4.2.3. Анализ режимов работы системы теплоснабжения и отопления

Тепловая энергия, передаваемая различными энергоносителями, (газ, топливо, водяной пар, горячая вода) на промышленных предприятиях используется для:

производственных силовых целей (молоты, прессы, ковочные машины);

производственных тепловых целей (печи, теплообменные аппараты, сушильные и выпарные установки, холодильные установки);

отопления и вентиляции;

бытовых целей (душевые, прачечные, моечные машины).

Наиболее распространенными теплоносителями являются водяной пар и вода с температурой до 150°С, производимые в котельной и по трубопроводам направляемые к потребителям. Во многих случаях использование пара неэффективно, т.к. сложен контроль за потреблением энергии и дорого поддержание давления и температуры неиспользуемого пара. Паропроводы зачастую плохо изолированы, имеют утечки в местах соединений по всей сети.

Система регулирования отопления осуществляется по температуре при постоянном расходе воды. Во многих случаях поток регулируется дважды в год в начале и конце отопительного периода. Расход воды по сети летом составляет около 80% от зимнего расхода. Обычно температура воды в прямой линии колеблется от 80 до 150°С, в обратной линии в основном находится в пределах 55-70 С.

Системы отопления работающие при постоянном расходе и регулировании температурой теплоносителя имеют недостатки по сравнению с системой регулирования подачей воды:

Система инерционна, изменение температуры в системе затягивается на несколько и более часов. Температура регулируется несколько раз в сутки, в основном, чтобы удовлетворить запросы потребителей, наиболее удаленных от источника теплоты.

Сетевой циркуляционный насос работает с постоянной нагрузкой, независящей от передаваемой тепловой мощности и рассчитанной на максимальный режим теплопотребления системы отопления. Это приводит к перерасходу электрической энергии. Площадь под отопительным графиком «тепловая нагрузка-время работы с этой нагрузкой» пропорциональна количеству теплоты переданной в систему теплоснабжения за отопительный сезон. При регулировании отопления температурой подаваемой воды мощность, потребляемая циркуляционным насосом постоянна, а энергия пропорциональна площади прямоугольника, одна из сторон которого равна мощности потребляемой насосом, соответствующей максимальной подаче, а другая — продолжительности отопительного периода. При регулировании системы теплоснабжения подачей необходимого количества горячей воды, нагретой до заданной постоянной температуры, мощность насосного агрегата пропорциональна расходу горячей воды в системе в третей степени (для турбулентного режима) и график зависимости мощности насоса во времени отопительного сезона напоминает отопительный график. При этом площадь под графиком равна энергии, затраченной на прокачку теплоносителя, которая меньше, чем в первом случае.

Рис. 5 Экономия энергии циркуляционного насоса при количественном регулировании

Обозначения: — мощность, потребляемая циркуляционным насосом,

— продолжительность отопительного периода.

Согласно опыту работы в Польше и Венгрии переход к системе отопления с регулированием расхода воды в системе позволяет достичь 60% экономии электроэнергии на привод циркуляционных сетевых насосов. Кроме этого замена элеваторных узлов экономичными малошумящими циркуляционными насосами с системой автоматического регулирования отопления дополнительно экономит энергию циркуляционных насосов ( нет необходимости поддерживать в системе дополнительный напор около 6-8 м. вод. ст., необходимый для работы элеватора в качестве циркуляционного насоса).

Анализ работы системы отопления

Кто виноват, и что делать, если в здании холодно? Виновными в ситуации могут быть: проектировщики ограждающих конструкций здания, строители, разработчики и монтажники систем вентиляции и отопления, теплоснабжающая организация. Поняв, кто виноват, можно принять решение.

. – что делать. Прочитав статью до конца, вы сможете разобраться в этом вопросе максимум за час. Если не сможете – обращайтесь, поможем.

В установившемся режиме, когда в течение достаточно длительного промежутка времени остаются неизменными температура наружного воздуха, температура воздуха в здании, расход теплоносителя в системе отопления и его температуры на подаче и обратке, мощность системы отопления является величиной постоянной. Макросистема, состоящая из окружающей среды, здания и водяной системы отопления, находится в равновесном состоянии, ничего не изменяется. Вся поступающая тепловая энергия рассеивается в окружающее пространство через ограждающие конструкции (стены, пол, потолок, окна, двери), при этом внутри помещений температура воздуха стабильно сохраняется неизменной.

Опираясь на вышесказанное, можно достаточно просто создать укрупненный алгоритм анализа работы системы отопления любого здания при различных температурных условиях, используя замеры параметров, которые нужно сделать всего 1 раз, затратив на это не более 15 минут!

Для обеспечения приемлемой точности результатов расчетов из-за инерционности элементов выше обозначенной макросистемы желательно чтобы установившийся режим существовал не менее 10…15 часов для малогабаритных плохо утепленных строений и не менее 3…4 суток для больших хорошо утепленных корпусов.

Экспресс-анализ системы водяного отопления в Excel.

Запустим программу MS Excel и рассмотрим пример анализа отопления реального здания.

Исходные данные:

1. Первую группу значений исходных данных для выполнения расчета и анализа следует взять из проекта. Если проекта «под рукой» нет, то можно воспользоваться рекомендациями, приведенными ниже.

Например, для г. Москвы t_нр=-26˚C, для г. Омска t_нр=-37˚C. Обычно, но не всегда: t_вр=+16С. +22С, t_пр=+95…+85˚C, t_ор=+70…+60˚C. Для регистров из гладких труб n=1,32; для чугунных радиаторов МС-140-108 при подаче воды сверху — вниз n=1,30; для конвекторов n=1,30…1,35.

2. Вторую группу значений исходных данных необходимо получить, сняв показания уличного и внутреннего термометров, а также данные приборов учета ПОСЛЕ теплового узла. Нам нужны расход и температуры теплоносителя на входе в приборы отопления здания и на выходе из батарей.

Тестирование:

3. Тестирование здания и системы отопления выполняются автоматически после ввода исходных данных.

На этом этапе мы узнаем, сколько тепла потребляет здание с температурой внутри +16˚C в текущий момент при температуре наружного воздуха -20˚C.

Определим, какими будут тепловые потери здания при -37˚C на улице.

Рассчитаем максимальную мощность системы отопления, которая может быть достигнута при расчетном расходе теплоносителя и температуре на подаче +90˚C.

Вычислим величину этого расчетного расхода воды в системе. Обращаю ваше внимание, что расход воды в системе, по-хорошему, должен быть больше, чем реальный в момент снятия показаний.

Определим эффективность работы системы отопления.

Полученное значение эффективности 91,7% говорит о том, что суммарная мощность приборов отопления здания на 8,3% меньше необходимой. Возможно, теплотехники все сделали правильно, а строители не обеспечили необходимую теплозащиту здания, а возможно — это просчет теплотехников… Так или иначе, но отклонение показателя эффективности на ±5…10% можно считать не критическим и в большинстве случаев исправимым за счет настройки теплового узла без значительных материальных затрат.

Моделирование:

4. Используя результаты тестирования можно смоделировать любую ситуацию. Давайте посмотрим, что будет при лютом холоде -37˚C и работе системы отопления на максимальных режимах. Задаем температуру наружного воздуха, температуру воды на подаче и расход (смотри скриншот выше).

5. Результаты моделирования работы системы отопления вычисляются программой без участия пользователя.

В результатах мы видим – воздух в здании нагреется лишь до +14,1˚C, система отопления не обеспечивает необходимые +16˚C.

Еще хуже будет ситуация, если мы вместо расчетного расхода теплоносителя введем в программу фактический на момент снятия показаний расход воды.

Температура в здании будет еще меньше на 1˚C — +13,1˚C.

Заключение.

Тестирование можно выполнить несколько раз при различных температурах наружного воздуха и усреднить результаты для получения большей верности.

Не стоит ждать от программы абсолютной точности до десятых долей градуса и даже – до градуса, потому что с такой же точностью необходимы значения и всех исходных данных, а так же продолжительная устойчивая погода, предшествующая снятию показаний приборов. Тем не менее, достаточная практическая точность рассмотренным методом обеспечивается.

Используя результаты моделирования, можно построить рабочий температурный график отопления для конкретного здания при сложившихся условиях эксплуатации и сравнить его с графиком теплоснабжающей организации.

Выполнив с помощью представленной программы анализ системы отопления, вы поймете, что нужно делать – утеплять стены и потолок (это никогда не вредно, но дорого), или добавлять (снимать) приборы отопления, или следует потребовать от энергетиков более жесткого соблюдения температурного графика подачи теплоносителя.

Программа помогает быстро, просто и точно определить из-за чего возникли проблемы с отоплением и «поставить пациенту правильный диагноз».

Желающих приобрести программу или заказать анализ системы отопления прошу обратиться через страницу обратной связи.

Ниже представлен скриншот варианта реализации программы в виде exe-файла.

Диагностика теплогидравлических режимов и эксплуатационных характеристик систем отопления

В. К. Аверьянов, член-корр. РАСН, доктор техн. наук, профессор;

А. Г. Михайлов, доктор науки и техники;

Н. В. Сулимов, инженер, Военный инженерно-технический университет Санкт-Петербурга;

А. В. Федоров, старший научный сотрудник, 26 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации

Управление качеством функционирования систем отопления (в дальнейшем СО) зданий представляет собой достаточно сложную задачу. Анализу эффективности функционирования СО посвящено значительное число работ [1–4]. В биотехническом комплексе «человек – здание – системы отопления и вентиляции» существует феномен малой чувствительности человека к отклонениям регулируемых параметров и характеристик установленного оборудования. Это связано, прежде всего, с тем, что он активно вмешивается в протекающие тепловые и вентиляционные процессы (включение дополнительных отопительных приборов, изменение кратности воздухообмена и др.) либо соглашается с нарушениями показателей теплового и воздушного режима. Такое свойство рассматриваемого комплекса привело к тому, что при расчетных параметрах теплоносителя в системах теплоснабжения 150/70 в последние годы без особо серьезных и видимых последствий во многих городах России текущие значения температуры теплоносителя в подающем трубопроводе не превышали за весь отопительный период 100 °C [5]. За этим дополнительно следует так называемый отложенный ущерб, связанный с ухудшением здоровья населения (за счет существенного снижения кратности воздухообмена в плохо отапливаемых помещениях). Несанкционированная установка у отдельных потребителей дополнительных отопительных приборов как отклик на пониженные параметры теплоносителя приводит к перерасходам теплоты (в целом по зданию) на нужды отопления. Как показано в цитируемой работе и в ряде других публикаций, такое нарушение теплового режима может приводить к перерасходу энергетических ресурсов и последующей разрегулировке СО.

Несоответствие термического сопротивления ограждения здания требуемым значениям

Главным признаком неэффективной работы СО служит ее неспособность обеспечивать нормируемый температурный режим воздуха во всех отапливаемых помещениях с соблюдением требуемой кратности воздухообмена и соответствия затраченной теплоты расчетным тепловым потерям здания. За относительно простой изложенной здесь формулировкой [1, 2] следует сложность диагностики состояния систем отопления. Вместе с тем, наладка систем отопления, своевременная оценка качества управления тепловыми и гидравлическими режимами в них может способствовать энергосбережению в топливно-энергетическом комплексе в размере 15–20 %.

Следует отметить многообразие как внутренних, так и внешних факторов, оказывающих дестабилизирующие влияние на нормальную работу СО.

Основными внутренними факторами являются:

• несоответствие термического сопротивления ограждения здания или его отдельных частей требуемым (проектным, нормативным) значениям (низкое качество строительных конструкций) (рис. 1);

• увеличение тепловых потерь и/или инфильтрации наружного воздуха из-за ухудшения теплотехнических качеств наружных ограждений вследствие физического износа конструкций или несоблюдения правил технической эксплуатации (неподготовленность здания к зиме и др.) (рис. 2);

• несоблюдение правил технического обслуживания СО и ее отдельных элементов при ее эксплуатации (завоздушивание, длительная эксплуатация СО без промывки и др.) (рис. 3);

• несанкционированное вмешательство потребителей в работу СО (установка дополнительных отопительных приборов, регуляторов и т. д.);

• отсутствие средств автоматизации на вводе в здание и в самой СО, позволяющих корректировать теплоотдачу отопительных приборов при изменении условий теплового баланса в помещениях.

Увеличение инфильтрации вследствие износа (старения) оконных рам

Кроме вышеперечисленных внутренних факторов, нарушения в работе СО могут быть вызваны и внешними причинами – несоблюдением графика регулирования температур теплоносителя в тепловой сети, занижением как перепада давлений (расхода воды) на вводе тепловой сети, так и напора в обратной магистрали (возникновение опасности опорожнения СО).

Существующая на сегодняшний день система оценки работы СО на основе показателей надежности не способна со всей полнотой ответить на вопросы о качестве ее функционирования. Требуется разработка системы показателей (критериев), дающих возможность оценить работу как СО в целом, так и ее отдельных составляющих. Имеющиеся в настоящее время подходы [1–4] не в полной мере соответствуют изложенным требованиям.

Оценка работы СО на основе системы критериев имеет две функции: административную и распорядительную. С одной стороны, на основе динамики изменения показателей функционирования СО администратор имеет возможность судить о работе обслуживающей здание организации. С другой стороны, именно на основе значений критериев можно обоснованно принимать решения о перераспределении материальных и технических ресурсов, о первоочередности тех или иных технических мероприятий: необходимости проведения регламентных и ремонтных работ, назначении аудита или реконструкции и др.

Исходя из главной задачи СО – обеспечения бесперебойного поддержания оптимальных (или задаваемых) условий теплового комфорта при минимуме энергетических затрат, следует выделить две группы показателей:

а) основные критерии, оценивающие качество выполнения основной задачи СО;

б) критерии, оценивающие состояние отдельных элементов СО.

Снижение теплоотдачи отопительных приборов вследствие низкого качества технического обслуживания

Основные критерии оценки качества систем отопления

1. Соблюдение температурных режимов в отапливаемых помещениях в течение отопительного периода характеризует величина и период отклонений фактических значений температуры воздуха от оптимальных значений и оценивается [2] коэффициентом температурных отклонений (аварийности) за отопительный период:

где A_j = (t н _в – t факт _в ) – амплитуда j отклонения;

Т – продолжительность (время) отклонения;

t – продолжительность отопительного периода;

m – число эпизодических отклонений;

t н _в – нормативное значение внутренней температуры.

Здесь характер отклонений может классифицироваться отказами I, II и III родов.

Отказом I рода считается отклонение отопительных параметров в зону допустимых значений. В случае отклонения параметров за пределы зоны допустимых значений, но не настолько, чтобы в системе здания (или зданий) наступили необратимые процессы – размораживание элементов, значительный технологический ущерб и др., считается, что произошел отказ II рода. При аварийных ситуациях, наступивших в результате несоблюдения параметров и повлекших за собой конкретные издержки (последующие ремонтные работы, технологические ущербы и др.), имеет место отказ III степени.

Коэффициент аварийности может определяться по вышеприведенной формуле отдельно для отказов I, II и III родов.

В ходе мониторинга (единовременного наблюдения) качество соблюдения температурных режимов в отапливаемых помещениях характеризуется коэффициентом рассогласования значений внутренней температуры воздуха в отапливаемых помещениях:

где t факт _вcp – фактическая средняя температура в здании, измеряемая или опосредованно вычисляемая на основе косвенных параметров [2];

t норм _в – средняя нормативная температура внутреннего воздуха в здании.

2. Эффективность использования энергоресурсов системой отопления за отопительный период можно оценивать коэффициентом эффективности СО:

q’_уд – расчетное, нормативное или базовое значение удельного расхода тепла на отопление здания;

q_уд – реальное или фактическое значение удельного расхода тепла на 1 м 2 жилой (полезной) площади здания;

W год’ _o – расчетный (паспортный) годовой расход тепла на отопление здания (за отопительный период);

A – общая жилая или полезная площадь здания;

ГСOП’ – расчетное значение градусосуток отопительного периода для данной местности.

При проведении мониторинга единовременная эффективность использования энергоресурсов в СО оценивается коэффициентом единовременной эффективности СО:

где Q_{норм i} – нормативное значение расхода тепла на отопление здания при текущей температуре наружного воздуха;

Q_{факт i} – фактический расход тепла на СО.

При определении основных критериев в ходе мониторинга или периодического обследования здания может быть предложена следующая градация оценок состояния СО.

1. Коэффициент температурных отклонений (аварийности).

При s _on ≥ 0,975 для отказов I рода и при отсутствии отказов II и III родов – техническое состояние системы отопления хорошее.

При 0,9 ≤ s _on s _on ≥ 0,975 для отказов II рода, при отсутствия отказов III рода – техническое состояние системы отопления удовлетворительное.

При s _on s _on e _co ≥ 0,95 – система отопления эффективна, функционирует хорошо.

При 0,85 ≤ e _co e _co e _co D t’_co – расчетный средний температурный напор в СО;

d t’_co = t’₁ – t’₂– расчетная разность температур в СО;

n – коэффициент, определяемый видом отопительного прибора и типом СО.

При кусочной линеаризации этих уравнений и исключении из них температуры наружного воздуха, получаются достаточно простые для использования обслуживающим персоналом (хотя и обладающие известной погрешностью) зависимости для оценки температуры внутреннего воздуха:

где t₁ и t₂ – текущие значения температур воды на входе и выходе из СО соответственно;

– относительный расход теплоносителя в СО – отношение текущего расхода теплоносителя к его расчетному значению;

C₁ и C₂ – коэффициенты, неизменные для некоторой области температур наружного воздуха.

Уравнения регулирования основаны на модели СО, в которой она представляется в виде единого сосредоточенного отопительного прибора. Основанные на этой модели зависимости могут применяться с приемлемой погрешностью при диагностике состояния двухтрубных СО в широком диапазоне изменяемых параметров.

Для однотрубных СО меньшей погрешностью обладают уравнения, полученные на основе представления СО в виде протяженного линейного отопительного прибора. При использовании этой модели параметры теплоносителя в СО связаны между собой известной зависимостью:

где A_t – коэффициент, определяемый расчетными параметрами СО.

На основе вышеприведенного уравнения для однотрубных СО может быть предложена следующая формула для оценки средней температуры внутреннего воздуха в здании:

где

Здесь B_t – коэффициент, определяемый расчетными параметрами СО.

Таким образом, при развитии систем мониторинга СО и энергетического аудита зданий различного предназначения весьма важным становится количественная оценка показателей функционирования технических систем.

В следующих публикациях будут предложены к рассмотрению критерии, оценивающие состояние элементов отопительной системы.

Литература

1. Лупей А. Г. О диагностике состояния систем отопления потребителей тепловой энергии // С.О.К. – 2004. – № 8.

2. Чистович С. А., Аверьянов В. К. и др. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления. – Л. : Стройиздат, 1987.

3. Кокорин О. Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха. – М., 1999.

4. Фаликов В. С. Энергосбережение в системах тепловодоснабжения зданий. – М., 2001.

5. Шарапов В. И., Ротов П. В. Технологии регулирования нагрузки систем теплоснабжения. – Ульяновск : УЛГТУ, 2003.