О качественно-количественном регулировании подачи теплоты в здания

О.Д.Самарин, доцент, канд. техн. наук,
Пуликова М.И., инженер (МГСУ)

В практике реализации централизованного теплоснабжения в России принято осуществлять качественное регулирование подачи теплоты потребителям в течение отопительного периода за счет изменения температуры воды в подающей магистрали тепловой сети Т₁, о С, в зависимости от текущей температуры наружного воздуха t_н, о С [1]. Это связано с необходимостью поддержания стабильного гидравлического режима наружных тепловых сетей за счет постоянства расхода циркулирующей в них воды. Такое регулирование производится на теплоисточнике по специальному температурному графику, который рассчитывается, исходя из характеристик отопительных приборов в преобладающей части зданий, обслуживаемых данным источником. В этом случае контур регулирования получается незамкнутым, поскольку обратная связь по результатам измерения температуры воздуха в помещениях, как правило, используется только для местного и индивидуального регулирования, дополняющего центральное. Следовательно, имеет место регулирование «по возмущению».

Однако возможны ситуации, когда фактически установленные в здании отопительные приборы имеют иную зависимость теплоотдачи от среднего температурного напора, чем это было принято в расчете графика центрального регулирования. Тогда локальный температурный график для рассматриваемого объекта также будет иным. Поэтому в случае независимого присоединения местной системы отопления через поверхностный теплообменник при постоянстве расхода воды в данной системе, вызванного, опять-таки, потребностью в стабилизации ее гидравлического режима, поддержание такого графика в течение отопительного периода будет возможно только при изменении количества сетевой воды, подаваемой в теплообменник.

Следует, однако, заметить, что при оборудовании отопительных приборов автоматическими терморегуляторами (термоклапанами), что в настоящее время при новом строительстве осуществляется в обязательном порядке [2], неизменность общего расхода теплоносителя в системе отопления не столь актуальна, так как возникающее в такой конструкции высокое гидравлическое сопротивление приборных узлов значительно повышает гидравлическую устойчивость местной системы. Одновременно такие устройства производят корректировку центрального регулирования применительно к особенностям конкретных помещений и установленных там отопительных приборов, причем контур регулирования получается уже замкнутым, поскольку основным контролируемым параметром становится температура внутреннего воздуха.

Тем не менее, было бы желательно минимизировать отклонения, вносимые в работу системы индивидуальными регуляторами, и исключить необходимость компенсации систематической ошибки, связанной с несовпадением центрального и локального температурных графиков. Это связано, в том числе, и с ограниченностью зоны пропорциональности у выпускаемых сейчас термоклапанов, которая обычно лежит в диапазоне 0.5 – 2 К [3]. При выходе внутренней температуры из этих пределов клапаны либо полностью закрываются, либо открываются, и дальнейшее регулирование прекращается. К тому же при активных колебаниях расхода начинается взаимное влияние разных клапанов, и качество поддержания теплового режима еще более ухудшается. Наконец, необходимо учесть и потребности существующих зданий с приборными узлами, оснащенными традиционной ручной арматурой.

Получим выражение для изменения относительного расхода сетевой воды через теплообменник в зависимости от относительной безразмерной разности δt температур внутреннего (t_в) и наружного (t_в) воздуха: ,

где t_н5 – расчетная температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки [4].

Как известно, график центрального качественного регулирования систем теплоснабжения описывается выражениями [1]:

(1)

где – расчетная разность температур воды в тепловой сети, вычисляемая по формуле

– средняя расчетная температура воды в тепловой сети, определяемая по соотношению:

n – показатель степени, характеризующий зависимость теплоотдачи отопительных приборов от перепада температур между водой и воздухом.

Аналогичные зависимости можно записать и для системы отопления, только вместо и здесь будут использоваться соответственно и .

На Рис.1 показаны результаты расчетов по данным выражениям. Красные линии обозначают температуры сетевой воды, черные – в системе отопления.

δt

Рис.1. График центрального качественного регулирования систем теплоснабжения и отопления

При этом были приняты следующие расчетные значения величин:

— температура воздуха в отапливаемом здании = 18°С [5];

— расчетная температура теплоносителя при t_н = t_н5 в подающем трубопроводе тепловой сети = 150°С;

— то же, в обратном = 70°С;

— показатель n = 0.25 [2] – для преобладающей части отопительных приборов конвективно-радиационного типа в районе, обслуживаемом системой теплоснабжения;

— то же, в подающем трубопроводе системы отопления: = 90 °С;

— то же, в обратном = 90 °С;

— показатель n = 0.33 [2] – для приборов конвективного типа, установленных в рассматриваемом здании.

Формулу для основной интересующей нас величины можно получить, если решить систему уравнений, включающих соотношения (1), уравнение теплопередачи в теплообменнике и выражение для среднелогарифмической разности температур. В безразмерном виде такое решение имеет следующий вид (2):

(2)

Здесь температуры с индексами «граф» представляют собой текущие значения, определяемые в зависимости от δt по графику центрального качественного регулирования (Рис.1). Степень 0.4 при параметре появляется при учете изменения коэффициента теплопередачи теплообменника от расхода воды в процессе эксплуатации [1]. Величина обозначает расчетную среднелогарифмическую разность температур в теплообменнике, которая может быть вычислена независимо через , , и и, таким образом, тоже является постоянной. Заметим, что в полученное выражение не входит расчетный коэффициент теплопередачи теплообменника и его поверхность нагрева, а также расчетная тепловая нагрузка и расчетные расходы воды в системах теплоснабжения и отопления.

На Рис.2 показана связь и δt в соответствии с уравнением (2) для рассматриваемого примера.

δt

Рис.2. Изменение относительного расхода сетевой воды через теплообменник в течение отопительного периода.

Поскольку (2) является неявной и к тому же нелинейной функцией, расчет приходится вести методом последовательных приближений.

Таким образом, при оптимальном для водяных систем отопления графике центрального регулирования определенному значению относительного расхода теплоносителя соответствует определенное значение его температуры (по Рис.1 при той же δt). Иными словами, оптимальный график центрального регулирования систем водяного отопления является графиком качественно-количественного регулирования. Легко видеть, что при повышении наружной температуры величина несколько снижается. Такое снижение и обеспечивается регулятором расхода сетевой воды, работающим в зависимости от текущего уровня наружной температуры.

1. А.А Ионин и др. Теплоснабжение. – М.: Стройиздат, 1982. – 336 с.

2. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование». – М.: ГУП ЦПП, 2004.

3. А.Н.Сканави, Л.М.Махов. Отопление. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – 576 с.

4. СНиП 23-01-99 * «Строительная климатология». – М.: ГУП ЦПП, 2004.

5. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. – М.: – ГУП ЦПП, 1999.

Регулирование отпуска тепла

Здраствуйте! Передача тепла системами теплоснабжения осуществляется в отопительных приборах внутренних систем теплоснабжения потребителей. По теплоотдаче этих отопительных приборов судят о качестве всего централизованного теплоснабжения. Изменение параметров и расходов теплоносителя в соответствии с фактической потребностью потребителей называется регулированием отпуска тепла.

Регулирование отпуска тепла повышает качество теплоснабжения, сокращает перерасход тепловой энергии и топлива. Существуют следующие методы регулирования: центральное, групповое, местное, и индивидуальное регулирование.

Центральное регулирование — выполняется на теплоисточнике (ТЭЦ, котельной) по тому виду нагрузки,который преобладает у большинства потребителей. Чаще всего, это конечно отопление, либо совместная нагрузка на отопление и горячее водоснабжение. Реже нагрузка на вентиляцию, технологию.

Групповое регулирование — осуществляется в ЦТП (центральных тепловых пунктах) для группы однотипных потребителей, например для многоквартирных домов. В ЦТП поддерживаются необходимые параметры, а именно расход и температура.

Местное регулирование — это регулирование в ИТП (индивидуальных тепловых пунках). Проще говоря, в теплоузлах. Здесь уже проводится дополнительная корректировка с учетом особенностей конкретного потребителя тепла.

Индивидуальное регулирование — это регулирование непосредственно внутренних систем теплоснабжения. То есть стояков, радиаторов, отопительных приборов. Об этом я писал в этой статье .

Суть методов регулирования можно понять из уравнения теплового баланса: Q=Gc*(τ1-τ2)*n/3600=κ*F*Δt*n;

где Q — количество тепла, полученное отопительным прибором от теплоносителя и отданное на нагрев среды, Квтч;

G — расход теплоносителя, кг/ч;

c — теплоемкость теплоносителя, кДж/кг°С;

τ1, τ2 — температуры теплоносителя на входе и на выходе,°С;

κ — коэффициент теплопередачи, кВт/м² °С;

Δt — температурный напор между греющей и нагреваемой средой, °С.

Из этого уравнения можно понять, что регулирование тепловой нагрузки возможно несколькими методами, а именно — изменением температуры — качественный метод; изменением расхода — количественный метод; периодическим полным отключением, а затем включением систем теплопотребления — регулирование пропусками.

Качественное регулирование — это изменение температуры при постоянном расходе. Это самый распространенный вид центрального регулирования тепловых сетей. Так например, теплоисточники работают по температурному графику изменения температур теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха.

Количественное регулирование — осуществляется путем изменения расхода теплоносителя при его постоянной температуре в подаче.

Регулирование пропусками, или прерывистое регулирование — это периодическое отключение систем, то есть пропуски подачи теплоносителя. Применяется на практике относительно редко, обычно в начале или в конце отопительного сезона, при сравнительно высокой температуре наружного воздуха.

Вот такие основные виды и методы регулирования отпуска тепла. Буду рад комментариям к статье.