Инерционность системы отопления это

Для поддержания постоянной температуры воздуха в помещении необходимо непрерывно, в соответствии с изменением внешних условий, изменять тепловой поток отопительных приборов системы отопления. Однако мгновенному изменению теплового потока отопительных приборов препятствует его тепловая инерция. Возможно мгновенно изменить расход поступающей в отопительный прибор горячей воды, но для соответствующего изменения его теплового потока потребуется некоторое время.

Для изменения температуры воздуха в помещении путем увеличения или сокращения количества тепловой энергии, рассеиваемой помещением в окружающую среду, также требуется определенное время.

Оба процесса «запаздывания» (изменение теплового потока отопительного прибора и расход тепловой энергии помещений) — переходные процессы от одного установившегося значения до другого — происходят одновременно, но имеют разную длительность.

Терморегулятор, как элемент системы отопления, изменяет расход теплоносителя, поступающего в отопительный прибор, в зависимости от изменения температуры воздуха в помещении. Отопительные приборы безынерционные и средней инерционности быстрее нагреваются и охлаждаются при изменении расхода и температуры теплоносителя, проходящего через них, что при эксплуатации систем отопления с терморегуляторами является более эффективным, чем использование инерционных приборов 4.

В связи с этим возникает необходимость исследования инерционных свойств различных отопительных приборов.

Динамика изменения теплового потока отопительных приборов при прерывистой подаче теплоносителя

Если для анализа динамики процесса изменения теплового потока отопительного прибора при скачкообразном изменении расхода теплоносителя принять, что отопительный прибор представляет собой однородное тело с одинаковой температурой во всех его точках, а помещение бесконечно большое, то переходные процессы нагревания и охлаждения отопительного прибора можно описать уравнением экспоненты [2]:

, °С, (1)

, °С, (2)

где — постоянная времени прибора;

, (3)

здесь — масса прибора, кг; — удельная массовая теплоемкость прибора; кДж/(кг·°С); — коэффициент теплопередачи отопительного прибора, Вт/(м2·°С); — площадь поверхности отопительного прибора, м2;

— температурный напор, °С;

, °С, (4)

здесь — установившийся температурный напор в конце переходного периода, °С;

, °С, (5)

Практически будет достигнуто примерно через , а при температурный напор .

Таким образом, переходные процессы нагревания и охлаждения отопительного прибора зависят от объема, массы и физических свойств материалов приборов и ограждающих конструкций обогреваемого помещения. График процесса нагревания прибора изображен на рис. 1. Из уравнения (2) следует, что охлаждение нагревательного прибора описывается уравнением экспоненты с той же постоянной времени , что и при нагревании (рис. 1).

Рис. 1. Графики процессов нагревания и охлаждения отопительного прибора:

1 – процесс нагревания; 2 – процесс охлаждения; 3 – постоянная времени прибора — .

При выводе уравнений, описывающих переходные процессы изменения теплового потока при нагревании и охлаждении отопительных приборов, вызванные скачкообразным изменением расхода теплоносителя, допущение об однородности нагревательного прибора привело к тому, что постоянные времени прибора при нагревании и охлаждении получились одинаковыми.

Реальные процессы нагревания и охлаждения отопительных приборов водяной системы отопления значительно отличаются от идеальных. В действительности масса приборов для водяной системы отопления (с отопительными приборами конвекторами и радиаторами) состоит из составляющих:

, кг, (6)

где — масса материалов, из которых изготовлен отопительный прибор, кг;

— масса воды, содержащейся в отопительном приборе, кг.

Когда прибор нагрет до , то все его составляющие имеют свою установившуюся температуру, от которой начинается охлаждение прибора. При нагревании прибора горячая вода в этом процессе не участвует, так как подается она в прибор практически мгновенно с температурой .

График реальных процессов нагревания и охлаждения радиатора представлен на рис. 2.

Рис. 2. Графики реальных процессов нагревания (1) и охлаждения (2) отопительных приборов системы водяного отопления.

Из зависимостей (1) и (2) видно, что процесс регулирования теплового потока отопительного прибора зависит от его постоянной времени , которая для каждой конструкции прибора будет разной. Чем больше масса и теплоемкость прибора, тем больше будет у него постоянная времени. Например, у радиатора постоянная времени больше, чем у конвектора.

Из изложенного следует:

1) переходный процесс при количественном регулировании теплового потока отопительного прибора является функцией его постоянной времени — чем больше постоянная времени , тем медленнее изменяется температура прибора соответственно количеству поступающей в него горячей воды;

2) чем меньше масса воды в приборе по отношению к массе материалов, из которых он изготовлен, тем ближе по величине постоянная времени нагревания к его постоянной охлаждения, их равенство будет достигнуто при отношении

; (7)

3) процесс регулирования теплового потока приборов зависит от конструкции приборов, вида и массы материалов, из которых они изготовлены.

Значительное влияние на работу приборов оказывает скорость протекания через них воды. Чем больше скорость, тем интенсивнее теплообмен в приборе, быстрее происходит замена в приборе охлажденной воды на горячую, сокращается время чистого запаздывания, и, следовательно, можно быстрее изменить его тепловой поток в процессе регулирования. Поэтому отопительные приборы дополнительно классифицируются [2]:

— по величине тепловой инерции (по их постоянной времени) на инерционные — с ч; средней инерционности — с Т ч и безынерционные – с ч;

— по скорости движения в них воды на скоростные и емкостные приборы.

Результаты исследования отопительных приборов в условиях прерывистой подачи теплоносителя

Для оценки инерционности отопительных приборов проведены измерения на экспериментальном стенде в режиме прерывистой подачи теплоносителя в отопительные приборы (конвектор и радиатор). Исследованы конвектор типа Atoll (ПКН 310) производства ОАО «Фирма Изотерм» (Санкт-Петербург, Россия) и панельный радиатор типа Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) производства фирмы Kermi (Германия).

Результаты измерений для конвектора типа Atoll (ПКН 310) представлены на рис. 3, а для панельного радиатора типа Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) – на рис. 4. При прерывистой подаче измерялись следующие параметры:

— T1 – температура теплоносителя на входе в отопительный прибор, °С;

— T2 – температура теплоносителя на выходе из отопительного прибора, °С;

— T3 – температура воздуха на выходе из отопительного прибора, °С.

Для определения и сравнения инерционных характеристик приборов результаты измерений представлены в виде зависимости относительной температуры воздуха на выходе из отопительных приборов от времени (рис. 5):

;

. (8)

Постоянные времени отопительных приборов:

— в режиме нагревания: конвектора Atoll (ПКН 310) — мин; панельного радиатора Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) — мин;

— в режиме охлаждения: конвектора Atoll (ПКН 310) — мин; панельного радиатора Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) — мин.

Рис. 3. Результаты измерений для конвектора типа Atoll (ПКН 310) при прерывистой подаче теплоносителя.

Рис. 4. Результаты измерений для панельного радиатора типа Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) при прерывистой подаче теплоносителя.

Рис. 5. Изменение безразмерной температуры воздуха на выходе из отопительного прибора: а) режим нагрева; б) режим охлаждения.

Заключение

1. Процесс регулирования теплового потока отопительных приборов зависит от конструкции приборов, вида и массы материалов, из которых они изготовлены.

2. По результатам испытаний отопительных приборов установлено:

— конвектор Atoll (ПКН 310) производства ОАО «Фирма Изотерм» (Санкт-Петербург) в режиме нагрева по величине тепловой инерции (по постоянной времени) относится к безынерционным отопительным приборам – мин; в режиме охлаждения — также к безынерционным отопительным приборам – мин;

— панельный радиатор Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) производства фирмы Kermi (Германия) в режиме нагрева по величине тепловой инерции (по постоянной времени) относится к безынерционным отопительным приборам – мин; в режиме охлаждения – к приборам средней инерционности — мин.

Рецензенты:

Гримитлин А.М., д.т.н., профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», ФГБОУ ВПОУ «СПбГАСУ», г. Санкт-Петербург;

Анисимов С.М., д.т.н., профессор кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», ФГБОУ ВПОУ «СПбГАСУ», г. Санкт-Петербург.

Инерционность систем отопления

Инерционность системы отопления — это характеристика, определяющая насколько быстро система может нагреваться и охлаждаться. Инерционность системы зависит от количества теплоносителя, его качественных характеристик (вода или спец теплоноситель), входящего в систему, от типа и количества труб и от размеров отопительных приборов, а так же от количества углов поворота в системе, правильно выбранный котловой коллектор или распределительная гребенка Например инерционной системой является гравитационная система основанная на чугунном котле, имеющая большой диаметр стальных труб, чугунные батареи, вмещающие большое количество воды, и дополнительно аккумулирующий бак, содержащий свыше 1 м3 воды.

Примером динамичной системы является система на газовом котле с циркуляционным насосом, разводка из металлопластиковых труб, легкие алюминиевые радиаторы. Котел оборудован автоматикой, определяющей температуру по комнатам, и на улице и выдающей строго определенную температуру воды на выходе.

Обычно люди, занимающиеся установкой систем отопления считают, что система должна быть максимально динамична. Конечно, динамичная система обладает многими достоинствами. Динамичная система позволяет с большой точностью регулировать температуру в помещениях; правильно и быстро реагировать на резкие изменения температуры (например, открыли форточку, солнце светит в окно). Однако, за эти достоинства приходится платить.

Одним из минусов (или точнее конструкционных особенностей) является то, что динамичная система должна быть основана на котле, поддающимся автоматизации, т.е. газом, дизельном или, на худой конец, на котле на пеллетах. Динамичная система должна обладать хорошей системой автоматизации, чтобы правильно реагировать на изменения среды, а это значит что она стоит денег.

Наконец, динамичная система жизненно необходима только тогда, когда существуют резкие возмущения температуры в помещении, т.е. если сам дом обладает низкой тепловой инерцией. Наиболее яркий пример — каркасный дом, стены в котором не сохраняют тепло в общем смысле, а только теплоизолируют внутренний воздух от внешнего, т.е. если открыть форточку и заменить воздух в комнате на наружный холодный воздух, стены не смогут его прогреть и, в этом случае, действительно, система отопления должна быстро среагировать и нагреть свежий воздух в помещении. В каменном доме достоинства динамичной системы теряются, поскольку на охлаждение стен комнаты понадобиться значительное время и резкие изменения температуры в комнате невозможны.

Часто нагреть или остановить нагрев (например, при солнечной погоде) в определенной комнате не регулируя температуру возда в других не представляется возможным. Обычно это промахи проектирования или выбора системы или даже выбора составляющих системы: диаметра и длины трубопровода, маленький аккумуляторный или расширительный бак, не правильно подобран коллектор отопительный котловой. Поэтому правильно всегда после изучения возможных систем отопления всегда обращаться к специалистам. Это исключит многие будущие хлопоты.

В каменных домах инерционная система работает на равне с динамичной, однако существуют ситуации в которых требуется высокая инерционность системы. Эта ситуация возникает при наличии твердотопливного котла.

Твердотопливный котел в отличии от газового работает прерывисто, от топки до топки и, соответственно, температура теплоносителя то растет то убывает. Наиболее действенным способом справиться с этими скачками температуры является повышение инерционности системы в основном за счет увеличения количества теплоносителя, поэтому производители твердотопливных котлов рекомендуют устанавливать аккумулирующие баки, что позволяет не только снизить амплитуду колебания температуры воды, но и увеличить время между топками.