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.

Мир инженера

информация для инженеров и проектировщиков

Центральное качественное регулирование отопительно-тепловой нагрузки в системах воздушного отопления здания

Приветствую Вас, дорогие и уважаемые читатели сайта «world-engineer.ru». Итак, продолжим наш курс лекций и поговорим про системы воздушного отопления вентиляции. Система воздушного отопления, как правило, применяется для помещений с большими объемами и площадями.

Принципиальная схема системы воздушного отопления здания

1 – осевые или центробежные вентиляторы

2 – вентиляционные калориферы

5 – регулятор температуры

Система воздушного отопления здания работает следующим образом. Воздух в количестве L_О подается в вентиляторы, калориферы, которые находятся за пределами отапливаемых помещений зданий. В вентиляционном калорифере осуществляется нагрев воздуха до t_В Г , который несколько больше, чем t_В Р (t_В Г > t_В Р ). Нагретый воздух по воздуховодам направляется к распределительным устройствам. Воздухораспределители размещаются выше границы рабочей зоны на торцевых (боковых) стенах отапливаемого помещения.

Нагретый воздух компактным струями выходит из воздухораспределителей, проходит вглубь отапливаемых помещений, отдает свою теплоту в обслуживание (рабочей зоне). Затем охлажденный воздух вновь поступает в вентиляторы и подается в вентиляционные калориферы. Подогрев воздуха в вентиляционных калориферах осуществляется за счет теплоты сетевой воды в количестве G_О с температурой τ₀₁. Если из отапливаемых помещений часть воздуха удаляется системой вытяжной вентиляции (L_ВЫТЖКИ), то для восполнения этого количества воздуха в систему воздушного отопления подается воздух в количестве L_ПРИТОК с температурой t_Н.

Системы воздушного отопления малоинерционные и позволяют получить тепловой эффект сразу после включения. Система воздушного отопления обеспечивает интенсивное перемещение воздуха во всех отапливаемых помещениях и поддерживают одинаковые температурные условия по всему объему помещения. Затраты на оборудование систем воздушного отопления в несколько раз меньше по сравнению с водяными системами. Однако эксплуатация воздушного отопления требует постоянных расходов электроэнергии и сопровождается повышенным уровнем шума.

При качественном регулировании отопительно-тепловой нагрузки в системах воздушного отопления зданий температуры сетевой воды τ₀₁ и τ₀₂ находятся по выражениям:

Эти выражения – линейные уравнения при t_Н = t_В Р , 0 С. Эти линии сходятся в одну точку, а при t_Н расчетной для проектирования имеют максимальный характер при t_Н = t_Н.РО = t_НХ Б ; τ₀₁ = τ₀₁ Р ; τ₀₂ = τ₀₂ Р .

Графики изменения температуры и расхода сетевой воды при качественном регулировании отопительно-тепловой нагрузки в системах воздушного отопления здания.

Регулирование разнородной тепловой нагрузки в водяных системах централизованного теплоснабжения

В реальных системах теплоснабжения в жилых районах и предприятиях, как правило, к одному общему трубопроводу тепловой сети присоединяются потребители, которые имеют разнородные тепловые нагрузки. Законы регулирования отпуска теплоты для каждого вида нагрузок существенно отличаются друг от друга, а центральное качественное регулирование позволяет изменить отпуск теплоты только по какому-то первому закону.

Н: если всех потребителей теплоты регулировать по закону, изменяя отопительно-тепловые нагрузки, то для потребителей ГВС расход теплоты при изменении температуры будет меняться, хотя тепловая нагрузка на ГВС должна быть постоянной и не должна зависеть от температуры наружного воздуха. Поэтому при разнородной тепловой нагрузке потребителей теплоты центральное качественное регулирование на источнике теплоснабжения проводят только для одного основного и преобладающего вила тепловых нагрузок (отопление), остальные виды тепловых нагрузок изменяют дополнительным местным подрегулированием на тепловых пунктах или индивидуальное регулирование непосредственно на тепловых приборах потребителей. Как это осуществляется на практике, будет рассмотрено на примере водяной 2-х трубной закрытой системы.

Система теплоснабжения водяная 2-х трубная, закрытая, со струйным смешением, с зависимой схемой присоединения отопительных установок, с параллельным подключением подогревателей горячего водоснабжения и вентиляционных калориферов.

1 – отопительные приборы

3 – подогреватели горячего водоснабжения

4 – вентиляционные калориферы

6 – регуляторы температуры

7 – водоразборные приборы

8 – циркуляционные и повысительные насосы

Как правило, отопление – это преобладающий вид тепловой нагрузки для районов и микрорайонов, где имеются жилые, административно-бытовые здания и регулируются отопительно-тепловая нагрузка в центральном, т.е. на источнике теплоснабжения по методу качественного регулирования и изменения температуры сетевой воды, т.е τ₀₁, τ₀₂ и τ₀₃ от t_Н рассчитывается по формулам (а, б, в, г, д, е, ж, з, и) (см. «Центральное качественное регулирование отопительной тепловой нагрузки в водяных системах отопления зданий»).

Однако из рисунка можно заметить, что сетевая вода из подающего трубопровода тепловой сети поступает как в систему отопления, так и в систему ГВС. Причем поступает во всем диапазоне изменения температуры наружного воздуха, т.е. от t_Н.РО. = t_Н Б до t_Н.О. = +8 (+10 0 С).

Из расчета температуры сетевой воды по формулам (а, б, в, г, д, е, ж, з, и) видно, что при плюсовых t_Н.РО. значение τ₀₁ может быть равно 35-45 0 С. Однако в системах ГВС температура горячей воды должна быть не ниже 50 0 С и не выше 75 0 С, т.к. 50 0 C. С учетом того, что на выходе из теплового пункта должна поддерживаться более высокая температура.

Как правило, для проектирования расчетов используют температуру горячей воды t_ГВ = 55 0 С. Следовательно, на выходе из теплового пункта температура горячей воды t_ГВ должна быть не менее 60 0 С. И поэтому, как только температура сетевой воды τ₀₁ достигает значения 60 или 70 0 С (τ₀₁ = 70 0 С — для водяных закрытых систем) превращается центральное качественное регулирование и температуру сетевой воды все время поддерживается постоянной.

При этом регулирование отопительно-тепловой нагрузки производится:

— или количественным методом (τ₀₁ = const, G_О = var)

— или местными пропусками (τ₀₁ = const, G_О = const, n = var).

Очень часто при достижении температуры сетевой воды в подающем трубопроводе тепловой сети значения 70 или 60 0 С вообще прекращается регулирование отопительно-тепловой нагрузки. в этом случае, и температура сетевой воды в подающем трубопровод остается постоянной (τ₀₁ = 70 (60 0 С) = const) и расход остаются постоянными и время подачи теплоты в зданиях постоянен. Однако при этом нарушается качество теплоснабжения, здания переотапливаются и t_Н повышается.

Графики изменения температур и расхода сетевой воды при регулировании разнородных тепловых нагрузок

Рисунок А. График измерения температуры и расхода сетевой воды при регулировании разнородной тепловой нагрузки в водяной системе теплоснабжения (в зоне “излома” температурного графика регулирование отопительной нагрузки производится количественным методом).

Рисунок Б. График измерения температуры и расхода сетевой воды при регулировании разнородной тепловой нагрузки в водяной системе теплоснабжения (в зоне ”излома” регулирование отопительно-тепловой нагрузки производится местными пропусками).

Рисунок В. График – тоже самое (в зоне ”излома” регулирование отопительно-тепловой нагрузки не производится).

1-я зона на графиках соответствует качественному методу регулирования отопительно-тепловой нагрузки (когда изменяются температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах, а расход сетевой воды остается постоянным).

2-я зона на графиках, еще ее называют зонной ”излома” соответствует либо количественному методу регулирования, либо регулированию ”местными пропусками”, либо отсутствие регулирования отопительно-тепловой нагрузки.

Температура наружного воздуха, при котором прекращается качественное регулирование называется температурой начала излома (t_НЧ) температурного графика.

В зоне излома температурного графика температура сетевой воды в обратном трубопроводе τ₀₂ и температура сетевой воды на входе в отопительные приборы τ₀₃ вычисляются следующим образом:

1. Вычисляется относительная тепловая нагрузка в зоне ”излома” температурного графика, т.е. О>. Для нахождения О> в зоне ”излома” используется уравнение характеристики отопительных систем (уравнение Соколова).

Δt_О Р – температурный напор отопительных приборов

бτ₀ Р – температурный перепад системы отопления в расчетном режиме

О_О Р – относительный расход сетевой воды в системе отопления

Т.к. в выражении (*) искомая величина находится в неявном виде, то выражение решается методом последовательного приближения.

Но при этом в эти формулы подставляется значения О> рассчитанные по уравнению Соколова.

Расчет по формулам (а, б, в, г, д, е) проводят для нескольких значений температур наружного воздуха лежащих в интервале t_Н.О. = +8 (+10) 0 С. Полученные значения наносят на графики и соединяют линией.

1. Определяют расходы сетевой воды в зоне излома температурного графика.

Расчет по этим формулам (*, **, ***) проводят для нескольких значений температуры наружного воздуха, лежащие в диапазоне t_Н.О. Ф Ф > Q). Q_О Ф = О >*Q _О Р .

Основными критериями для оценки качества и фактического режима потребления тепловой энергии являются следующие показатели:

1. Коэффициент отклонения отопительно-тепловой нагрузки от требуемой.

ΔQ_О = Q_О Ф – Q_О – избыточное или недостающее количество теплоты в системах отопления зданий.

1. Фактическое значение температуры внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях зданий

t_Н – текущая температура наружного воздуха, при котором оценивается качество теплоснабжения

t_В Р – расчетная (нормативная) температуры воздуха в отапливаемых зданиях

О> – относительная отопительно-тепловая нагрузка, рассчитываемая по формуле Соколова.

t_Н.РО. – температура наружного воздуха расчетная для проектирования.

Если по последним двум выражениям значения k_О Ф >t_В Р , то это значит, что потребителям недопоставляется тепловая энергия ”недотоп”.

Если по этим же выражениям значение k_О > 1, а t_В Ф > t_В Р – ”перетоп”.

Если k_О = 1, t_В Ф = t_В Р , то это означает, что потребителям поставляется столько сколько нужно и Q_Р Ф = Q_О Р .

Надеюсь мне удалось раскрыть для Вас тему и теперь Вам понятна система воздушного отопления.