Влияние методики теплового расчета отопительных приборов на гидравлический режим работы систем водяного отопления

Влияние методики теплового расчета отопительных приборов на гидравлический режим работы систем водяного отопления

Усиков Сергей Михайлович

к.т.н., доцент кафедры ТГВ ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ»

Кузьмин Андрей Дмитриевич

проектировщик АО «Метрогипротранс»

Юшкова Анастасия Николаевна

техник АО «Мособлгаз»

В настоящей работе рассматривается проблема неграмотного выбора отопительных приборов по методике, навязанной фирмами-производителями отопительного оборудования для более простого и быстрого составления спецификаций и смет. Если вести тепловой расчет отопительных приборов учитывая только перерасчет по температурному графику системы, то в современных системах с применением термостатических клапанов и автоматических регуляторов будет происходить регулярная перестройка теплогидравлического режима работы, что может привести к снижению КПД насосов системы, а также преждевременному износу оборудования. Кроме того, реальная температура теплоносителя в обратном теплопроводе в практике проектирования задается конкретным значением, а в действительности будет зависеть и от типа прибора, расхода теплоносителя и других факторов. Целью данной работы является выявление влияния результатов подбора отопительных приборов по упрощенной методике на теплогидравличе-ский режим работы системы отопления при эксплуатации. Научной новизной работы является предложенная методика оценки теплогидравлического режима работы системы отопления при неверно подобранном отопительном приборе. При этом предложенная методика также будет справедлива, когда подбор отопительных приборов не выполнялся, а при строительстве и эксплуатации были установлены отопительные приборы, имеющиеся на складе. На примере панельных радиаторов и конвекторов, проведен анализ, насколько предложенная методика может повлиять на отклонение фактического расхода теплоносителя от расчетного, а также как сильно может отклоняться температура обратного теплоносителя в системе. По результатам исследования сделаны выводы о допустимости применения упрощенной методики выбора отопительных приборов в практике проектирования водяных систем отопления с автоматическим регулированием. Ключевые слова: отопительные приборы, система водяного отопления, индивидуальный тепловой пункт, термостатические клапаны.

В настоящее время производители отопительной техники для быстрого и упрощённого выбора типоразмера отопительных приборов рекомендуют проектировщикам справочные таблицы, составленные для разных температурных графиков системы отопления. При этом классическая методика, проверенная временем, а также учитывающая множество факторов при тепловом расчёте отопительных приборов, забывается.

В классической методике к температурному напору добавляются дополнительные поправочные коэффициенты, учитывающие схему движения теплоносителя через отопительный прибор, атмосферное давление в районе строительства, длину или количество секций прибора, а также расход теплоносителя в приборе. Таким образом, при реальной работе запроектированной системы могут создаваться такие проблемы как недотоп и гидравлическая нестабильность системы отопления.

Цель данной работы - выяснить насколько результаты расчета по упрощенной методике повлияют на теплогидравлический режим работы системы отопления в эксплуатации.

Научной новизной работы является предложенная методика оценки теплогидравлического режима работы системы отопления при неверно подобранном отопительном приборе.

Для выполнения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Подбор отопительного прибора по упрощённой методике, и определение его реальной теплоотдачи.

2. Определение реальной температуры внутреннего воздуха отапливаемого помещения при полученном значении теплоотдачи.

3. Сравнение полученной температуры помещения с требуемой, согласно нормативным документам.

4. Определение фактического расхода теплоносителя через отопительный прибор после автоматического регулирование термостатическим клапаном у прибора.

х

X

о

го А с.

X

го т

о

Методика исследования

В данной работе отопительные приборы выбираются согласно упрощенной методике, так как предлагают фирмы-производители, т.е. по формуле:

ю 6

м о

а>

о

см

О!

О Ш

т х

<

т о х

X

бн * бн =

бт

70

где 0н - номинальный тепловой поток подобранного прибора, Вт; бн - ориентировочный номинальный тепловой поток, Вт; Отп - теплопотери помещения, Вт; 0 - температурный напор, °С, который определяется по формуле:

0 = -

'вх + С

-- С

или для большей точности по формуле:

0 = -

'вх 'вн V 'вых 'вн J

1п

бпр = бн

70

1+п

(м ^

пр

0,1

ЬвзР ,

мпр = Си - г )

''в \ вх 'вых )

ного прибора от его длины при разном движении теплоносителя.

После определения реальной теплоотдачи отопительного прибора можно определить температуру внутреннего воздуха , °С, из теплового баланса по формуле [2]:

/р =

бпр

бт

+£

где и - соответственно температура теплоносителя на входе и выходе из отопительного прибора, °С; 4н - расчетная температура внутреннего воздуха в помещении, °С; 70 - нормированный температурный напор, при котором проводились испытания прибора, °С; п - эмпирический показатель степени при относительном температурном напоре.

При выборе прибора из каталога номинальный тепловой поток выбранного отопительного прибора должен быть больше или равен ориентировочному.

В классической методике учитываются дополнительные поправочные коэффициенты, то есть реальная теплоотдача прибора Опр, Вт, может быть определена по формуле [1]:

где 'н - расчетная температура наружного воздуха, °С.

Поскольку температура выходящего из прибора теплоносителя будет напрямую зависеть от теплоотдачи прибора, а также расхода, то правильнее не принимать заданное значение по температурному графику, а определять согласно формуле [2]:

(

'вых 'в

3,6бн п

1

V

360

70 Свод°пр

1—т

( — 'в )п

где с - поправочный коэффициент, с помощью которого учитывается влияние движения теплоносителя на тепловой поток и коэффициент теплопередачи прибора при нормированных температурном напоре, расходе теплоносителя и атмосферном давлении; т - эмпирический показатель степени при относительном расходе теплоносителя; Мпр - фактический массовый расход теплоносителя через отопительный прибор, кг/с, который в исследовании определяется по формуле:

бтп

где св - теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг °С); Ь - безразмерный поправочный коэффициент на расчетное атмосферное давление; р3 - безразмерный поправочный коэффициент, характеризующий зависимость теплопередачи радиатора от количества секций в нем при любых схемах движения теплоносителя (только для секционных радиаторов); р - безразмерный поправочный коэффициент, с помощью которого учитывается специфика зависимости теплового потока и коэффициента теплопередачи отопитель-

где впр - фактический массовый расход теплоносителя через отопительный прибор, кг/ч.

Термостатический клапан при отклонении температуры будет уменьшать расход впр до тех пор, пока температура воздуха в помещении не достигнет требуемой. Однако термостатическая головка термостатического клапана обладает гистерезисом [3]. В данной работе гистерезис для клапана выбран 0,5 °С.

Таким образом, для определения фактического расхода через прибор, который будет обеспечивать требуемую температуру, по формулам 3-7 провести прямой расчет не представляется возможным. Поэтому в первом приближении выбирается температура теплоносителя на выходе из прибора по температурному графику, а затем методом приближении определяем расход теплоносителя через прибор до тех пор, пока отклонение фактической температуры воздуха не будет меньше гистерезиса. При этом инерционность отопительных приборов и отапливаемых помещений учитывать не будем, так как нас интересует максимальное возможное отклонение расхода теплоносителя от проектного.

Результаты исследования

В качестве примера рассмотрим жилые комнаты жилого здания, расположенного в г. Москве. Здание обслуживается водяной системой отопления. Расчётная температура наружного воздуха

по [4] ?н равна -25 °С, атмосферное давление по

[4] принимаем равным 997 гПа, расчётная температура внутреннего воздуха 20 °С согласно [5]. Теплопотери помещений принимаем с шагом по 150 Вт от 400 до 1450 Вт. Температурный график системы отопления 95/70 °С.

В данной работе исследование проведено для панельных радиаторов КБРМ! и конвекторов «Экотерм». Поправочные коэффициенты для данных приборов принимаются по рекомендациям «Витатерм» [6, 7]. Для радиаторов КБРМ! коэффициенты принимаются в зависимости от схемы движения теплоносителя в приборе.

Результаты расчета сведены в таблицы 1-2.

Таблица 1

торых является не только поддерживание требуемой по температурному графику температуры подающего теплоносителя, но и ограничение температуры обратной воды от превышения (см. рис. 1).

Теплопотребность помещения, Вт

400 550 700 850 1000 1150 1300 1450

Номинальная теплоотдача прибора, Вт 534 668 801 1052 1125 1353 1567 1695

Расчетный расход теплоносителя, кг/ч 13,7 19,1 24,1 29,2 34,6 39,7 44,6 50

Фактический расход теплоносителя, кг/ч 9 18 28,8 28,8 43,2 43,2 43,2 54

Отклонение по расходу, % -34 -6 19 -1 25 9 -3 8

Фактическая температура на выходе из отопительного прибора, °С 58,4 68,8 74,0 69,3 75,0 72,0 69,2 71,9

Таблица 2 Результаты расчета конвекторов настенных ЭКОТЕРМ

Теплопотребность помещения, Вт

400 550 700 850 1000 1150 1300 1450

Номинальная теплоотдача прибора, Вт 468 795 812 1023 1171 1377 1598 1668

Расчетный расход теплоносителя, кг/ч 13,7 19,1 24,1 29,2 34,6 39,7 44,6 50

Фактический расход теплоносителя, кг/ч 28,8 14,4 43,2 43,2 54 54 54 79,2

Отклонение по расходу, % 110 -25 79 48 56 36 21 58

Фактическая температура на выходе из отопительного прибора, °С 82,9 62,9 80,9 77,9 79,0 76,6 74,2 79,1

По результатам видно, что отклонение расхода теплоносителя протекающего в приборах вследствие регулирования достигает от 110 % до -34 %. В действительных единицах расход воды в приборах отклоняется от проектного на 4-29 кг/ч. При общем количестве приборов в системе отопления около 100 шт., и средней реальной мощностью приборов 700 Вт отклонение общего расхода будет составлять 1100-1900 кг/ч (снижение на 50-80 % от общего расхода!). Таким образом, насос будет работать не в расчетном режиме, а клапаны системы возьмут на себя функцию дросселей.

Стоит отметить, что в конструкции современных тепловых пунктов предусмотрены автоматические регуляторы температуры [8], задачей ко-

Рисунок 1. Принципиальная схема ИТП здания: 1 — узел учёта тепловой энергии; 2 — регулирующий клапан; 3 — термометр сопротивления на подающей магистрали; 4 — смесительно-циркуляционный насос; 5 — термометр сопротивления на обратной магистрали; 6 — программируемый регулятор температуры

По результатам исследования видно, что температура теплоносителя на выходе из отопительного прибора может возрастать до 82,9 °С, при расчетной 70 °С. Это приведет к перекрытию регулирующего клапана, и временному снижению температуры подающего теплоносителя. В свою очередь это приведет к снижению теплоотдачи во всех приборах системы, и очередному реагированию термостатических клапанов и других регуляторов.

Выводы

1. Выбор отопительных приборов без учета дополнительных поправочных коэффициентов может привести к отклонению расчетного расхода теплоносителя в значительном диапазоне, что приводит к выходу циркуляционного насоса вне оптимального режима работы с пониженным КПД.

2. Кроме того, отклонение температуры теплоносителя выходящего из отопительного прибора будет значительным, что в свою очередь повлияет на регулирование в индивидуальном тепловом пункте, и созданию теплогидравлических «колебаний» в контуре системы отопления.

3. Выбор отопительных приборов влияет не только на тепловой комфорт в обслуживаемых помещениях, но и на всю систему в целом.

Литература

1. Махов Л.М. Отопление: учебник для вузов. М.: Издательство АСВ, 2014. — С. 400.

2. Махов Л.М., Усиков С.М. Расчёт переменного гидравлического режима работы системы водяного отопления. АВОК. — 2014. — № 2. — С. 54—62.

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю 6

м о

3. Пырков В.В. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. К.: II ДП «Так1 справи», 2010. — С. 360.

4. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуальная версия СНиП 23-01-99 — М.: НИИСФ РААСН, 2012. — С. 113.

5. ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.— М.: ОАО СантехНИИпроект, 2011. — С. 12.

6. Рекомендации «Витатерм» «Рекомендации по применению стальных панельных компактных и вентильных радиаторов фирмы «КегтЬ (третья редакция)», 2004.

7. Рекомендации «Витатерм» «Рекомендации по применению отопительных конвекторов «Эко-терм», 2003.

8. Колодкина А.С., Марьясин О.Ю. Компьютерное моделирование энергоэффективных алгоритмов управления теплоснабжением зданий. Математические методы в технике и технологиях - ММТТ. — 2014. — № 7. — С. 20—23.

Keywords: heating devices, water heating system, indi-vidual

heat point, thermostatic valves. References

1. Mach L. M., heating: textbook for universities. M.: Publishing

house ASV, 2014. — P. 400.

2. Makhov L. M., Usikov S. M. Calculation of variable hydraulic

mode of operation of the water heating system. AVOK. — 2014. — № 2. — P. 54-62.

3. Pyrkov V. V. Hydraulic regulation of heating and cooling systems. Theory and practice. K.: II DP "Taki spravi", 2010. — P. 360.

4. SP 131.13330.2012. Construction climatology. The current version of SNiP 23-01-99 — M.: NIISF RAASN, 2012. — P. 113.

5. GOST 30494-2011. Residential and public buildings. Parameters of the micro-climate in the premises.— M.: JSC Santekhniiproekt, 2011. — P. 12.

6. Recommendations "Vitaterm" "Recommendations for the use of

steel panel compact and valve radiators company "Kermi" (third re-daction)", 2004.

7. Recommendations "Vitaterm" "recommendations for the use of

the heater among heaters "ekoterm", 2003.

8. Kolodkina A. S., Maryasin O. Yu. Computer simulation of energy-efficient algorithms for heat supply control of buildings. Mathematical methods in engineering and technologies -mmtt. — 2014. — № 7. — P. 20-23.

Influence of the method of thermal calculation of heating devices on the hydraulic operation of water heating systems

Usikov S.M., Kuzmin A.D., Yushkova A.N.

NIU MGSU, JSC "Mosoblgaz»

In this paper we consider the problem of an illiterate you Bora heating devices according to the methods imposed by the manufacturers of the heating equipment for easy and quick preparation of specifications and cost estimates. If the thermal calculation of heating devices is carried out taking into account only the recalculation according to the temperature schedule of the system, then in modern systems with the use of thermostatic valves and automatic regulators there will be a regular restructuring of the thermal-hydraulic operating mode, which can lead to a decrease in the efficiency of the pumps of the system, as well as premature wear of the equipment. In addition, the actual temperature of the coolant in the return heat pipe in the design practice is given a specific value, and in fact will depend on the type of device, coolant flow and other factors. The purpose of this work is to identify the impact of the results of the selection of heating devices by a simplified procedure on the thermal-hydraulic operation of the heating system during operation. The scientific novelty of the work is the proposed method of assessing the thermal-hydraulic mode m of operation of the heating system with the wrong heating

^ device. At the same time, the proposed method will also be fair

CS when the selection of heating devices was not performed, and

<3 during construction and operation heating devices available in

oi the warehouse were installed. On the example of panel

radiators and convectors, the analysis of how the proposed technique can affect the deviation of the actual flow rate of the coolant from the design, as well as how much the temperature of the return coolant in the system can deviate. According to the results of the study, conclusions are made about the admissibility of the application of a simplified method of Uj choosing heating devices in the practice of designing water

QQ heating systems with automatic control.

3

<

m о x

X