояка без учета регулирующего воздействия, с учетом только воздействия балансировочного клапана, с учетом воздействия клапанов у отопительных

приборов и балансировочного клапана; Орасч, Орег, - расход теплоносителя системы отопления в исходном (расчетном) режиме и при

отключении первого стояка после регулировки системы соответственно; ДРрасч, ДРрег, - потери давления в системе отопления в исходном (расчетном) режиме и при отключении первого стояка после регулировки системы соответственно; ДРб.к - потери давления в сети связанные с регулирующем воздействием балансировочных клапанов; ДРКЛ - дополнительные потери давления в сети связанные с уменьшением пропускной способности на клапанах у отопительных приборов;

ДРоткл - изменение потерь давления в системе после отключения первого стояка

Первая система (см. рис. 2) проста в устройстве, более дешевая как с точки зрения капитальных затрат, так и эксплуатационных и самое главное способна регулировать сама себя. Правда точность регулирования в таком случае (по отклонению расходов в отопительных приборах) может достигать от 8 до 11 %, в связи с тем, что автоматике или человеку довольно сложно точно опустить шпиндель клапана на необходимую величину. Это обусловлено тем, что при низких значениях пропускной способности ход штока сильно влияет на количество теплоносителя, проходящего через клапан. Эти исследования подробно приведены в [1].

7/2011 ВЕСТНИК _7/2011_МГСУ

Вторая система (см. рис. 3) хороша тем, что часть регулирующего воздействия на себя берет балансировочный клапан, а точность регулировки составляет от 7 до 9 %.

Сложность регулировки заключается в том, что балансировочный клапан будет обслуживать специалист, хорошо знакомый с гидравликой данной системы, который будет знать, насколько надо увеличить сопротивление на клапане в случае отключения элементов системы отопления.

Третья система (см. рис. 4) очень хорош в плане автоматической регулировки. Почти всю регулирующую способность на себя берут балансировочные клапаны, и точность регулировки достигла в наших исследованиях от 1 до 5 %. Однако стоимость такой системы будет значительна и будут велики затраты на сервисное обслуживание клапанов.

Выводы

Выбор количества и типа арматуры зависит во многом от назначения здания и вида его эксплуатации. Например, если это жилое или административное здание, в котором не предусматривается полное длительное отключение целых стояков или ветвей (только в аварийных случаях), то вполне можно применить классический отечественный метод увязки колец диаметрами труб. Следуя требованиям энергоэффективности, желательно у каждого прибора установить термоклапаны (с термостатической головкой, датчиком или дешевым ручным регулятором). Это обеспечит и автоматическую регулировку системы при необходимости, и поддержание комфортных условий в каждом помещении.

Если провести качественный гидравлический расчет системы, то можно обойтись и без регуляторов. Нужно просто установить клапаны с определенной пропускной способностью и зафиксировать её. Тогда комфорт будет достигнуть тогда, когда вся система отопления полностью эксплуатируется.

Если проектируется система отопления в здании, например гостиницы, где регулирование теплоотдачи прибора является одной из важных составляющих достижения комфорта, или фитнес-центры, где не все помещения находятся в постоянной эксплуатации, то очень важно учесть разрегулировочное воздействии системы. Могут отключаться не только отдельные приборы в отдельных помещениях, но и целые стояки, ветви, корпуса. Здесь можно предложить два способа регулирования.

Первый способ - если этажность и протяженность здания довольно велика, здание имеет много крыльев корпусов, а регулирования невозможно достичь только за счет клапанов у приборов, то можно установить достаточное количество регулирующей арматуры и автоматики на всей системе отопления. При любом разрегулировочном воздействии на систему будет восстановлен необходимый расход на каждом приборе.

Первый способ имеет ряд положительных качеств, таких как: упрощенный гидравлический расчет, точное регулирование системы при различных воздействиях, пониженный расход металла и возможность организовать один мощный тепловой пункт в большом здании, а систему отопления протяженной.

Минусы первого способа будут существенными: завышенный расход электроэнергии, необходимость обслуживания системы, меньшая надежность всех элементов, капитальные затраты на саму регулирующую арматуру.

Второй способ предлагает разбить систему отопления на несколько систем, провести качественный гидравлический расчет и обеспечить регулирование только за счет клапанов у приборов. Таким образов при необходимости можно отключить целую систему отопления, что никаким образом не повлияет на остальные системы.

У этого способа имеются минусы - повышенная металлоемкость, возможно будет необходима установка нескольких тепловых пунктов (для больших зданий) и более сложный гидравлический расчет (который в первом случаем можно провести ориентировочно, только для того чтобы работа арматуры не выходила за пределы своей оптимальной).

Однако такая система имеет множество плюсов. Насосы в такой системе будут менее мощными, а значит и расход электроэнергии на них будет значительно меньше, чем в первом способе. Нет необходимости обслуживать регулирующую арматуру (балансировочные клапаны, регуляторы расхода и т.д.). Повышенная надежность системы, так как она имеет меньше элементов, которая может выйти из строя. И наконец, удешевление системы за счет отсутствия большого количества дорогой арматуры.

Если система отопления не велика, и здание имеет не большую протяженность и этажность, то желательно производить качественный гидравлический расчет с увязкой каждого кольца и проведение анализа работы системы (если будут предусматриваться отключение стояков или приборов).

Каким бы не было решение по выбору различных методов конструирования системы отопления проектировщик должен помнить несколько принципов. Проект должен быть экономичный как с точки зрения капитальных затрат так и с точки зрения эксплуатационных. Он должен быть прост и удобен в монтаже, быть надежен, ремонтопригоден. А также он должен быть качественно продуман и рассчитан относительно возможных изменений в своей гидравлике и эксплуатации в расчетном режиме. При выполнении этих требований проект будет по-настоящему качественен, а система отопления будет долговечной и удобной в эксплуатации.

Литература

1. Пырков В. В. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. - К.: II ДП «Taki справи», 2005.

2.Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление: Учебник для вузов. - М.: Издательство АСВ 2008. - с. 241-242.

Literature

1. Purkov V.V. Hydraulic regulation of systems of heating and cooling. The theory and practice.- K.: II DP «Taki справи», 2005.

2. Skanavi A. N., Mahov L. M. Heating: The textbook for high schools. - M: Publishing house ASV 2008. - page. 241-242.

Ключевые слова: системы отопления, автоматическое регулирование, запарно-регулирующая арматура, гидравлика систем отопления, характеристики системы, характеристики насоса

Key words: Heating system, automatic control, zaparno and control valves, hydraulic systems, heating, system performance, the characteristics of the pump

e-mail:Махов Леонид Михайлович mlm110@yandex.ru Усиков Сергей Михайлович Usikov_work@yandex.ru