О наладке и режимах систем отопления

И.М. Сапрыкин, ООО ПНТК «Энергетические технологии», г. Нижний Новгород

В статье предлагается метод определения расхода теплоносителя через отопительные приборы по результатам измерения трех температур: теплоносителя на входе и выходе; температуры воздуха в помещении. Метод может быть полезен при проектировании и наладке систем отопления зданий и является более точным по сравнению с существующим методом для практических расчетов в нерасчетных режимах, особенно при малых температурных напорах и малых расходах теплоносителя.

Качество теплоснабжения (отопления) предполагает обеспечение расчетной температуры внутреннего воздуха в отапливаемом помещении независимо от колебаний температур наружного воздуха. Для этого разработаны специальные температурные графики центрального или местного регулирования.

Любая вновь смонтированная или подвергнутая реконструкции система теплоснабжения требует тепловой и гидравлической наладки.

Одной из главных задач наладки систем теплоснабжения является распределение теплоносителя по потребителям пропорционально их тепловым нагрузкам.

О методе контроля качества наладочных мероприятий в системах теплоснабжения

Ранее в [1] был предложен метод контроля качества наладочных мероприятий в системах теплоснабжения, включающих источник тепловой энергии, тепловые сети и внутренние системы отопления.

Метод содержит безразмерные показатели, позволяющие осуществлять контроль за обеспечением тепловых нагрузок и расходов теплоносителя, которые можно получить по результатам измерения двух температур теплоносителя до и после системы отопления.

Если для отдельного отапливаемого помещения определить qоб просто, измерив температуру внутреннего воздуха, то для здания в целом это довольно сложно.

Однако информация о qоб здания содержится в «отклике» системы — значении температуры теплоносителя τ2 в обратном трубопроводе на выходе из системы отопления. Эта температура зависит от ряда постоянных и переменных параметров, главными из которых являются температура наружного воздуха tнр, температура теплоносителя на входе в систему τλ, суммарная поверхность нагрева отопительных приборов F. Так как температуры относительно легко поддаются измерению, то информацию о qоб здания можно получить, измерив фактические температуры теплоносителя и температуру наружного воздуха. Естественно, что при этом заранее должны быть известны расчетные температуры теплоносителя и расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха.

Параметр g имеет постоянное значение во всем диапазоне температур наружного воздуха. Параметр g может быть определен не только для отдельной системы отопления, но и для системы теплоснабжения в целом.

В налаженных системах теплоснабжения (с принудительной циркуляцией теплоносителя) несоблюдение на источнике теплоты температурного режима приведет к отклонению qоб от нормы qоб≠1, а расход теплоносителя при этом останется в норме g=1. При изменении гидравлического режима на источнике, или при несанкционированном изменении пропускной способности сужающего устройства (например, дроссельная диафрагма) у потребителя изменятся оба параметра qоб и g. Последнее обстоятельство может быть выявлено по отклонению g от 1.

В уравнении (2) отсутствует значение температуры внутреннего воздуха, т.к. для систем теплоснабжения в целом эта температура неизвестна. Однако, усредненная в целом по системе температура внутреннего воздуха определяется через qоб: t_B=t_H+Δtp*q_TeK*qo6·

На основании показателей qоб, g возможно определить: текущее фактическое теплопотребление отдельного здания; суммарный расход теплоносителя в системе отопления; величину коррекции сужающего устройства.

Используя уравнения (2) и (3), можно достаточно просто осуществлять наладку и контроль режимов теплоснабжения.

Данный метод начал успешно применяться с 2001 г. сначала для наладки, а затем для контроля тепловых и гидравлических режимов в системах теплоснабжения на базе 18 водогрейных котельных в г. Дзержинске Нижегородской области.

Наладка систем отопления

Одной из главных задач наладки системы отопления является распределение теплоносителя по стоякам и отопительным приборам пропорционально их тепловым нагрузкам. При расчетных тепловых потерях через наружные ограждения отапливаемого помещения через отопительные приборы с расчетными поверхностями нагрева необходимо пропускать расчетные расходы теплоносителя.

Установить расчетные расходы через отопительные приборы или стояки при наладке системы отопления не представляет трудностей в случае обеспечения на вводе системы в подающем трубопроводе расчетной температуры теплоносителя. Для этого необходимо изменением сопротивления дроссельного устройства установить температуру теплоносителя на выходе, соответствующую температурному графику.

Если же температурный график на вводе не обеспечивается, то становится неясно, какую температуру теплоносителя устанавливать на выходе из отопительного прибора или стояка.

В стационарном (неизменном во времени) состоянии системы отопления достаточно достоверными показателями потокораспределения теплоносителя по отопительным приборам и стоякам являются температуры теплоносителя на входе и выходе и температура внутреннего воздуха помещения, в котором установлен данный прибор (средневзвешенная по помещениям, в которых проходит стояк). Для отдельного отопительного прибора или стояка системы отопления влияние температуры внутреннего воздуха может быть весьма существенно.

Для определения относительного расхода теплоносителя через отдельный отопительный прибор, стояк или ветку системы отопления в зависимости от фактических температур теплоносителя и температуры внутреннего воздуха предлагается уравнение:

Из уравнения (4) следует, что расход теплоносителя в отопительном приборе (стояке) при его известных расчетных параметрах может быть определен путем измерения трех температур: теплоносителя на входе и выходе прибора и температуры внутреннего воздуха в помещении.

Знание фактического расхода теплоносителя через отопительный прибор (стояк) открывает возможность выбора или целенаправленной коррекции сужающих устройств (дроссельных диафрагм, балансировочных клапанов и т.д.).

Для практического определения фактического расхода теплоносителя удобно пользоваться заранее составленной табл. 1, рассчитанной по уравнению (4). Пример: T1=43 °C,T2=34 0 C,,tB=16 О C — относительный расход g=0,77.

В качестве следующего примера приведена реакция на изменение температурных режимов отпуска теплоты трех отопительных приборов, принадлежащих одной системе отопления. Установленные поверхности нагрева приборов равны расчетным f=1. Рассмотрены три температурных режима: нормальный (температурный график) τ1=τΓ; «недотоп» τ^ τΓ. Расчетные температуры: наружный воздух tнр=-30 ОC; теплоноситель в подающем трубопроводе τ1ρ=95 ОC; в обратном трубопроводе τ2ρ=70 ОC. Текущие температуры: наружный воздух tн=-12 ОC; теплоноситель по температурному графику в подающем трубопроводе τ1г=71,7 ОC; в обратном трубопроводе τ2г=55,7 ОC.

В результате измерений температур прибора № 1 определено, что через прибор протекает расчетный расход теплоносителя д»1. В режиме «не-дотопа» при снижении температуры теплоносителя на входе до τ1=60 ОC температура воздуха в помещении снизится до tв=15,2 ОC, температура теплоносителя на выходе снизится до τ2=47 ОC, при этом «недотоп» составит 15% (qоб=0,85). В режиме «перетопа» при повышении температуры теплоносителя на входе до τ^δΟ ОC температура воздуха в помещении повысится до tв=23,5 ОC, температура теплоносителя на выходе повысится до τ2=62 ОC, при этом «перетоп» составит 11% (qоб=1,11).

В результате измерений температур приборов № 2, 3 определено, что: через прибор № 2 протекает заниженный расход д»0,7; через прибор № 3 протекает завышенный расход g≈1,42.

Результаты расчета сведены в табл. 2.

Уравнение (4) получено следующим образом.

В основу расчета температурных графиков регулирования тепловых нагрузок систем отопления положена эмпирическая зависимость коэффициента теплопередачи отопительного прибора kср от среднего по площади прибора температурного напора: kcp=a-(tcp-tB)n, где a — постоянная, зависящая от конструкции отопительного прибора и способа подачи теплоносителя.

Методика, базирующаяся на применении тср, показывает достаточную точность для практических расчетов в тех случаях, когда температуры теплоносителя существенно больше температуры внутреннего воздуха в помещении. В нерасчетных режимах, особенно при малых температурных напорах и малых расходах теплоносителя, вычисления по этой методике дают завышенные результаты. Предлагаемая ниже методика в этих диапазонах режимов дает более точные результаты, что существенно при наладке.

Граничные условия интегрирования уравнения (6): по поверхности от 0 до R по температурам от хл до τ2.

В результате интегрирования получится уравнение, описывающее зависимость расхода теплоносителя от площади поверхности теплообмена и 3-х температур: теплоносителя на входе и выходе прибора и температуры внутреннего воздуха в помещении:

Расход теплоносителя относительно своего расчетного значения — см. уравнение (4).

Средний интегральный температурный напор:

Из последнего выражения (8) видно, что температурный напор не зависит от закона изменения коэффициента теплопередачи вдоль поверхности прибора, а зависит только от конечных температур.

Сравнение методов с различными законами формирования коэффициентов теплопередачи, постоянным k=const и переменным k=var вдоль отопительного прибора, приведено в табл. 3. По форме табл. 3 аналогична табл. 2, только в ячейках дано отношение расходов gk=const/gk=var.

Из табл. 3 следует, что при расходах существенно меньших расчетных значений g

Пусконаладочные работы систем отопления

Прежде чем ввести в работу систему отопления, необходимо выполнить ряд подготовительных работ, провести испытания и наладить взаимодействие различных агрегатов друг с другом. Все это входит в пусконаладочные работы системы отопления, цель которых — выявление и устранение недостатков и ошибок, совершенных во время монтажа, а также приведение всей системы в соответствие с установленными для нее нормами. В результате этих работ клиент получает надежную, производительную и эффективную систему. Стоимость пусконаладочных работ отопления полностью окупается последующей безпроблемной эксплуатацией и сохранностью оборудования.

Состав пусконаладочных работ

• Работы по пуско-наладке выполняются после монтажа. В них включается:
• Подключение котла к газовой магистрали (если применяется газовый котел);
• Настройка систем безопасности;
• Установка стабилизатора напряжения и подключение к нему котла;
• Согласование работы котла и бойлера косвенного нагрева (если он применяется);
• Подключение датчиков температуры и их наладка;
• Испытание и опрессовка систем отопления;
• Заправка системы теплоносителем;
• Стравливание воздуха из системы и ее балансировка;
• апуск системы в работу;

По завершении составляется отчет о пусконаладочных работах системы отопления, в котором перечисляется состав выполненных работ и делаются выводы относительно дальнейшей эксплуатации и улучшения работы оборудования.

Суть процессов испытания системы и ее запуск

Как видно, пусконаладочные работы состоят из большого количества операций, важнейшие из которых связаны с испытаниями системы отопления. Рассмотрим подробнее один из важных этапов пуско-наладки — опрессовку системы. Выполнять ее необходимо для выявления всех возможных мест протечки. Суть процедуры заключается в нагнетании в систему воды или воздуха под давлением, в несколько раз превышающем рабочее. Во время опрессовки следует тщательно проверить все соединения. Если при испытании применяется воздух, места соединения трубопровода нужно смазать мыльным раствором.

Другой этап проверки — тепловое испытание системы. Его цель — прогрев всех отопительных приборов водой с температурой 60-70 0С в течение 7 часов. При этом производится наблюдение за степенью прогрева отопительных приборов, температурой теплоносителя на выходе и входе в котел и температурой воздуха. Если все показатели максимально приближены к проектным — система успешно выдержала тепловое испытание. Если нет, тогда производится дальнейшая регулировка. Перед заполнением системы водой для испытания, ее необходимо промыть, для удаления средств консервации оборудования и прочего мусора из труб.

Для запуска системы необходимо заполнить ее теплоносителем, стравить воздух и запустить котел в работу. Чтобы заполнить систему теплоносителем открывается кран подпитки, расположение которого можно узнать по документации к котельному оборудованию. Когда давление в системе достигает нужной величины, кран перекрывается и производится первый пуск котла. После включения циркуляционного насоса с него следует стравить воздух, немного отвернув винт по центру. Когда из-под винта потечет вода, его следует завернуть до упора. После этого электроника запустит в работу все системы котла, и некоторое время еще будет удаляться воздух из системы, о чем сообщат булькающие звуки. Когда работа системы нормализуется следует проверить давление, и при необходимости довести его до нормы, пополнив количество теплоносителя.

После первого пуска отопления можно произвести наладку системы с помощью кранов для регулировки радиаторов. Нужно добиться того, чтобы энергии теплоносителя хватало для прогрева последнего радиатора в цепи. На такую регулировку может уйти несколько дней и производится она уже в процессе эксплуатации. Переживать об этом не стоит, ведь в целом система уже отлажена и работает в нормальном режиме.

Балансировка системы отопления

Системы отопления практически всех конфигураций требуют балансировки, исключение составляет только разводка по петле Тихельмана. Мы рассмотрим три возможных способа провести балансировку, расскажем о преимуществах, недостатках и уместности каждого из методов, дадим практические рекомендации.

В чем суть балансировки

Гидравлические системы отопления по праву считаются наиболее сложными. Их эффективная работа возможна только при условии глубокого понимания физических процессов, скрытых от визуального наблюдения. Совместная работа всех устройств должна обеспечивать поглощение теплоносителем максимального количества тепла и его равномерным распределением по всем нагревательным приборам каждого контура.

Режим работы каждой гидросистемы основан на взаимосвязи двух обратно пропорциональных величин: гидравлического сопротивления и пропускной способности. Именно ими определяется расход теплоносителя в каждом узле и части системы, а стало быть и количество подводимой к радиаторам тепловой энергии. В общем случае расчёт расхода для каждого отдельно взятого радиатора отражает высокую степень неравномерности: чем больше удалён нагревательный прибор от теплового узла, тем выше влияние гидродинамического сопротивления труб и ответвлений, соответственно теплоноситель циркулирует с меньшей скоростью.

Задача балансировки системы отопления — гарантировать, что проток в каждой части системы будет иметь примерно одинаковую интенсивность даже при временных изменениях режимов работы. Тщательная балансировка позволяет добиться такого состояния, когда индивидуальная регулировка термостатирующих головок не оказывает существенного влияния на прочие элементы системы. При этом сама возможность балансировки должна предусматриваться ещё на этапе проектирования и монтажа, ведь для настройки системы необходима как специальная арматура, так и технические данные на оборудование котельной . В частности, обязательна установка на каждом радиаторе запорных клапанов, в простонародье называемых дросселями.

Особенности работы с разными видами разводки

Однотрубные системы отопления поддаются балансирующей регулировке наиболее просто. Всё благодаря тому, что суммарный проток через радиатор и связывающий байпас всегда одинаков и не зависит от пропускной способности установленной арматуры. Поэтому в системах типа «Ленинградка» работа ведётся не столько над балансировкой протока, сколько над уравнением количества тепла, выделяемого теплоносителем в радиаторах. Говоря проще, главная цель балансировки в таком случае — обеспечить, чтобы к наиболее удалённому радиатору вода поступала при достаточно высокой температуре.

В двухтрубных тупиковых системах действует несколько иной принцип. Каждый радиатор системы представляет собой своего рода шунт, гидравлическое сопротивление которого ниже, чем у всей остальной группы, расположенной далее по направлению протока. Из-за этого значительная часть теплоносителя протекает через шунт обратно к тепловому узлу, в то время как циркуляция далее по системе имеет гораздо меньшую интенсивность. В таких системах отопления приходится трудиться именно над выравниванием протока в каждом радиаторе путем изменения пропускной способности арматуры.

Двухтрубные попутные системы отопления балансировки не требуют вовсе, но при этом имеют сравнительно высокую материалоёмкость. В этом вся прелесть петли Тихельмана : путь, который проходит теплоноситель в цепи каждого радиатора, примерно одинаков, благодаря чему эквивалентность протока в каждой точке системы поддерживается автоматически. Похожим образом дело обстоит с лучевыми системами отопления и водяным тёплым полом: выравнивание протока выполняется на общем коллекторе по поплавковым расходомерам.

Расчётное моделирование

Наиболее конструктивный и правильный метод регулировки — с помощью построения расчётной модели гидравлической системы отопления. Это можно выполнить в таком программном обеспечении как Danfoss CO и Valtec.PRG, либо же в платных продуктах вроде AutoSnab 3D. Не следует бояться платного ПО: как вы увидите позже, его стоимость не идёт ни в какое сравнение с затратами на специальные устройства автоматической балансировки, при этом расчётный проект гидравлической системы предоставит полное представление о системе, режимах её работы и физических процессах, происходящих в каждой точке.

Балансировка с помощью программных расчётов производится посредством построения точной виртуальной копии системы отопления. В разных рабочих средах механизм моделирования протекает с некоторыми отличиями, тем не менее, все программы такого рода имеют дружественный и понятный пользователю интерфейс. Очень важно, чтобы построение выполнялось действительно точно: с указанием каждого фитинга, элемента арматуры, поворотов и ответвлений, присутствующих в реальной системе. Вот какие потребуются исходные данные:

• паспортные данные котла: мощность, КПД, напорно-расходный график, рабочее давление.
• сведения о циркуляционном насосе: скорость протока и напор;
• тип теплоносителя;
• материал и условный проход труб, температура окружающей их среды;
• технические сведения обо всей запорной и регулирующей арматуре, коэффициенты местных сопротивлений (КМС) каждого элемента;
• паспортные данные на запорные клапаны, зависимость их пропускной способности от падения давления и степени открытия.

После построения модели системы вся работа сводится к тому, чтобы обеспечить равенство расхода теплоносителя на каждом радиаторе. Для этого искусственно занижают пропускную способность запорных клапанов на тех радиаторах и цепях, где наблюдается существенное увеличение протока по сравнению с остальными. Когда виртуальная балансировка выполнена, для каждого радиатора выписывают Kvs — коэффициенты пропускной способности. Используя таблицу или график из паспорта клапана, определяют необходимое число оборотов регулировочного штока, после чего эти данные используют для балансировки реальной системы в натуре.

Эмпирический способ

Конечно, отрегулировать систему отопления при числе радиаторов до десяти можно и без предварительного расчёта. Однако этот метод достаточно трудоёмок и занимает очень много времени. Кроме прочего, при такой балансировке не удаётся предусмотреть изменение расхода при работе термостатирующих головок, что сильно снижает точность балансировки.

Алгоритм ручной балансировки несложен, для начала необходимо перекрыть абсолютно все радиаторы в системе. Это делается для того, чтобы максимально близко сравнять температуру теплоносителя на входе и выходе из теплового узла. Весь этот процесс занимает около часа, при этом необходимо установить циркуляционный насос на максимальную скорость и убедиться в отсутствии воздушных пробок в системе.

Следующий шаг — полное открытие запорного клапана на наиболее удалённом радиаторе (зачастую на последнем радиаторе этот клапан не устанавливается вовсе). Спустя 10–15 минут проводится измерение температуры нагрева крайнего радиатора, она при дальнейшей балансировке будет использоваться как эталонная.

Далее нужно приоткрыть запорный клапан на предпоследнем радиаторе. Степень открытия должна быть такой, чтобы нагрев произошёл до эталонной температуры и при этом на последнем радиаторе температура нагрева не снизилась. Грань очень тонкая, и работа сильно осложняется инерционностью радиаторов: после каждого изменения положения штока клапана на алюминиевом радиаторе необходимо выждать не менее 15 минут, на чугунном — порядка 30–40 минут. В этом и есть вся суть ручной балансировки: продвигаясь от наиболее удалённого радиатора к самому первому в цепочке необходимо снижать пропускную способность, обеспечивая поддержание одинаковой температуры на каждом нагревательном приборе. Регулировка должна проводиться очень тонко и аккуратно, ведь резкое увеличение протока в середине контура приведёт к падению температуры в отдалённой его части, соответственно нужно будет потратить еще 15–20 минут, чтобы вернуть систему к исходному состоянию.

Отладка в автоматическом режиме

Существует некая золотая середина между двумя описанными выше способами. Специальное оборудование для автоматической балансировки гидравлических систем отопления позволяет провести настройку с очень высокой точностью и в достаточно короткие сроки. На текущий момент основным техническим решением для таких целей считается «умный» насос Grundfos ALPHA 3, укомплектованный съёмным передатчиком, а также фирменное приложение для мобильных устройств. Средняя цена комплекта оборудования составляет порядка $300.

В чём суть затеи? Насос обладает встроенным расходомером и может обмениваться данными со смартфоном или планшетом, где производится обработка всей информации. Приложение работает как путеводитель: пошагово направляет пользователя и указывает, какие манипуляции нужно проводить над разными частями системы отопления. При этом в базе приложения сохраняются отдельные комнаты с указанным числом нагревательных приборов, имеется возможность выбирать разные типы радиаторов, указывать их мощность, необходимые нормы обогрева и прочие данные.

Процесс происходит предельно просто и полностью демонстрирует алгоритм работы программы. После сопряжения с передатчиком и подготовки к работе от системы отключаются все радиаторы, это необходимо для измерения нулевого расхода. После этого запорные клапаны на каждом радиаторе поочередно открываются полностью. При этом расходомер в насосе отмечает изменения в протоке и определяет максимальную пропускную способность каждого нагревательного прибора. После того как все радиаторы будут внесены в базу программы, производится их индивидуальная регулировка.

Настройка запорного клапана на радиаторах происходит в режиме реального времени. Приложение имеет звуковую индикацию для возможности работы в труднодоступных местах. Балансировка требует тонкой подстройки запорного штока до такого положения, при котором текущий расход в системе сравняется со значением, рекомендованным программой. По завершении работы с каждым радиатором приложение формирует отчёт, в который включены все нагревательные приборы системы и расход теплоносителя в них. После выполнения балансировки насос ALPHA 3 может быть снят и заменён на другой с аналогичными параметрами производительности.