ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ И ТЕПЛОВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ РАБОТЫ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ПОКВАРТИРНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 697.343

DOI: 10.22227/1997-0935.2022.7.944-953

Гидравлическая и тепловая устойчивость работы автономных систем поквартирного теплоснабжения

Алексей Леонидович Торопов

Инженерный центр «Апрель»; г. Москва, Россия

N N N N

АННОТАЦИЯ

Введение. Начиная с 1998 г. в РФ применяется поквартирное теплоснабжение. В квартирах многоэтажных домов установлено более двух миллионов настенных газовых котлов, 99 % из которых — настенные двухконтурные конвекционные котлы с атмосферными горелками. Обеспечение гидравлической и тепловой устойчивости — требование существующих норм проектирования систем теплоснабжения. В автономных системах теплоснабжения тепловой генератор является частью единого циркуляционного контура, имеет собственное гидравлическое сопротивление. Движение теплоносителя и передача тепловой энергии по трубопроводам системы к приборам отопления осуществляется циркуляционным насосом. Устойчивость автономной системы теплоснабжения, в отличие от централизованной, зависит от нормативных параметров предоставления энергетических ресурсов (давление, теплотворная способность газа, напряжение электрической сети).

Материалы и методы. Исследовались параметры тепловой мощности газовой горелки и циркуляционного насоса при существующих нормах диапазонов изменения энергетических ресурсов и их влияние на гидравлическую и тепловую устойчивость систем.

Результаты. Получены количественные результаты исследуемых параметров. Определен коэффициент генерации тепловой мощности в зависимости от давления газа, диапазон изменения напорно-расходных характеристик циркуляционных насосов, график гидравлического сопротивления настенного котла, влияние установки термоклапанов О О приборов отопления и применения антифризов.

.. , Выводы. Автономная система теплоснабжения отличается от системы централизованного теплоснабжения тем,

^ ^ что неотъемлемой ее частью является тепловой генератор и циркуляционный насос. Параметры работы автоном-

§ ной системы теплоснабжения зависят от нормативных параметров предоставления энергетических ресурсов. На-

$ личие гидравлической устойчивости неоднозначно определяет наличие тепловой устойчивости. В расчетах гидрав-

3 ~ лического сопротивления контура отопления необходимо учитывать гидравлическое сопротивление газового котла.

Ш I4" Применение термоголовок на приборах отопления и антифризов в системе поквартирного теплоснабжения противо-

N ф речит понятию гидравлической устойчивости отопительного контура. Проверка тепловой устойчивости системы по-

£ квартирного отопления должна выполняться с учетом алгоритмов работы теплогенератора.

¡5

1_ ,0 КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: газовый настенный котел, гидравлическая устойчивость, тепловая устойчивость, автономное

• . теплоснабжение, поквартирное теплоснабжение, конвекционный котел

<и <и

Е |5 Благодарности. Автор выражает благодарность рецензентам за замечания по стилю изложения и научно-техниче-

0 ской сути, способствующие более глубокому раскрытию темы научной работы.

—

о ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Торопов А.Л. Гидравлическая и тепловая устойчивость работы автономных систем поквар-

со < тирного теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 7. С. 944-953. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.7.944-953

о ^ Автор, ответственный за переписку: Алексей Леонидович Торопов, toropov@aprilgroup.ru.

2  ^ от * от Е

Е о CL О

с

ю о

СО -=

>

Hydraulic and thermal stability of independent systems

of apartment heating

о e Alexey L. Toropov

eg о Engineering Center "April'; Moscow, Russian Federation

со

ABSTRACT

Introduction. Individual apartment heating has been used in the Russian Federation since 1998. More than two million wall-mounted gas boilers were installed in the apartments of apartment buildings, 99 percent of which are wall-mounted double-circuit

0 jj convection boilers with atmospheric burners. Their hydraulic and thermal stability is a requirement of the current standards for О the design of heating systems. The heat generator of independent heating systems is part of a single circulation circuit; it has its

^ S own hydraulic resistance. The circulation of coolant and transfer of thermal energy through the pipelines to heating appliances

s s£ is performed by the circulation pump. Stability of an independent heating system, in contrast to the centralized one, depends

1 = on the regulatory parameters of energy supply (pressure, calorific value of gas, voltage of the electric network).

jj jj Materials and methods. The authors studied the thermal capacity parameters of the gas burner and the circulation pump

U > within the framework of current standards of variable supply of energy resources and their influence on the hydraulic and

thermal stability of systems.

944 © А Л Торопов, 2022

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial

Results. Quantitative results of the studied parameters were obtained. The authors identified the coefficient of heat power generation depending on gas pressure, range of pressure change and flow characteristics of circulation pumps, wall boiler hydraulic resistance, influence of thermostatic valves of heating appliances and the use of antifreezes. Conclusion. An independent heating system differs from a centralized one in that a heat generator and a circulation pump are its integral parts. The operating parameters of independent heating systems depend on standard parameters of energy resources supply. Hydraulic resistance does not determine thermal stability. When calculating the hydraulic resistance of the heating circuit, it is necessary to take into account the hydraulic resistance of the gas boiler. Thermal heads on heating appliances and antifreezes in the system of independent apartment heating contradict the concept of hydraulic stability of the heating circuit. Thermal stability of an apartment heating system should be checked taking into account the algorithms of the heat generator performance.

KEYWORDS: wall-mounted gas boiler, hydraulic stability, thermal stability, independent heating, independent apartment heating, convection boiler

Acknowledgements. The author thanks the reviewers for their remarks concerning the style of the manuscript, its research and technology aspects, that enabled the author to better explore the topic of the research paper.

FOR CITATION: Toropov A.L. Hydraulic and thermal stability of independent systems of apartment heating. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(7):944-953 . DOI: 10.22227/1997-0935.2022.7.944-953 (rus.).

Corresponding author: Alexey L. Toropov, toropov@aprilgroup.ru.

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли децентрализованных (автономных) систем теплоснабжения. Это вызвано рядом факторов, связанных с ростом индивидуального и коммерческого строительства в Российской Федерации, а также проблемами, обусловленными старением и низкой эффективностью централизованных систем теплоснабжения многоквартирных домов (МКД). Начиная с 1998 г. в стране в качестве эксперимента стало применяться поквар-тирное теплоснабжение (ПТ) — обеспечение теплом систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения индивидуально каждой квартиры в многоэтажном многоквартирном жилом здании1. Автономные системы отопления позволяют быстро внедрять высокоэффективные тепловые генераторы и использовать современные устройства распределения тепловой энергии между отопительными приборами. Принципиальное техническое отличие автономных и централизованных систем отопления заключается в том, что в автономных системах тепловой генератор является частью единого циркуляционного контура, а движение теплоносителя и передача тепловой энергии по трубопроводам системы к приборам отопления осуществляется единым циркуляционным насосом. Ключевое социальное отличие перехода на автономное теплоснабжение состоит в том, что ответственность за техническое состояние, обслуживание технических устройств, нормы потребления тепловой энергии переходит от государства к собственнику помещения2. По оценкам специалистов доля ПТ в ряде регионов при новом строительстве МКД достигает 80 %, а общая доля среди всех видов теплоснабжения зданий у автономных и индивидуальных тепловых систем — 18 % [1]. Эффективному использованию

теплогенераторов малой мощности для ПТ в виде настенных газовых котлов конденсационного типа с горелками полного предварительного смешивания и конвекционного типа с атмосферными горелками посвящены труды Ю.А. Табунщикова, П. А. Хава-нова, А. С. Чуленева [2-4] и многих других авторов. В 2016 г. вышел документ СП 282.1325800.2016 «По-квартирные системы теплоснабжения на базе индивидуальных газовых теплогенераторов», правила проектирования и устройства в котором указаны как технические требования к теплогенераторам, применяемым в ПТ. В настоящее время во всех регионах РФ в квартирах многоэтажных домов с автономным теплоснабжением установлено более двух миллионов настенных газовых котлов, 99 % из которых — настенные двухконтурные конвекционные котлы с атмосферными горелками. Сложности применения данных теплогенераторов для систем теплоснабжения заключаются в том, что при работе в режиме горячего водоснабжения (ГВС) и в режиме «отопление» настенный газовый конвекционный котел использует единое горелочное устройство — многофакельную инжекци-онную горелку низкого давления. В режиме «ГВС» используется максимальная тепловая мощность котла — 16-24 кВт/ч. Эта мощность необходима для устойчивого водоснабжения горячей водой стандартной квартиры с двумя точками разбора. Сегодня при строительстве новых МКД наиболее популярны одно-, двухкомнатные квартиры малой площади. Квартиры с площадью до 50 м2 имеют два-три отопительных прибора радиаторного типа. Максимальные тепловые потери с учетом инфильтрации и вентиляции таких квартир даже при минимальных температурах не превышают 2,5-3,0 кВт/ч [5]. Сложность использования настенного газового котла в качестве теплогенератора как для отопления маломерных квартир, так и для обеспечения ГВС заключается в том, что для обеспечения

1 СП 282.1325800.2016. Поквартирные системы теплоснабжения на базе индивидуальных газовых теплогенераторов. Правила проектирования и устройства, п. 3.1.

2 СП 282.1325800.2016. Поквартирные системы теплоснабжения на базе индивидуальных газовых теплогенераторов. Правила проектирования и устройства, п. 11.18.

< П

iH G Г

S 2

0 со § CO

1 S

У 1

J to

^ I

n °

S 3 o

zs (

о §

E w

§ 2

n g

S 6

r 6

t (

Cc §

S )

ii

7 л ' . DO

т

s

s У с о <D Ж , ,

О О 10 10 10 10

N N N N О О N N

¡г ш

и 3

> (Л

с «

и I»

I

<и <и

о ё

о

о о со < со

8« ™ §

ОТ "

от Е

Е о

£ ° ^ с

ю о

£ Ц

о Е

СП ^ т- ^

от от

Г

О (О

и £

диапазона изменения тепловой нагрузки, модуляция мощности настенного котла должна составлять 20 и более, что невозможно не только для конвекционных котлов, но и для конденсационных. Диапазон плавной модуляции конвекционных котлов определяется устойчивой работой атмосферной горелки и составляет от 40 до 100 % полной мощности [6, 7]. У конденсационных котлов диапазон плавной модуляции больше и составляет от 20 до 100 % [8]. Использование гравитационных клапанов Вентури позволяет увеличить диапазон модуляции до 7, некоторые производители конденсационных настенных котлов заявляют увеличение данного показателя до 10 [9], но даже данный уровень диапазона модуляции конденсационного котла не дает возможность обеспечить устойчивую работу настенных газовых тепловых генераторов во всем диапазоне изменения тепловых нагрузок. Поскольку в ПТ в России используются конвекционные газовые котлы с атмосферными горелками, то в режиме «отопление» работа котла представляет собой периодическое включение-выключение с постоянными паузами, определяемыми алгоритмом работы, причем избыток вырабатываемой тепловой мощности в 6-10 раз превышает необходимую тепловую мощность для компенсации теплопотерь маломерных квартир. Действующими нормативными документами устанавливается норма необходимости обеспечения гидравлической и тепловой устойчивости систем поквартирного отопления3, 4. В указанных нормативных документах дано определение «гидравлическая и тепловая устойчивость систем отопления, теплоснабжения: способность системы поддерживать заданное расчетное относительное распределение расхода теплоносителя при изменении расхода и теплоотдачи по всем отдельным участкам, отопительным приборам и другим элементам системы»5. Понятия гидравлической и тепловой устойчивости жестко связаны между собой в данных документах. Из определения можно сделать вывод, что если в системе обеспечена гидравлическая устойчивость, то это обязательно соответствует тепловой устойчивости. Существует несколько других определений. В работах [10, 11] под гидравлической устойчивостью понимают способность системы сохранять постоянный расход теплоносителя на абонентских вводах при изменении условий работы других потребителей.

Под тепловой устойчивостью системы отопления [12] подразумевается свойство пропорционально изменять теплоотдачу всех нагревательных приборов при изменении температуры и расхода теплоносителя в течение отопительного сезона. Вопросы гидравлической устойчивости систем теплоснабжения ис-

следовались российскими авторами [13-16], а также иностранными специалистами [17-22]. Эти авторы рассматривали в основном гидравлическую устойчивость систем централизованного теплоснабжения или автономных котельных для ЖКХ. В системах теплоснабжения отключение части нагрузки (отключение потребителей от централизованной поставки тепловой энергии) приводит к снижению потерь давления в сети и к росту располагаемых давлений и расхода воды у оставшихся абонентов. Отклонение параметров вызывает разрегулировку абонентских систем. Гидравлическая устойчивость системы теплоснабжения повышается при увеличении гидравлического сопротивления абонентских установок (потерь давления в сети). С этой целью целесообразна установка на вводах дроссельных шайб и клапанов-регуляторов, которые будут создавать сопротивления потоку, тем самым создавая местные потери напора на абонентском вводе. То есть избыточный напор у потребителей будет поглощаться (компенсироваться) сопротивлениями дросселирующих шайб и регулирующих клапанов на абонентских вводах [23, 24].

Количественно гидравлическая устойчивость для систем теплоснабжения оценивается коэффициентом гидравлической устойчивости Ку:

К = О^Ю,

у ф р

где Оф — фактический расход сетевой воды на абонентском вводе; Ор — расчетный (максимально возможный) расход сетевой воды на абонентском вводе. Отклонение фактического расхода Оф от расчетной величины Ор вызывает гидравлическую разрегулировку абонентских систем.

Коэффициент гидравлической устойчивости может изменяться от 0 до 1, так как Ор > Оф, при этом выполняется непременное условие работы системы — напор, развиваемый насосами в теплоисточнике, должен преодолевать гидравлическое сопротивление сети и систем теплопотребления.

Системы поквартирного теплоснабжения обладают следующими особенностями.

1. Система отопления — замкнутая, двухтрубная с принудительной циркуляцией. Горизонтального типа. Теплогенератор — настенный газовый котел.

2. Движение теплоносителя обеспечивается циркуляционным насосом, являющимся составной частью настенного котла.

3. Гидравлическое сопротивление теплогенератора — составляющая часть гидравлического сопротивления всего контура теплоснабжения.

3 СП 282.1325800.2016. Поквартирные системы теплоснабжения на базе индивидуальных газовых теплогенераторов. Правила проектирования и устройства, п. 8.

4 СП 60.13330.2016. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003, п. 6.1.8.

5 СП 60.13330.2016. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003, п. 3.10.

4. Объем теплоносителя в системе отопления составляет 10-25 л.

5. Теплогенераторы снабжены встроенной системой автоматического управления и стандартной защитой от перегрева. Наиболее массово используются конвекционные двухконтурные котлы с закрытой камерой сгорания и атмосферной горелкой номинальной тепловой мощностью 24 кВт/ч с диапазоном плавной модуляции от 40 до 100 % максимальной тепловой мощности.

В автономных замкнутых системах отопления с внутренним циркуляционным насосом с электромотором асинхронного типа показателем гидравлической устойчивости служит постоянство отношения расхода на любом из участков системы при переменном режиме тепловой мощности теплогенератора к расчетному расходу при максимальной мощности. Для гидравлически устойчивых систем этот показатель не меняется во всем диапазоне изменения мощности котла, а для систем, не обладающих гидравлической устойчивостью, он может расти или падать. Величина изменения данного показателя внутри диапазона изменения тепловой мощности котла является показателем разбалансировки.

Нормативным документом6 рекомендуется устанавливать на каждый отопительный прибор термостатические термоголовки. Одновременно с этим в СП7 требуется, чтобы теплогенератор был оснащен устройством, обеспечивающим автоматическое поддержание температуры воздуха в жилых помещениях на постоянном, регулируемом пользователем уровне.

Установка термоголовок на каждый тепловой прибор подразумевает произвольную установку параметров регулирования проходного сечения каналов клапана, зависящего от многих индивидуальных условий, что приводит к разрегулированию гидравлической системы поквартирного отопления, поскольку изменение расходов теплоносителя по каждому отопительному прибору происходит не в зависимости от тепловой мощности котла, а в зависимости от произвольных действий пользователей. Разрегулирование системы приводит к сбою работы системы автоматического управления настенного котла и к условиям работы, которые не соответствуют режиму работы, описанному в нормативных документах заводов изготовителей этой техники.

В автономных системах ПТ нет такой однозначной жесткой связи между гидравлической и те-

пловой устойчивостью, как у централизованных систем теплоснабжения. Генерация тепловой энергии в системах ПТ зависит от давления газа на входе в газовый котел и его алгоритма работы.

Согласно СП8 давление газа перед теплогенераторами следует принимать в соответствии с паспортными данными теплогенераторов, но не более 0,0035 МПа. В паспортных данных всех применяемых в России настенных газовых котлов указано давление 0,0020 МПа. Но давление газа в РФ регламентируется Постановлениями Правительства, согласно которым норма давления газа составляет от 0,0012 до 0,0030 МПа. Тепловая мощность атмосферной горелки настенного газового котла определяется давлением газа перед горелкой. Соответственно, для получения давления перед горелкой из норм давления газа, указанных в Постановле-нии9, необходимо вычесть динамическое сопротивление модуляционного газового клапана газового котла. Нижний порог представленного диапазона превращается в 0,0008-0,001 МПа, что сильно отличается от параметров в СП8. Горелка настенного газового котла неспособна реализовать заявленную в документах производителей мощность.

Таким образом, при соблюдении гидравлической устойчивости возникает вероятность тепловой неустойчивости системы ПТ.

Существуют и другие особенности работы системы ПТ, влияющие на параметры устойчивости. Циркуляционные насосы газовых котлов имеют асинхронный мотор с постоянной скоростью вращения ротора. Данный тип электромоторов чувствителен к величине питающего напряжения, величина которого может находиться в диапазоне 200-240 В переменного тока.

Цель работы:

• определить диапазоны изменения тепловой устойчивости настенных газовых конвекционных котлов в составе систем поквартирного теплоснабжения при условии параметров газа и напряжения электрической сети, соответствующих нормам и Постановлениям Правительства РФ;

• установить влияние установки термоголовок на гидравлическую устойчивость автономных систем ПТ;

• определить влияние алгоритмов работы настенных газовых котлов, установленных производителями, на гидравлическую и тепловую устойчи-

6 СП 282.1325800.2016. Поквартирные системы теплоснабжения на базе индивидуальных газовых теплогенераторов. Правила проектирования и устройства, п. 8.11.

7 СП 282.1325800.2016. Поквартирные системы теплоснабжения на базе индивидуальных газовых теплогенераторов. Правила проектирования и устройства, п.п. 10.5 и 10.6.

8 СП 282.1325800.2016. Поквартирные системы теплоснабжения на базе индивидуальных газовых теплогенераторов. Правила проектирования и устройства, п. 6.2.

9 О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов / Приложение № 1 к Правилам предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов : Постановление Правительства Российской Федерации от 06.05.2011 № 354 // Российская газета. 01.06.2011. № 116 (5492).

< П

I*

о Г и 3

о С/з § С/з

У 1

о со

и-

^ I § °

о

з (

о?

о §

Е м § 2 § 0

2 6

> 6 $ (

ф )

[1

7 л '

. ОН  £

(Л п

(Я у

с о

Ф X

2 2 О О 2 2 2 2

вости при их использовании в автономных системах поквартирного теплоснабжения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводились на исследовательском стенде завода «Ардерия»10. Объекты исследования:

• газовый клапан с автоматической настройкой параметров работы, предназначенный для газовых котлов мощностью до 50 кВт/ч;

• циркуляционный трехскоростной насос с «мокрым ротором» с электромотором асинхронного типа с ротором постоянной скорости вращения.

Данное оборудование является составными частями выпускаемых в РФ серийно настенных газовых котлов «Ардерия Д24» (конвекционный, с закрытой камерой сгорания, атмосферной многофакельной инжекционной горелкой, основным одноканальным и вторичным пластинчатым теплообменником ГВС).

С целью установления характеристик работы газового клапана применены дифференциальные газовые манометры с точностью измерения +0,3 %, разрешение — 10 Па. Для определения величины токов срабатывания электромагнитных приводов

клапана модуляции использовался мультиметр, точность измерения 0,8 %. Расход теплоносителя измерялся измерителем расхода ультразвуковым с накладными датчиками Ultrasonic FlowMeter, дублировался счетчиком воды ВСГ-25. Расход газа определялся счетчиком газа ITRON G6-RF1 iV psc.

Испытания проводились по три раза. Результаты представлены по средним значениям. На рис. 1 показан график изменения давления газа на выходе из клапана в зависимости от направления изменения тока управления катушки модуляции. В диапазоне изменения давления 200-1200 Па характер графика — линейный устойчивый, отличие параметров давления в зависимости от направления токов управления незначительное.

На рис. 2 представлен график изменения динамического сопротивления газового клапана в зависимости от динамического давления газа на входе.

На рис. 3 приведена зона изменения напорно-расходной характеристики, на рис. 4 — зона изменения коэффициента полезного действия циркуляционного насоса газового котла при третьей скорости

N N N N О О

СЧ СЧ

- - 1600

Па Pa

К ш U 3

> (Л

с и m I»

1 -S

<D ф

О ё

о

о о

со <

со S:

8 «

™ §

от " от Е

- Ч—'

_ (Д

с

Е о

cl°

—- с

ю о

S g

о Е ¿о

СП ^

Т- >s

от от

г

О (0

1400

1200

1000

800

600

400

200

/

J

//

// /

/ У

/

А

//

//

/ V

/

/

// I, мА

Па Pa 400

300

200

100

0

400 600

800

1000

1200 Pr / Pa

100 120 140 160 180 200 220 240 I, mA

характеристика при повышении тока управления characteristics in case of the control current increase

характеристика при понижении тока управления characteristics in case of the control current reduction

Рис. 1. Графики изменения давления газа на выходе из клапана в зависимости от направления изменения тока управления катушки модуляции

Fig. 1. Graphs describing changes in gas pressure at the outlet of the valve, depending on the nature of change in the control current of the modulation coil

Рис. 2. График изменения динамического сопротивления газового клапана

Fig. 2. The graph describing a change in the dynamic resistance of the gas valve

h, м7 / h, m7

Рис. 3. Диапазон изменения напорно-расходных характеристик циркуляционного насоса с мокрым ротором, асинхронным электромотором, третьей скоростью вращения ротора

Fig. 3. The range of pressure-flow characteristics of the circulation pump with a wet rotor, asynchronous electric motor, the third rotation speed of the rotor

10 Патент на полезную модель RU № 205883. Исследовательский стенд испытания газовых котлов с имитатором тепловой нагрузки / А.Л. Торопов, М.Е. Пеняев, А.Е. Белов. Бюллетень ФИПС. 2021. № 23. С. 49.

0

КПД, % / Efficiency, %

20 16 12 8 4 0

% s

кг / kg 1,0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 б, м3/ч

Q, m3/h

Рис. 4. Диапазон изменения КПД циркуляционного насоса с мокрым ротором, асинхронным электромотором, третьей скоростью вращения ротора Fig. 4. The range of the efficiency change of the circulation pump with a wet rotor, asynchronous electric motor, the third rotation speed of the rotor

0,8 0,6 0,4 0,2 0

800 1000 1200 1400 1600 1800 Па / Pa

Рис. 5. График коэффициента снижения максимальной тепловой мощности настенного газового котла от динамического давления газа в магистрали Fig. 5. The coefficient of reduction in the maximum thermal power of a wall-mounted gas boiler caused by the dynamic gas pressure in the main

вращения ротора и диапазоне изменения напряжения сети 200-240 В.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования показали, что условия предоставления газа населению являются принципиально важным фактором, влияющим на параметры тепловой устойчивости автономной системы поквартир-ного теплоснабжения.

Нижний предел допустимого давления газа, равный 0,0012 МПа, не позволяет реализовать заявленную тепловую мощность теплового генератора, указанную в паспортных данных заводов изготовителей данного оборудования, поскольку практически все они соответствуют давлению в магистрали 0,0020 МПа. На рис. 5 представлен график зависимости максимальной тепловой мощности настенного газового котла от значения динамического давления газа на входе. При расчетах мощности газового котла следует учитывать давление не на входе в газовый котел, а после газового клапана перед газо-горелочным устройством. В работе [7] исследовано влияние динамического сопротивления газовых клапанов. Диапазон изменения максимального значения динамического сопротивления применяемых в настоящее время газовых клапанов составляет от 220 до 430 Па.

Из графика на рис. 5 видно, что реализация максимальной тепловой мощности газового котла при значении давления газа по нижней границе нормы давления газа 0,0012 МПа возможна с коэффициентом понижения 0,87.

Таким образом, заявленная в паспортных данных завода-изготовителя максимальная мощность 24 кВт при давлении на входе 0,0012 МПа снижается до 20,9 кВт, что на 13 % меньше.

Гидравлическая устойчивость автономной системы не зависит от давления газа. Циркуляционный насос конвекционных газовых котлов работает с постоянной скоростью вращения ротора во всем диапазоне изменения тепловой нагрузки. В автономных системах ПТ может возникнуть ситуация,

когда гидравлическая устойчивость системы выполняется, а тепловая — нет по причине низкого нормативного давления газа в питающей магистрали.

Гидравлическая устойчивость автономной системы ПТ зависит от других параметров. Главное отличие автономной системы от централизованной заключается в том, что теплогенератор (газовый настенный котел), как часть циркуляционного контура, является частью гидравлического сопротивления контура. Исследования гидравлического сопротивления настенных газовых котлов проведены в работе [25]. На рис. 6 представлен график гидравлического сопротивления настенного газового котла в режиме «отопление».

В научном отчете [26] показано, что средний расход в индивидуальных системах отопления составляет 860 л/ч. Из графика на рис. 6 видно, что гидравлическое сопротивление настенного котла при этом значении составляет 2,5 м вод. ст. Циркуляционный насос настенного котла при этом расходе создает напор (в зависимости от напряжения в сети) от 5,15 до 6,15 м вод. ст. Гидравлическая устойчивость автономной системы обеспечена с большим запасом.

h, м вод. ст. / h, meters of water column

/\

у

< П

iH G Г

S 2

0 со

n CO

1 S

y 1

J со

u-

^ I

n °

S 3 o

zs ( O?

о n

CO CO

CD

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 110 1200 1300 1400

Q, м3/ч Q, m3/h

Рис. 6. Гидравлическое сопротивление настенного газового котла в режиме «отопление»

Fig. 6. Hydraulic resistance of a wall-mounted gas boiler in the "heating" mode

i\j со о

s § Г §6

c я

h о

С n

ss ) [[

[ 7 л ' . DO

T

s

s У с о <D Ж , ,

M 2 О О 10 10 10 10

N N N N О О N N

¡г ш

и 3

> (Л

с «

и I»

I

<и <и

о ё

о

о о со < со

8« ™ §

ОТ "

от Е

Е о

£ ° ^ с

ю о

£ Ц

о Е

СП ^ т- ^

от от

Г

О (О

и £

Но только в случае, если не используются термоголовки. В МКД последние годы доля однокомнатных квартир постоянно увеличивается и составляет более 50 %. В однокомнатных квартирах в системе отопления стоят два радиатора. Если применять на каждом радиаторе термоголовки, то их работа (перекрытие проходного сечения) происходит произвольным образом в зависимости от многих факторов. Перекрытие проходных каналов термоголовок в зависимости от установленной пользователем температуры меняет гидравлическую устойчивость системы отопления. При этом движение по отопительному контуру прекращается. Термоголовка никак не связана с работой теплогенератора. При прекращении движения теплоносителя котел закипает и отключается по перегреву. Алгоритм работы котла не связан с состоянием клапана термоголовки. При повторном включении после остывания термостата защиты от перегрева алгоритм работы котла запускает его в работу и сразу останавливает по перегреву, поскольку движение теплоносителя заблокировано клапаном термоголовки.

Применение автоматических систем управления работой котла, включая управление работой по выносному датчику температуры воздуха в помещении одновременно с установкой термоголовок на радиаторы отопления, недопустимо. Данные действия приводят к разрушению работы теплогенератора. Параметры гидравлической устойчивости в автономных системах зависят от установки термоголовок. В зависимости от индивидуальной и ситуационной настройки температуры на термоголовках в разных комнатах пользователем перераспределяются гидравлические потоки в контуре циркуляции. Поскольку система автоматического управления работой котла не связана с настройкой термоголовок, распределение тепла, произведенного теплогенератором, становится неуправляемым.

Параметры гидравлической устойчивости в автономных системах отопления зависят от колебаний напряжения сети питания газового котла. На рис. 3 и 4 показаны зоны изменения напорно-расходных характеристик и КПД, параметры могут изменяться значительно. В ряде случаев расчета гидравлической устойчивости систем отопления реальных объектов игнорирование учета колебаний гидравлических характеристик от напряжения электрической сети может привести к ошибкам расчета.

В связи с перечисленным выше, возникает необходимость в уточнении формулировки понятий гидравлической устойчивости автономных систем теплоснабжения, особенно применительно к поквартирному теплоснабжению. Также следует разделять понятия гидравлической и тепловой устойчивости. Соблюдение одного параметра в автономных системах теплоснабжения не гарантирует соблюдения второго.

Под гидравлической устойчивостью автономных систем теплоснабжения понимается способ-

ность системы поддерживать заданное расчетное относительное распределение расхода теплоносителя по всем отдельным участкам, отопительным приборам и другим элементам системы во всем диапазоне изменения тепловой мощности теплогенератора при нормативных условиях работы всех элементов и узлов, входящих в циркуляционный контур системы теплоснабжения.

В части тепловой устойчивости предлагается следующая формулировка: тепловая устойчивость автономной системы отопления — способность системы пропорционального изменения теплоотдачи всех отопительных приборов в зависимости от мощности теплогенератора во всем диапазоне изменения тепловой мощности при нормативных значениях параметров предоставления энергетических ресурсов, обеспечивающих работу системы в любое время года. Суть новой формулировки в том, что автономная система отопления должна рассматриваться как единое целое (тепловой генератор плюс отопительный контур, включая приборы отопления). Способность изменения мощности теплогенератора автономной системы должна выполняться во всем диапазоне от нуля до максимальных заданных значений при нормативном значении давления газа и его теплотворной способности, установленными нормативными актами РФ. При этом в контуре отопительных приборов во всем заданном изменении мощности теплогенератора должна пропорционально изменяться тепловая энергия, отданная приборами отопления помещений.

Применение специальных незамерзающих теплоносителей в автономных системах поквартирно-го теплоснабжения нарушает способность передачи тепловой энергии от газового котла к отопительным приборам. Все расчеты гидравлической, тепловой устойчивости, подбора мощности теплового агрегата в режиме отопления помещений проводятся для варианта использования воды как теплоносителя. Любые антифризы существенно отличаются от воды по своим физическим свойствам (вязкость, теплоемкость, плотность, теплопроводность, коэффициент объемного расширения и др.), следовательно, обеспечение удовлетворения целевого назначения системы, рассчитанной для теплоносителя воды, при другом теплоносителе невозможно [27-29]. Все применяемые в настоящее время для поквартирного теплоснабжения настенные котлы — двухконтурные. Для подготовки горячей воды антифризы не применяются. Использовать антифризы в контуре отопления без решения вопросов замерзания контура подготовки горячей воды в одном и том же котле не имеет смысла. Кроме того, значительную часть отопительного периода система поквартирного теплоснабжения с настенными газовыми конвекционными котлами работает в режиме избытка мощности, котел функционирует в режиме постоянного включения-выключения (тактования).

Периодическая остановка работы котла связана с перегревом теплоносителя в основном теплообменнике котла [30]. Поверхность каналов теплообменника нагревается до температуры, значительно превышающей допустимую для антифризов. Происходит термическое разложение гликоля и антикоррозионных присадок с образованием кислот и выпадением твердого осадка, забивающего каналы теплообменника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

Автономная система теплоснабжения отличается от системы централизованного теплоснабжения тем, что неотъемлемой ее частью является тепловой генератор и циркуляционный насос. Параметры работы автономной системы теплоснабжения зависят от нормативных параметров предоставления энергетических ресурсов (давление и теплотворная способность, напряжение электрической сети).

Гидравлическая и тепловая устойчивость работы автономной системы — разные характеристики работоспособности и должны рассматриваться отдельно. Наличие гидравлической устойчивости неоднозначно определяет наличие тепловой устойчивости. В расчетах гидравлического сопротивления

контура отопления необходимо учитывать гидравлическое сопротивление газового котла. Производительность циркуляционного насоса следует рассматривать при минимальных допустимых значениях напряжения электрической сети.

Применение термоголовок на приборах отопления системы поквартирного теплоснабжения противоречит понятию гидравлической устойчивости отопительного контура и приводит к работе котла в нерасчетном режиме, приводящем к поломкам.

Проверка тепловой устойчивости системы по-квартирного отопления должна выполняться с учетом алгоритмов работы газового настенного котла.

Применение антифризов в системах поквартир-ного теплоснабжения противоречит понятиям гидравлической и тепловой устойчивости, поскольку их использование меняет пропорции распределения потоков между участками системы и способность передачи тепловой энергии от генератора до приборов отопления по сравнению с расчетами, выполненными для воды (в качестве теплоносителя). В зависимости от состава антифриза способность системы доставить необходимое количество тепловой энергии до приборов отопления, по сравнению с расчетом для воды, может отличаться до пяти раз.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Усадский Д. Г. Совершенствование схем автономных источников теплоты в системах отопления и горячего водоснабжения : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Волгоград, 2012. 18 с.

2. Табунщиков Ю.А. Конденсационные котлы в автономном теплоснабжении // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2016. № 4. C. 26-31.

3. Хаванов П.А., Чуленев А.С. Климатические параметры и эффективность конденсационных котлов // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2016. № 3. C. 56-63.

4. Хаванов П.А., Чуленев А.С. Результаты испытаний конденсационного котла при различных режимах эксплуатации // Научное обозрение. 2015. № 10-1. C. 45-49.

5. Пилипенко Н.В. Тепловые потери и энергетическая эффективность зданий и сооружений : учебное пособие. СПб. : Университет ИТМО, 2016. 54 с.

6. Хаванов П.А. Атмосферные газовые горелки автономных теплогенераторов // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2003. № 1. C. 54.

7. Торопов А.Л. Исследование работы газовых клапанов конвекционных котлов малой мощности // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование

воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2020. № 3. С. 58-61.

8. Наумов Н.Р., Марьяндышев П.А., Попов А.Н., Любое В. К. Исследование работы газовых котлов малой мощности // Вестник Череповецкого государственного университета. 2017. № 4 (79). С. 27-33. DO I: 10.23859/1994-0637-2017-4-79-4

9. Mauro A., Maiorino A., Aprea C. The ultra-modulating gas boiler as an opportunity for domestic energy saving // International Journal of Ambient Energy. 2017. Vol. 38. Issue 5. Pp. 514-524. DOI: 10. 1080/01430750.2016.1144524

10. Абдулаев Д.А., Маркелова Е.А., Сабирзя-нов А.Р., Миронов Н.Ю. Гидравлическая устойчивость тепловой сети // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017. № 1 (52). С. 67-85.

11. Пашенцева Л.В. Влияние нарушения гидравлической устойчивости на надежность системы теплоснабжения // Строительство и техногенная безопасность. 2012. № 44. С. 85-88.

12. Аничхин А.Г. Проблемы тепловой устойчивости двухтрубных вертикальных систем отопления // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2013. № 11 (143). С. 66-75.

13. Ермаков Р.Л., Стенников Н.В. Выбор наладочного режима в открытых системах централизованного теплоснабжения // Теплоэнергетика. 2008. № 11. С. 58-63.

< п i Н

G Г

S 2

0 С/з § С/3

1 2 y 1

J со

u-

^ I

n ° o

=¡ ( oi

о §

§ 2

n 0 2 6

A CD

Г 6 t (

2 )

7 л  . DO

T s

s У

с о

2 2

О О

2 2

2 2

N N N N О О N N

¡É Ш

U 3

> (Л

С И

со N

i - $

ф ф

О ё

о

о о

со <

со S:

8 «

™ §

от " от iE

Е о

£ ° ^ с

ю о

S «

о Е с5 °

СП ^ т- ^

14. Хаванов П.А., Соловьева Е.Б. Проектирование на основе теплотехнических условий работы и организации тепловых и гидравлических режимов работы автономных котельных для ЖКХ // Научное обозрение. 2013. № 4. С. 128-130.

15. Канина Л. П., Чапкина Г. А. Опыт решения вопросов комплексной защиты оборудования систем теплоснабжения при переходных гидравлических режимах // Теплоэнергетика. 2008. № 4. С. 10-14.

16. Аничхин А.Г. Особенности гидравлических режимов систем отопления // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2011. № 6 (114). С. 37-39.

17. Karlsson K.B., Petrovic S.N., Naraa R. Heat supply planning for the ecological housing community Munks0gard // Energy. 2016. Vol. 115. Pp. 1733-1747. DOI: 10.1016/j.energy.2016.08.064

18. Tian Y., Zhou Z., Wang Z. Connection Method between Urban Heat-supply Systems Based on Requirement of Limited-heating // Procedia Engineering. 2016. Vol. 146. P. 386-393. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.417

19. Baldvinsson I., Nakata T. A comparative exergy and exergoeconomic analysis of a residential heat supply system paradigm of Japan and local source based district heating system using SPECO (specific exergy cost) method // Energy. 2014. Vol. 74. Pp. 537554. DOI: 10.1016/j.energy.2014.07.019

20. VesterlundM., Toffolo A., Dahl J. Simulation and analysis of a meshed district heating network // Energy Conversion and Management. 2016. Vol. 122. Pp. 63-73. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.05.060

21. Lake A., Rezaie B., Beyerlein S. Review of district heating and cooling systems for a sustainable future // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 67. Pp. 417-425. DOI: 10.1016/j. rser.2016.09.061

22. Comodi G., LorenzettiM., Salvi D., Arteconi A. Criticalities of district heating in Southern Europe:

Поступила в редакцию 22 июня 2022 г. Принята в доработанном виде 15 июля 2022 г. Одобрена для публикации 20 июля 2022 г.

Об авторе: Алексей Леонидович Торопов — кандидат технических наук, генеральный директор — главный конструктор; Инженерный центр «Апрель»; 105122, г. Москва, Щелковское шоссе, д. 13; РИНЦ ID: 1030472, ORCID: 0000-0002-7457-6948; toropov@aprilgroup.ru.

Lesson learned from a CHP-DH in Central Italy // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 112. Pp. 649659. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.09.149

23. Черненков В.П., Попов Д.В. Управление гидравлическим режимом тепловых сетей // Труды Дальневосточного государственного технического университета. 2003. № 134. С. 126-128.

24. Нелидина А.Б., Бирюзова Е.А. Гидравлическая устойчивость тепловой сети, возможности ее повышения. СПб. : Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2018. URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/74931/1/ ersps_2018_075.pdf

25. Торопов А. Л. Гидравлическое сопротивление настенных газовых котлов и эффективность нагрева помещений // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2021. № 5 (233). С. 32-36.

26. Bidstrup N., van Elburg M., Lane K. Promotion of energy efficiency in circulation pumps especially in domestic heating systems: Study under SAVE II programme. 2001.

27. Беликов С. Е. Незамерзающие теплоносители. М. : Аква-Терм, 2013. С. 55.

28. Хаванов П.А., Маркевич Ю.Г. Применение водногликолевых теплоносителей в автономных системах теплоснабжения // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2012. № 3 (23). С. 29.

29. Хаванов П. А., Барынин К. П. Особенности применения водногликолевых теплоносителей в автономных системах теплоснабжения // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2003. № 7.

30. Торопов А. Л. Вопросы эффективности работы конвекционных настенных газовых котлов при поквартирном теплоснабжении // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2021. № 6 (234). С. 42-45.

от от

REFERENCES

г

í!

О (0

1. Usadsky D.G. Improving the schemes of autonomous heat sources in heating and hot water supply systems : author. dis. for the competition scientist step. cand. tech. Sciences. Volgograd, 2012; 18. (rus.).

2. Tabunshchikov Y. A. Condensing boilers in autonomous heat supply. AVOK. 2016; 4:26-31. (rus.).

3. Havanov P.A., Chulenev A. S. Climatic Parameters and Efficiency of Condensation Boilers. AVOK. 2016; 3:56-63. (rus.).

4. Havanov P.A., Chulenev A. S. Results of condensing boiler tests under different operational regimes. Scientific Review. 2015; 10-1:45-49. (rus.).

5. Pilipenko N.V. Heat losses and energy efficiency of buildings and structures: a tutorial. St. Petersburg, ITMO University, 2016; 54. (rus.).

6. Havanov P. A. Atmospheric gas burners of autonomous heat generators. AVOK. 2003; 1:54. (rus.).

7. Toropov A.L. Analysis of Operation of Gas Valves of Low-power Convection Boilers.AVOK. 2020; 3:58-61. (rus.).

8. Naumov N.R., Maryandyshev P.A., Popov A.N., Lyubov V.K. Study on gas boilers of low capacities. Cherepovets State University Bulletin. 2017; 4(79):27-33. DOI: 10.23859/1994-0637-2017-4-79-4 (rus.).

9. Mauro A., Maiorino A., Aprea C. The ultra-modulating gas boiler as an opportunity for domestic energy saving. International Journal of Ambient Energy. 2017; 38(5):514-524. DOI: 10.1080/01430750.2016.114 4524

10. Abdulaev D.A., Markelova E.A., Sabirzya-nov A.R., Mironov N.Yu. Hydraulic stability of the thermal network. Construction of Unique Buildings and Structures. 2017; 1(52):67-85. (rus.).

11. Pashentseva L. V. Influence of violation of hydraulic stability on the reliability of heat supply. Construction and Technogenic Safety. 2012; 44:85-88. (rus.).

12. Anichkhin A. G. Problems of thermal stability of two-pipe vertical heating systems. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2013; 11(143):66-75. (rus.).

13. Ermakov R.L., Stennikov N. V. Selecting adjustment operating conditions in open-circuit district heating systems. Thermal Engineering. 2008; 11:58-63. (rus.).

14. Havanov P. A., Solovieva E.B. Designing on the basis of heat engineering conditions of work and organization of thermal and hydraulic modes of operation of autonomous boiler houses for housing and communal services. Scientific Review. 2013; 4:128-130. (rus.).

15. Kanina L.P., Chapkina G.A. Experience with solving the matters of comprehensively protecting the equipment of heat supply systems during hydraulic transients. Thermal Engineering. 2008; 4:10-14. (rus.).

16. Anichkhin A.G. Features of hydraulic modes of heating systems. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2011; 6(114):37-39. (rus.).

17. Karlsson K.B., Petrovic S.N., Nsraa R. Heat supply planning for the ecological housing community Munks0gard. Energy. 2016; 115:1733-1747. DOI: 10.1016/j.energy.2016.08.064

18. Tian Y., Zhou Z., Wang Z. Connection Method between Urban Heat-supply Systems Based on Require-

Received June 22, 2022.

Adopted in revised form on July 15, 2022.

Approved for publication on July 20, 2022.

Bionotes: Alexey L. Toropov — Candidate of Technical Sciences, General Director — Chief Designer;

Engineering Center "April"; 13 Schelkovskoe shosse, Moscow, 105122, Russian Federation; ID RISC: 1030472,

ORCID: 0000-0002-7457-6948; toropov@aprilgroup.ru.

ment of Limited-heating. Procedía Engineering. 2016; 146:386-393. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.417

19. Baldvinsson I., Nakata T. A comparative exer-gy and exergoeconomic analysis of a residential heat supply system paradigm of Japan and local source based district heating system using SPECO (specific exergy cost) method. Energy. 2014; 74:537-554. DOI: 10.1016/j.en-ergy.2014.07.019

20. Vesterlund M., Toffolo A., Dahl J. Simulation and analysis of a meshed district heating network. Energy Conversion and Management. 2016; 122:63-73. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.05.060

21. Lake A., Rezaie B., Beyerlein S. Review of district heating and cooling systems for a sustainable future. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017; 67:417-425. DOI: 10.1016/j.rser.2016.09.061

22. Comodi G., Lorenzetti M., Salvi D., Arte-coni A. Criticalities of district heating in Southern Europe: Lesson learned from a CHP-DH in Central Italy. Applied Thermal Engineering. 2017; 112:649-659. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.09.149

23. Chernenkov V.P., Popov D.V. Management of the hydraulic regime of thermal networks. Proceedings of the Far Eastern State Technical University. 2003; 134:126-128. (rus.).

24. Nelidina A.B., Biryuzova E. A. Hydraulic stability of a warm network, possibility of its improvement. St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, 2018. URL: https://elar.urfu. ru/bitstream/10995/74931/1/ersps_2018_075.pdf (rus.).

25. Toropov A.L. Hydraulic resistance of wall-mounted gas boilers and heating efficiency. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2021; 5(233):32-36. (rus.).

26. Bidstrup N., van Elburg M., Lane K. Promotion of energy efficiency in circulation pumps especially in domestic heating systems: Study under SA VE II programme. 2001.

27. Belikov S.E. Non-freezing coolants. Moscow, Aqua-Term, 2013; 56. (rus.).

28. Khavanov P. A., Markevich J. G. The use of water glycol heat carriers in autonomous heat supply systems. Internet Bulletin of VOLGGASU. 2012; 3(23):29. (rus.).

29. Havanov P. A., Barynin K.P. Features of the use of water glycol heat carriers in autonomous heat supply systems. AVOK. 2003; 7. (rus.).

30. Toropov A.L. Issues of operating efficiency of convection wall gas boilers with apartment heat supply. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2021; 6(234):42-45. (rus.).

< П

i H

G Г S

o n

I D

y 1

J со

u-I

n

DD S o

=s (

oi n

u

n 2

n 0

D 6

A CD

Г 6 t ( an

DD ) [[

s 7

. DO

г s S

s у

с о

M M

о о 10 10 10 10