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.
4.2.3. Анализ режимов работы системы теплоснабжения и отопления
Тепловая энергия, передаваемая различными энергоносителями, (газ, топливо, водяной пар, горячая вода) на промышленных предприятиях используется для:
производственных силовых целей (молоты, прессы, ковочные машины);
производственных тепловых целей (печи, теплообменные аппараты, сушильные и выпарные установки, холодильные установки);
отопления и вентиляции;
бытовых целей (душевые, прачечные, моечные машины).
Наиболее распространенными теплоносителями являются водяной пар и вода с температурой до 150°С, производимые в котельной и по трубопроводам направляемые к потребителям. Во многих случаях использование пара неэффективно, т.к. сложен контроль за потреблением энергии и дорого поддержание давления и температуры неиспользуемого пара. Паропроводы зачастую плохо изолированы, имеют утечки в местах соединений по всей сети.
Система регулирования отопления осуществляется по температуре при постоянном расходе воды. Во многих случаях поток регулируется дважды в год в начале и конце отопительного периода. Расход воды по сети летом составляет около 80% от зимнего расхода. Обычно температура воды в прямой линии колеблется от 80 до 150°С, в обратной линии в основном находится в пределах 55-70 С.
Системы отопления работающие при постоянном расходе и регулировании температурой теплоносителя имеют недостатки по сравнению с системой регулирования подачей воды:
Система инерционна, изменение температуры в системе затягивается на несколько и более часов. Температура регулируется несколько раз в сутки, в основном, чтобы удовлетворить запросы потребителей, наиболее удаленных от источника теплоты.
Сетевой циркуляционный насос работает с постоянной нагрузкой, независящей от передаваемой тепловой мощности и рассчитанной на максимальный режим теплопотребления системы отопления. Это приводит к перерасходу электрической энергии. Площадь под отопительным графиком «тепловая нагрузка-время работы с этой нагрузкой» пропорциональна количеству теплоты переданной в систему теплоснабжения за отопительный сезон. При регулировании отопления температурой подаваемой воды мощность, потребляемая циркуляционным насосом постоянна, а энергия пропорциональна площади прямоугольника, одна из сторон которого равна мощности потребляемой насосом, соответствующей максимальной подаче, а другая — продолжительности отопительного периода. При регулировании системы теплоснабжения подачей необходимого количества горячей воды, нагретой до заданной постоянной температуры, мощность насосного агрегата пропорциональна расходу горячей воды в системе в третей степени (для турбулентного режима) и график зависимости мощности насоса во времени отопительного сезона напоминает отопительный график. При этом площадь под графиком равна энергии, затраченной на прокачку теплоносителя, которая меньше, чем в первом случае.
Рис. 5 Экономия энергии циркуляционного насоса при количественном регулировании
Согласно опыту работы в Польше и Венгрии переход к системе отопления с регулированием расхода воды в системе позволяет достичь 60% экономии электроэнергии на привод циркуляционных сетевых насосов. Кроме этого замена элеваторных узлов экономичными малошумящими циркуляционными насосами с системой автоматического регулирования отопления дополнительно экономит энергию циркуляционных насосов ( нет необходимости поддерживать в системе дополнительный напор около 6-8 м. вод. ст., необходимый для работы элеватора в качестве циркуляционного насоса).
– относительный расход теплоносителя в СО – отношение текущего расхода теплоносителя к его расчетному значению;
— мощность, потребляемая циркуляционным насосом,
— продолжительность отопительного периода.
