Диагностика теплогидравлических режимов и эксплуатационных характеристик систем отопления

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

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

В прошлом номере нашего журнала («АВОК», № 6, 2006, с. 28–32) были рассмотрены причины (факторы), оказывающие дестабилизирующие влияние на нормальную работу системы отопления (в дальнейшем СО) и основные критерии, оценивающие работу СО в целом. В данной статье к рассмотрению предлагаются критерии, оценивающие состояние элементов отопительной системы.

Критерии оценки состояния элементов системы отопления

1. Состояние ограждающих конструкций с точки зрения их теплотехнических характеристик оценивается коэффициентом эффективности теплозащиты здания j _огр. Коэффициент j _огр представляет собой отношение расчетных (проектных, паспортных) ( j р _огр) или нормативных ( j H _огр) значений тепловых потерь к их действительным значениям (с учетом инфильтрации через ограждающие конструкции наружного воздуха), пересчитанных на текущие условия эксплуатации:

(1)

где Q’_тп и Q’_инф – расчетные (нормативные или базовые) значения тепловых потерь через наружные ограждения и расходов тепла на инфильтрацию наружного воздуха, соответственно, при текущих значениях температур внутреннего и наружного воздуха;

Q_тп и Q_инф – фактические значения тепловых потерь через наружные ограждения и расходов тепла на инфильтрацию наружного воздуха соответственно;

– коэффициент пересчета на текущие условия эксплуатации. Рассчитывается по формуле:

(2)

где t_вн и t_н – фактические значения температур внутреннего и наружного воздуха соответственно;

t’_вн и t’_н – расчетные значения температур внутреннего и наружного воздуха соответственно.

Для здания в целом значения коэффициента эффективности теплозащиты здания может быть оценено по приближенной зависимости:

(3)

где q’_от – расчетное (паспортное), нормативное или базовое значение удельной отопительной характеристики здания;

q_от – фактическое значение удельной отопительной характеристики здания. Рассчитывается по формуле:

(4)

где Q_факт – фактический расход тепла на систему отопления здания;

V₀ – паспортный объем здания.

При этом следует помнить, что недоучет дополнительных теплопоступлений, например, солнечной радиации, может привести к значительным погрешностям вычислений. Во-вторых, тепловая характеристика здания при изменении внешних погодных условий (направления и средней скорости ветра и т. д.) переменна. И, в-третьих, здание обладает тепловой инерцией. Происходит некоторое запаздывание изменения тепловых потерь здания на соответствующее изменение температуры наружного воздуха.

Для отдельного участка наружного ограждения значение коэффициента j _огр может быть вычислено по формуле:

(5)

где R – фактическое приведенное термическое сопротивление участка ограждения, определяемое по результатам тепловизионной диагностики (рис. 1) или иными способами;

R’ – проектное (паспортное) или нормативное значение термического сопротивления наружного ограждения.

2. Фактическое состояние системы отопления (степень внутреннего загрязнения, наличие воздуха и отложений), способность СО компенсировать тепловые потери помещений предлагается оценивать с помощью коэффициента j _СО – коэффициента теплотехнического качества системы отопления, представляющего собой отношение действительного значения удельной теплопроизводительности СО к его расчетному (базовому) значению:

(6)

где (k₀F) – действительное, пересчитанное на расчетные условия значение удельной теплопроизводительности СО;

(k₀F)’ – расчетное или базовое значение удельной теплопроизводительности СО.

Расчетное значение удельной теплопроизводительности СО рассчитывается по формуле:

(7)

где Q’₀ – расчетная мощность СО;

t’_n, t’₀ и t’_вн – расчетные значения температур воды в подающей и обратной магистралях СО и внутреннего воздуха в здании (помещениях) соответственно.

Уменьшение этого коэффициента в период эксплуатации свидетельствует о возникновении неполадки в СО, связанной с нарушением ее нормальной работы, например, с разрегулированием, засорением или завоздушиванием. В свою очередь, возрастание значения (k₀F) против ожидаемой величины свидетельствует, скорей всего, об установке в СО дополнительных площадей отопительных приборов.

3. Состояние отопительных приборов (степень внутреннего загрязнения, наличие в них воздуха и отложений) характеризуется коэффициентом качества отопительных приборов e _i:

(8)

(9)

Здесь Q_{факт i} – фактическая теплоотдача i-го отопительного прибора, определяемая по результатам тепловизионной диагностики (рис. 2) или иными способами;

Q_{теор i} – теоретическая теплоотдача i-го отопительного прибора, вычисленная на основе паспортных (справочных) данных;

n – число установленных отопительных приборов.

4. Качество наладки СО оценивается коэффициентом разналадки СО:

(10)

где t_ср – средняя температура воздуха в помещениях здания в период мониторинга;

V_i, – объем i-го отапливаемого помещения.

5. Величина перерасхода (недопоставки при недотопе) тепла характеризуется коэффициентом перетопа (недотопа) здания:

(11)

где Q_{норм i} – нормативное значение теплопотребления отапливаемого здания или помещения при данной температуре наружного воздуха;

Q_{факт i} – фактический расход тепла на отопление здания.

При определении вышеперечис-ленного набора критериев в ходе мониторинга или периодического обследования здания может быть предложена следующая градация оценок состояния элементов системы отопления.

Тепловизионная диагностика строительных ограждающих конструкций

1. Коэффициент эффективности теплозащиты здания

При j _огр ≥ 0,95 – теплозащита здания эффективна, в хорошем техническом состоянии.

Тепловизионная диагностика отопительных приборов

2. Коэффициент теплотехнического качества системы отопления

При j _СО ≥ 0,95 – техническое состояние СО хорошее.

При 0,85 ≤ j _СО j _СО j _СО > 1,03 – в СО установлено дополнительное отопительное оборудование (приборы), необходимость проведения работ по выявлению дополнительного оборудования (приборов).

3. Коэффициент качества отопительных приборов e _i

При e _i ≥ 0,95 – техническое состояние отопительного прибора хорошее.

При 0,9 ≤ e _i e _i j рн _t ≥ 0,95 – состояние наладки СО хорошее, не требует вмешательства.

При 0,9 ≤ j рн _t j рн _t j _{D Q} ≤ ±5 % – СО функционирует удовлетворительно.

При j _{D Q} > ±5 % – СО функционирует неудовлетворительно, необходимость проведения работ по определению причин недотопа (перетопа).

Предлагаемая система критериев базируется в основном на традиционных показателях. Используемый при вычислении коэффициента теплотехнического качества параметр «действительная, пересчитанная на расчетные условия удельная теплопроизводительность СО» есть величина:

(12)

где – действительный средний температурный напор в СО;

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

t_в – текущее значение средней температуры внутреннего воздуха в здании;

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

Как показывает обработка месячных статистических данных функционирования экспериментального здания, представленные в статье зависимости позволяют достаточно адекватно оценивать величину (k₀F) (рис. 3) и др.

Предлагаемый в статьях в порядке дискуссии набор критериев позволяет более системно подходить к оценке функционирования СО и ее элементов.

Температурный график для определения k₀F

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.

Поделиться статьей в социальных сетях:

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.