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 Aj = (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;
qуд – 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 Qнорм i – нормативное значение расхода тепла на отопление здания при текущей температуре наружного воздуха;
Qфакт 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.
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 At – 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 Bt – 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.
Этот раздел был выполнен совместно с Юрием Ажичаковым.
1. Предварительный теплоэнергетический баланс здания
для принятия предпроектных решений,
для формулировки «правильного» технического задания.
Расчет производится в соответствии со СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».
Для упрощения расчета некоторые малосущественные параметры пропускаются.
Расчет здания делается условно состоящим из одного помещения с площадью – 80 м2.
Для определения мощности системы отопления составим баланс часовых расходов теплоты для расчетного зимнего периода:
1 — потери теплоты через наружные ограждения определяют по формуле;
А – расчетная площадь ограждающей конструкции, м2. Потолок – 80 м2, пол – 80 м2, стены – 108 м2, окна — 5 шт. х 1,3 м. х 1,4 м. = 9,1 м2, дверь – 2 м2.
k – расчетный коэффициент, Вт/(м2 °С).
Для соломенных блоков с объемной массой 200 кг/м3, с ? = 0,07 Вт/(м2 °С), Толщина – 500 мм.
Внутренний и внешний слой из легкого глинобетона ? = 0,3 Вт/(м2 °С), толшина — 100 мм.
Два слоя гипсокартона – 0,19 Вт/(м2 °С).
Итого для 5 слоев коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции – 0,115 Вт/(м2 °С).
Для окон, по данным с сайтов производителей окон 2,8 — 0,3 Вт/(м2 °С), для расчета примем – 1,5 вт/(м2 °С).
Для дверей примем -1 вт/(м2 °С).
— расчетная температура воздуха в помещении, °С. = 20°С
— расчетная температура наружного воздуха, холодного периода года = -39°С
? – добавочные потери теплоты в долях от основных потерь = (для упрощения, в расчете не учитываем).
n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху — (для упрощения, в расчете не учитываем).
Потолок – 80 м2 х 0,115 вт/(м2 °С) х (20- (-39)) = 543 вт.
Пол – 80 м2 х 0,115 вт/(м2 °С) х (20- (-39)) = 543 вт.
Стены – 108 м2 х 0,115 вт/(м2 °С) х (20- (-39)) = 733 вт.
Окна – 9,1 м2 х 1,5 вт/(м2 °С) х (20- (-39)) = 805 вт.
Двери — 2 м2 х 1 вт/(м2 °С) х (20- (-39)) = 118 вт.
Итого по ограждающим конструкциям – 2742 вт.
2. — расход теплоты на прогрев инфильтрирующегося воздуха и поступающего в помещение воздуха при вентиляции;
Ln – расход удаляемого воздуха, м3/ч, не компенсируемый подогретым приточным воздухом; для жилых зданий – удельный нормативный расход 3 м3/ч на 1 м2 жилых помещений (включая кухни и санузлы), но для кухонь с электроплитами – не менее 60 м3/ч, а для совмещенных санузлов — не менее 50 м3/ч; Ln = 60 м2 х 3 м3/ч +60 м3/ч + 50 м3/ч = 290 м3/ч
? – плотность воздуха в помещении, кг/ м3, определяемая по формуле;
t — температура помещения. ? = 353/ (273 + 20) = 1,2
с – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг?°С);
— расчетная температура воздуха, °С;
— расчетная температура наружного воздуха в холодный период года °С;
k – коэффициент учета влияния встречного теплового потока в конструкциях, равный 0,7 для стыков панелей стен и окон с тройными переплетами.
= 0,28 х 290 х 1,2 х 1 х (20 – (-39)) х 0,7 = 4024 Вт.
3. — технологические и бытовые тепловыделения или расходы теплоты. Для жилых зданий бытовые тепловыделения — 10 Вт на 1 м2 площади пола.
= 80 х 10 = 800 Вт.
Итого теплоэнергетический баланс здания
2742 Вт. + 4024 Вт. — 800 Вт. = 5966 Вт. — потери тепла через ограждающие конструкции.
Из вышеприведенного расчета стоит обратить внимание на инфильтрационные потери тепла.
При помощи рекуперации тепла можно, нужно и должно вернуть в дом часть этого тепла.
Примем коэффициент эффективности рекуперации = 0,5 (практически можно возвращать и больше, но в этом случае необходимо разобраться, во что это обходится с экономической точки зрения.)
Экономия на рекуперации тепла при вентиляции — 4024 х 05 = 2012 Вт.
В этом случае теплоэнергетический баланс здания приобретает следующий вид:
2742 Вт. + 2012 Вт. – 800 = 3954 Вт.
Подбор мощности отопителя
Для компенсации потерь необходимы обогреватели мощностью которая компенсирует теплопотери, т.е., 3954 кВт. Кроме того, для обогревателей примем запас мощности 20% — 3954 х 1,2 = 4745 Вт.
Итак, обогреватели на 5 кВт. компенсируют расчетные потери тепла.
Приблизительный расчет отопления (самый простой)
При подборе отопителей часто руководствуются соотношением 1,5 — 2 кВт (для Западной Сибири) на 10 м2 общей площади.
80 : 10 х 1,5 =12 кВт.
Предположим, что теплоэффективность стен из соломенных блоков в 2 — 3 раза выше традиционных стен.
– относительный расход теплоносителя в СО – отношение текущего расхода теплоносителя к его расчетному значению;
