Пырков В.В. ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ. При содействии компании Данфосс ТОВª

1 Пырков В.В. ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ При содействии компании Данфосс ТОВª

2 Данфосс ТОВª Пырков В.В. ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ 2-е издание, переработанное и дополненное Такі справиª Киев ó 2003

3 ББК УДК ( ) П 94 Особенности современных систем водяного отопления. К.: II ДП «Такі справи», с. ил. ISBN Перевод с украинского издания «Особливості проектування сучасних систем водяного опалення». К.: II ДП «Такі справи», 2003 осуществлен и дополнен автором. Приведены общие сведения о современных системах водяного и водогликолевого отопления. Рассмотрена работа систем с терморегуляторами, автоматическими регуляторами перепада давления и регуляторами расхода теплоносителя, перепускными клапанами, расширительными мембранными баками, насосами с переменной частотой вращения и др. Даны основные аспекты конструирования систем. Изложен гидравлический расчет систем с обеспечением рекомендованного потокораспределения терморегуляторов. Приведены методы расчета и подбора основного оборудования. Предназначена для проектировщиков, научных работников и студентов специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция». Автор Пырков Виктор Васильевич, канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжения и вентиляции». МЫ К ВАШИМ УСЛУГАМ: Необходима помощь? Если у Вас есть вопросы, проблемы или замечания по книге, можете обращаться непосредственно к Пыркову В. В. (е-mail: относительно оборудования и его применения в компанию «ДАНФОСС ТОВ» «ДАНФОСС ТОВ» Украина 04080, Киев-080, ул. В. Хвойки, 15/15/6 Тел.: (+38044) Эл. почта: WWW: Перепечатывание и копирование без согласия «Данфосс ТОВ» ЗАПРЕЩЕНЫ! Защищено авторским правом. Использование приведенной информации без ссылок ЗАПРЕЩЕНО! ООО с иностранными инвестициями «Данфосс ТОВ», 2003 II ДП «Такі справи», подготовка издания, 2003 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие Рецензия Отзыв Основные условные обозначения Современные системы водяного отопления Классификация и выбор Особенности системы отопления с водогликолевыми смесями Гидравлический расчет системы отопления Общие сведения Способы гидравлического расчета Гидравлический расчет по удельным потерям давления Гидравлический расчет по характеристикам сопротивления Расчетное циркуляционное давление системы отопления Запорно-регулирующая арматура Общие сведения Терморегуляторы Конструкции и установка Характеристики терморегуляторов Механические характеристики Рабочие характеристики Технические данные терморегуляторов Авторитеты терморегулятора Внутренний авторитет терморегулятора Внешний авторитет терморегулятора Общий авторитет терморегулятора Выбор терморегуляторов Отопительные приборы Классификация Выбор отопительных приборов Теплотехнические и гидравлические характеристики отопительных приборов Насосы Общие сведения Выбор Расширительные мембранные баки Общие сведения Выбор

4 7. Фильтры Автоматические воздухоотводчики Трубы и фитинги Тепловая устойчивость системы отопления Авторитет отопительного прибора Авторитет теплоты в помещении Потокораспределение системы отопления Анализ терморегуляторов на шумообразование Оценка системы отопления на обеспечение требований к температуре охлажденного теплоносителя Работа автоматических регуляторов перепада давления Работа автоматических регуляторов расхода Работа перепускных клапанов Обеспечение гидравлической устойчивости системы отопления Однотрубные системы отопления Двухтрубные системы отопления Конструирование системы водяного отопления Разводка трубопроводов Присоединение стояков и приборных веток к магистралям систем отопления Присоединение теплопроводов к отопительным приборам Присоединение расширительных мембранных баков Технико-экономическое сопоставление однотрубных и двухтрубных систем отопления Автоматическое обеспечение теплового комфорта Литература Памяти зав. каф. ТГСиВ, профессора Киевского национального университета строительства и архитектуры Ткачука Андрея Яковлевича посвящается МЫ ДОЛЖНЫ СДЕЛАТЬ СВОЮ СТРАНУ БОГАТОЙ ПРЕДИСЛОВИЕ Переход в новое тысячелетие стал исторической вехой развития систем водяного отопления. Главным признаком данного периода является автоматизация тепловых и гидравлических режимов на уровне потребителя, которая дала возможность индивидуального автоматического поддерживания желаемого теплового комфорта. Одним из главных устройств систем отопления для обеспечения теплового комфорта стал терморегулятор. Впервые он был разработан фирмой «Данфосс» в 1943 году. С течением времени терморегулятор перестал быть предметом роскоши и сегодня это основное энергосберегающее устройство, которое экономит примерно 20% тепловой энергии. Применение терморегуляторов в нашей стране является актуальной задачей, поскольку на отопление и вентиляцию зданий расходуется около 40% топливно-энергетических ресурсов. Это в несколько раз больше, чем в передовых странах мира с аналогичным климатом и составляет львиную долю импортированных энергоносителей. Альтернативы энергосбережению нет. Оно должно быть изначально заложено в системы отопления и вентиляции [1]. Сегодня для этого существуют все основания. Кто, как не мы специалисты в данной области, должны сделать тепловой комфорт товаром; кто, как не мы, должны сделать свою страну богатой. Реализация данного задания возможна лишь при глубоком понимании конструктивных особенностей элементов современных систем, гидравлических и тепловых явлений, происходящих в ней. Работа терморегуляторов превратила системы отопления в активно действующие и адекватно реагирующие на любые отклонения внутренних и внешних факторов. Их наличие существенно повлияло на гидравлический режим. В отличие от обычного для нашей практики проектирования квазистационарного режима он стал переменным, что потребовало соответствующих подходов в техническом и проектном обеспечении. Энергосберегающий эффект терморегуляторов достигается лишь при создании условий эффективной их работы, главное из которых предоставление возможности управления потокораспределением теплоносителя. Обеспечение данного условия осуществляют в три этапа: при изготовлении терморегуляторов, проектировании систем и их эксплуатации. Первые два этапа реализуют путем соблюдения соответственно 4 5

5 внутреннего и общего авторитетов терморегуляторов, соединительным звеном между которыми является внешний авторитет. Такая терминология нова в отечественном проектировании, хотя, по сути, соответствует степени открытия клапана, коэффициентам управляемости потоками и изменению идеальной характеристики клапана. Техническое и гидравлическое понимание данных понятий дает возможность проектировщику быть более требовательным к предлагаемому западными и отечественными производителями оборудованию, запорно-регулирующей арматуре, методикам их подбора, программному обеспечению; определять целесообразность их использования; создавать энергосберегающие системы отопления. В данной работе заложены новые для нас подходы системного анализа в проектировании, но обычные для заграничной практики; усовершенствованные заграничные методики расчетов. Поэтому не исключена возможность неудачной трактовки или донесения к пониманию тех или иных положений. Автор не ставил перед собой задачу всеобъемлющего решения многогранности вопросов, связанных с проектированием систем отопления. Сосредоточив внимание на наиболее важном, надеется на опыт специалистов, которые смогут на основании известных фактов применить приведенные методы в конкретном практическом воплощении, понять первопричины гидравлической нестационарности современных систем отопления, увидеть целостную картину причинно-следственных связей. Все замечания и предложения просьба направлять автору. Автор признателен компании «Данфосс ТОВ» за создание благоприятных условий для плодотворной научной работы и всестороннюю помощь в написании и издании данной книги. Все запросы относительно продукции «Данфосс» просьба присылать данной фирме. Автор искренне признателен В. Ф. Гершковичу и В. Ю. Подгорному за профессиональные замечания и изложение своих мыслей по возможности полнее с тем, чтобы сделать книгу более точной, правильной и полезной. Применение современных систем отопления в Украине требует переосмысления традиционных научных, проектных, монтажных и эксплуатационных подходов, которые служат основой обеспечения их эффективной работы. Несовершенство существующих подходов на переходном этапе иногда приводит к нареканиям и претензиям к работе систем, которые безосновательно предъявляют производителям оборудования. Компания «Данфосс» надеется, что данная работа поможет устранить возникающие недоразумения, а также даст толчок для дальнейшего усовершенствования систем отопления и методов их расчета. РЕЦЕНЗИЯ Книга, написанная по заказу украинского представительства известной фирмы «Данфосс», имеет целью создание наиболее благоприятных условий для внедрения в Украине приборов автоматического регулирования отопительных систем. Изделия «Данфосс», которые до последнего времени были практически нам неизвестны, требующие глубокого изучения, несмотря на активное их распространение. Поэтому новая книга, посвященная проблемам применения современной энергосберегающей техники, будет воспринята с любопытством широким кругом специалистов и студентов, тем более, что принадлежит перу одного из молодых преподавателей кафедры отопления и вентиляции Киевского национального университета строительства и архитектуры, выдающиеся ученые которого сделали в свое время весомый вклад в отечественную науку и отопительную технику. Книга содержит не только много полезной информации относительно современных приборов и систем, но и интересные теоретические поиски автора относительно нового толкования такой недавно предложенной в Европе терминологии, как «авторитеты клапана». Хотя попытки нового (неевропейского) использования этих терминов, отдавая дань уважения научной смелости автора, выглядят недостаточно убедительно, тем не менее, свидетельствуют о высоком научном потенциале, который необходимо использовать в будущем нашей отечественной науке. Опыт покажет, что из этой книги войдет в научную сокровищницу, а что обречено на забвение. Во всяком случае, нельзя отрицать тот приятный факт, что в наше время появилась первая книга о современном отоплении, написанная молодым украинским научным работником. Руководитель Центра энергосбережения КиевЗНИИЭП канд. техн. наук В. Ф. Гершкович 6 7

6 ОТЗЫВ Данная работа является на сегодняшний день единственным источником, который освещает современные подходы к центральным системам водяного отопления. Подробно и доходчиво разъясняется необходимость установки и принципы действия таких элементов системы отопления, как терморегуляторы, бесфундаментные малошумные циркуляционные насосы с преобразователями частоты, расширительные мембранные баки, автоматические регуляторы расхода и перепада давления и прочее. Значительное внимание уделено автором гидравлической и тепловой устойчивости одно- и двухтрубных систем отопления. Предоставлены необходимые рекомендации относительно их конструирования. В целом работа интересная, своевременная и полезная не только для проектировщиков, научных сотрудников и студентов вузов, но также для монтажников и наладчиков. Главный теплотехник АО «Киевпроект» В. Ю. Подгорный ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ΔР потери давления или избыточное давление, Па P д динамическое давление, Па z местные потери давления, Па ΔР 1 потери давления в терморегуляторе, Па ΔР 2 потери давления в терморегуляторе без учета потерь давления в регулируемом сечении, Па G массовый расход, кг/ч коэффициент гидравлического трения d диаметр трубопровода, м l длина, м k э эквивалентная шероховатость, м Re число Рейнольдса коэффициент местного сопротивления плотность, кг/м 3 R удельные линейные потери давления на 1 м трубы, Па/м S характеристика гидравлического сопротивления участка, Па/(кг/ч) 2 A удельное динамическое давление, Па/(кг/ч) 2 Б поправочный коэффициент, учитывающий влияние изменения естественного давления Xp зона пропорциональности клапана, К ( С) t температура воздуха, С t Г температура горячей воды, С t О температура охлажденной воды, С h высота, мм [м] g ускорение свободного падения, м/с 2 а в внутренний авторитет терморегулятора а внешний авторитет терморегулятора а* общий авторитет терморегулятора k ν номинальная пропускная способность, (м 3 /ч)/бар 0,5 k νi то же, при i-той настройке дросселя, (м 3 /год)/бар 0,5 k νn то же, при максимальной настройке дросселя в положение «N», (м 3 /год)/бар 0,5 k νs характеристическая пропускная способность полностью открытого клапана, (м 3 /ч)/бар 0,5 k νs то же, при i-той настройке дросселя, (м 3 /ч)/бар 0,5 i k νsn то же, при максимальной настройке дросселя в положение «N», (м 3 /ч)/бар 0,5 8 9

7 k νspv(p) A o.n Q o.n Q n Q тр пропускная способность автоматического регулятора перепада давления ASV-PV(ASV-P), (м 3 /ч)/бар 0,5 авторитет отопительного прибора требуемая теплопередача отопительного прибора, Вт теплопотери помещения, Вт теплопоступление от труб, Вт Индексы м местная л линейная н насосный с.о система отопления е естественный е.пр естественный вследствие охлаждения в отопительных приборах е.тр то же, в трубопроводах с подсистема (стояк или приборная ветка) N номинальная (расчетная) величина max максимальная величина min минимальная величина тр трубопровод к клапан PV(P) автоматически поддерживаемый ASV-PV (ASV-P) o основное циркуляционное кольцо M вентиль ASV-M I вентиль ASV-I Т терморегулятор ш шум у условный Г горячий г газовое пространство 1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ 1.1. Классификация и выбор Отопление, по определению в отечественной нормативной литературе, поддержание в закрытых помещениях нормированной оптимальной температуры со средней необеспеченностью 50 ч/год. Отличие современного отопления заключается в автоматическом поддержании (регулировании) в помещении температуры воздуха на индивидуальном уровне с целью обеспечения теплового комфорта. Отопление осуществляют комплексом технических средств, которые называют системой отопления. В ее состав входят средства для получения, транспортирования и передачи теплоты во все обогреваемые помещения. Система отопления обслуживается, как правило, комплексом автоматизированной системы управления. Автоматизированная система управления поддерживает заданную температуру воздуха в помещении независимо от колебаний параметров окружающей среды (атмосферных условий). Классификация систем водяного отопления весьма разветвленная, что вызвано многовариантностью принципиальных схем, технических и функциональных характеристик, зависящих как от технических возможностей этих систем, так и от объектов применения. В классификацию, изображенную на рис. 1, вошли характерные основные признаки, дополняющие традиционную классификацию, на которых будет сосредоточено внимание в данной работе. Выбор системы начинают технико-экономическими расчетами с учетом качества исходного теплоносителя, степени обеспеченности ним и поддержания нужного его качества у потребителя. Альтернативой использования воды стали водогликолевые смеси. Возникли отличия в гидравлических расчетах, подборе оборудования и эксплуатации систем с этими теплоносителями, что требует разделения в классификации. Необходимость поквартирного учета потребления теплоты разделяет системы отопления на горизонтальные и вертикальные. На квартирном вводе приборной ветки устанавливают горячеводные расходомеры (как правило, на обратном трубопроводе), за счет потребителя тепломеры (теплосчетчики). Для вертикальных систем существует возможность установки индивидуальных капиллярных или электронных счетчиков тепловой энергии на отопительных приборах при наличии централизованно утвержденных методик учета и согласования с эксплуатационными организациями. Такой подход приемлем при модернизации системы отопления

8 Рис. 1. Классификация современных систем отопления Применение крышных котелен и подземное строительство привело к проектированию систем с двумя магистральными трубопроводами, расположенными выше отопительных приборов. Такие системы называют с верхней разводкой магистралей. При разводке их ниже отопительных приборов с нижней. При промежуточной разводке и при расположении одного магистрального трубопровода выше, а второго ниже отопительных приборов со смешанной [2] разводкой (раньше эти системы называли с верхней разводкой). Необходимость такой классификации вызвана также различным влиянием естественного (гравитационного) давления на работу систем. Отдельную группу составляют панельно-лучистые системы. Наиболее широко применяют отопление в полу и его разновидность теплый пол, где используют теплоноситель с температурой ниже 60 С. Указанное значение ориентировочное и требует уточнения при использовании оборудования того или иного производителя. Кроме того, такая градация связана с тем, что автоматика современных индивидуальных котлов отслеживает четыре контура теплопотребления по максимальным температурам бассейна, горячего водоснабжения, основной системы отопления и дополнительной в полу. Высокотемпературные системы традиционно используются по назначению. Гравитационные системы проектируют при технико-экономическом обосновании. Наличие маломощных малошумных насосов и автономных источников электроснабжения делает их применение нецелесообразным. Разные подходы при гидравлическом расчете насосных систем с учетом или без учета естественного давления разграничили их. Одним из основных элементов современных систем отопления является терморегулятор, который автоматически поддерживает заданную температуру воздуха в помещении за счет количественного регулирования теплоносителя, поступающего в отопительный прибор. Определенные перепады давления на терморегуляторе могут привести к шумообразованию. Поэтому при проектировании необходимо обеспечить такие перепады, при которых уровень шума не превысит допустимых значений за СНиП ІІ [3]. Гидравлические характеристики терморегуляторов производства фирмы «Данфосс» отвечают требованиям данного норматива. При этом для различных терморегуляторов и определенных положений их настройки допустимый перепад давления принимает определенные значения. Практический опыт свидетельствует, что этот перепад должен быть меньше примерно 25 кпа. Если он превышает указанный уровень, устанавливаемый анализом характеристики насоса по минимально допустимому для теплообменника котла расходу теплоносителя или минимальному его расходу при количественном 12 13

9 Рис. 2. Классификация систем отопления с запорно-регулирующей арматурой Данфоссª регулировании, необходимо применять автоматические устройства стабилизации перепада давления. При наличии требований к температуре обратного теплоносителя (в сети централизованного теплоснабжения, конденсационных котлах и т.п.) необходимо также проектировать на приборных ветках или стояках автоматические регуляторы перепада давления. При отсутствии требований, о чем необходимо обязательно выяснять, привязывая систему к источнику теплоснабжения, могут быть установлены перемычки (байпасы) с перепускными клапанами на приборных ветках или стояках. «Данфосс» в обоих случаях рекомендует проектировать системы с автоматическими регуляторами перепада давления. На рис. 2 представлена детализированная классификация одно- и двухтрубных систем отопления с использованием запорно-регулирующей арматуры «Данфосс». Работа терморегуляторов базируется на количественном регулировании, то есть переменном гидравлическом режиме. Такое регулирование лучше всего обеспечивается с использованием насосов, значительно хуже водоструйных элеваторов с регулированным сечением сопла, не обеспечивается нерегулируемыми элеваторами. Последние в системах отопления с терморегуляторами неэффективны. При использовании терморегуляторов рекомендуется применять герметичные циркуляционные насосы отопления; в объектах с тепловой мощностью системы 25 квт и выше (с по директиве EnEV) насосы с регулируемым количеством оборотов или постоянным количеством оборотов, но в последнем случае необходимо обеспечить автоматическое поддержание перепада давления между главными магистралями, например, установкой байпаса между ними с автоматическим регуляционно-перепускным клапаном. Выбор схем поквартирных систем отопления осуществляют на основании технико-экономического сравнения проектных решений. При приблизительно одинаковых тепловых нагрузках отопительных приборов целесообразно с точек зрения упрощения гидравлических расчетов и обеспечения гидравлической и тепловой устойчивости системы, использовать схему с попутным движением теплоносителя. Отличие современных систем отопления состоит в переменном гидравлическом режиме, создаваемом работой терморегуляторов. Автоматические регуляторы на стояках или приборных ветках необходимы для обеспечения эффективной работы системы отопления, а не являются желанием проектировщика или заказчика. Системы, ранее классифицированные как с верхней разводкой, сегодня относят к системам со смешанной прокладкой магистралей

10 1.2. Особенности системы отопления с водогликолевыми смесями Требования к теплоносителю систем отопления указанны в СНиП [4]. Так, в закрытых системах с вакуумной деаэрацией необходимо использовать воду по ГОСТ При наличии термической деаэрации допускается использовать техническую воду. Для систем, работающих периодически и при существовании опасности замерзания теплоносителя, необходимо применять воду с примесями, снижающими температуру кристаллизации. В качестве примесей не следует использовать взрыво- и огнеопасные вещества, а также вещества 1, 2 и 3-го классов опасности по ГОСТ в количествах, от которых могут возникнуть при авариях выделения, превышающие ПДВК и ПДК в воздухе помещения. При использовании примесей, например, гликолевых, и наличии исходных данных, а именно: массовой доли гликоля, кинематической вязкости, плотности, коэффициента объемного расширения, температур кипения и кристаллизации, водородного показателя (рн) необходимо учитывать влияние водогликолевой смеси на гидравлическую и тепловую устойчивость системы, на выбор оборудования, используя рекомендации производителей. При отсутствии пользоваться ориентировочными данными табл. 1. Использование незамерзающего 40% водного раствора этиленгликоля может уменьшить теплопроизводительность котлов и отопительных приборов почти на 7%. Существенное влияние оказывает увеличение гидравлического сопротивления труб почти на 25% (при средней температуре теплоносителя 60 С), что заставляет применять более мощные насосы. Увеличение коэффициента объемного расширения водогликолевой смеси приводит к использованию расширительных баков с увеличенным объемом на %. Из-за токсичности и значительного влияния на работу систем этиленгликолевые растворы следует ограничивать в применении. Широкое использование необходимо предоставлять, несмотря на большую (почти в 3 раза) стоимость, пропиленгликолевым смесям. Применение незамерзающих жидкостей следует согласовывать с производителями на взаимосовместимость с запорно-регулирующей арматурой, полимерными трубами, разъемными фитингами и т.п. Использование теплоносителя с этиленгликолевыми смесями требует корректировки тепловых и гидравлических характеристик оборудования системы отопления, рассчитанной для теплоносителя воды. Таблица 1. Влияние водогликолевой смеси на характеристики системы отопления 16 17

11 2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ 2.1. Общие сведения Гидравлический расчет системы отопления основывается на уравнении, (1) где линейные потери давления, Па, вызванные силами трения в трубах; сумма местных потерь давления, Па, обусловленных изменением структуры потока (скорости, направления, слияния ) в фитингах, запорно-регулирующих устройствах и оборудовании. Потери давления на трение определяют по формуле Дарси где коэффициент гидравлического трения; l и d соответственно длина и внутренний диаметр трубопровода участка системы отопления, м; Р д динамическое давление в трубопроводе, Па. Под участком системы отопления понимают такую ее часть, которая имеет одинаковый расход теплоносителя и постоянный диаметр трубопровода. В длину трубы участка, как правило, включают длины фитингов и запорно-регулирующей арматуры, и обязательно не включают длину оборудования, такого как отопительные приборы, теплообменники, грязевики. Из многочисленных зависимостей для определения коэффициента гидравлического трения в отечественной практике применяется формула Альтшуля: в компьютерных программах, пришедших к нам из-за границы, широко применяют формулу Колбрука-Уайта и ее модифицированный вариант,, где Re число Рейнольдса; эквивалентная шероховатость, м. Анализ формул при граничных условиях показывает на приблизительно 20% расхождение при верхней границе и нижней границе 10% при нижней границе и верхней Re. При использовании стальных труб рекомендуется применять формулу Альтшуля, труб из других материалов модифицированную формулу Колбрука-Уайта. Потери давления на трение определяют по каталогам фирм-производителей, представляемых в виде графиков или таблиц. Используя их, следует обращать внимание на единицы измерения и на расчетные параметры теплоносителя, а именно: на осредненную расчетную температуру за отопительный период, которая часто отличается от отечественных условий (60 С). За этой информацией следует обращаться непосредственно к производителю. Когерентной единицей измерения давления в Международной системе СИ и соответственно СН [5] есть паскаль Па (Ра). Но еще до сих пор применяют в каталогах иностранного оборудования иные единицы измерения. Поэтому вместо кгс/м 2 и мм вод. ст. целесообразно ввести декапаскаль (1 дапа (dapa) = 10 Па). Тогда 1 кгс/м 2 = 1 мм вод. ст. 1 дапа, а вместо мм рт. ст. гпа (гектопаскаль 1 гпа (hpa) = 10 2 Па). Особое место среди применяемых единиц в настоящее время занимает единица давления бар (bar), которая имеет размер, кратный размеру Па (1 бар = 10 5 Па), но без предусмотренного системой СИ коэффициента десятичной кратности. К тому же указанная единица имеет собственные наименования и вместе с ее дольними и кратными единицами (мбар, кбар) образует формально независимый от Па ряд, который противоречит системе СИ. Невзирая на это, единица бар за границей будет использоваться до принятия соответствующих международных решений, поскольку имеет такие преимущества: упрощает переградуирование приборов при изъятии старых единиц (кгс/см 2 ); дольная единица мбар удобнее при измерении высоких и сверхвысоких давлений, чем ГПа. Местные потери давления определяют по формуле Вейсбаха, Па: где коэффициент местного сопротивления; средняя по площади скорость теплоносителя, м/с; плотность теплоносителя, кг/м 3., и 18 19

12 Значение коэффициентов местных сопротивлений следует принимать только по каталогам фирм-производителей данного оборудования; поскольку, например, расхождение в одинаковых по названию, но изготовленных разными производителями, фитингах может составлять порядок и даже учитываться с разным знаком («плюсом» или «минусом»). Нормативом [6] предусмотрен запас к расчетному давлению системы отопления в размере 10% имеющейся разности давлений на неучтенные расчетом сопротивления. В особенности эта норма актуальна при использовании соединений разного типа, поскольку не всеми производителями указано о необходимости проектировщику на стадии гидравлических расчетов предусматривать технологию монтажа трубопроводов и знать тип применяемых соединений. Для тех соединений, где отношение диаметра прохода к внутреннему диаметру трубы составляет меньше 0,8, необходимо учесть как дополнительное местное сопротивление мгновенное расширение и мгновенное сужение ( ). При отношении диаметров прохода соединения и трубы в пределах 0,8. 1,0 рекомендуется принимать. Дополнительно согласовать проектировщику эти значения с фирмами-производителями не помешает. Динамическое давление, при определении коэффициента местного сопротивления, определяют по средней скорости теплоносителя в наиболее узких поперечных сечениях. Поэтому относить местное сопротивление, которое находится на границе двух участков, следует к участку меньшего диаметра. Динамическое давление в трубопроводе рассчитывают с учетом плотности воды, соответствующей осредненной температуре за отопительный период. В отечественной практике плотность принимают по табличным данным, или используют ее среднее приращение при снижении температуры воды на 1 С, которое тоже определяют по таблицам. Целесообразнее, особенно в компьютерных расчетах, пользоваться формулой, которая с достаточной точностью аппроксимирует зависимость плотности воды, кг/м 3, от температуры t, С: = 1003,1 0,1511t 0,003t 2, где 1003,1; 0,1511 и 0,003 размерные коэффициенты [7]. Применение трубопроводов из разных материалов и все более частое их использование в горизонтальной плоскости привело к изменению диапазонов применяемых скоростей теплоносителя. Допустимую максимальную скорость движения воды в стальных трубопроводах и запорно-регулирующей арматуре определяют по правилам [6], исходя из нормативно-допустимого эквивалентного уровня шума в помещении. Ее максимальное значение составляет 1,5 м/с. Для пластиковых труб, способных гасить как звук, так и гидравлические удары, допускается принимать несколько большие значения скоростей, а именно: в стояках до 2,5 м/с, в распределительных и сборных трубопроводах до 2,0 м/с. Скорость воды в медных трубопроводах не должна превышать максимального значения, при котором разрушается защитная оксидная пленка на внутренней поверхности трубы. Рекомендуемое значение 1 м/с. Минимальная граница скорости зависит от направлений движения теплоносителя и всплытия воздушных пузырьков. Для перемещения и сбора воздуха необходимо, чтобы в вертикальных трубах скорость воды превышала 0,2. 0,25 м/с, наклоненных и горизонтальных 0,1. 0,15 м/с, кроме горизонтальных труб в полу и в плинтусе, где 0,2. 0,3 м/с. Однако допускается уменьшение этих значений при небольших потоках воды и отсутствии труб меньшего типоразмера в номенклатурном ряду. Разнообразие материалов, из которых изготовляют современные трубы, не может быть полностью охвачено вышеприведенными границами. Как правило, производители задают эти значения в характеристиках труб, или справочниках, которыми следует пользоваться в каждом конкретном случае. Это касается и диаметров труб, где при одинаковых условных диаметрах площадь живого сечения может отличаться до 60%. Диапазон рекомендуемых значений скорости теплоносителя зависит от материала изготовления труб. Верхним пределом является условие недопущения шумообразования (для медных труб дополнительно обеспечение целостности оксидной пленки), нижним условие обезвоздушивания системы. Расчет систем отопления по максимально допустимой скорости приводит к шумообразованию в трубах вследствие открывания терморегуляторов в процессе работы и, соответственно, к увеличению реальной скорости потока теплоносителя

13 2.2. Способы гидравлического расчета На основе вышеприведенных зависимостей существует несколько способов гидравлического расчета, основными из которых являются: 1 по удельным линейным потерям давления; 2 по характеристикам гидравлического сопротивления. Оба способа получили широкое применение, как в отечественной, так и зарубежной практике проектирования. Единого подхода в представлении гидравлических характеристик производителями элементов систем отопления нет. Поэтому при ручных расчетах и разработке компьютерных программ используют комбинирование способов или адаптацию имеющихся гидравлических характеристик под конкретный расчет Гидравлический расчет по удельным потерям давления Способ гидравлического расчета по удельным потерям базируется на уравнении (1), представленном в виде: где R удельная линейная потеря давления на 1 м трубы, Па/м; z местные потери давления, Па. Параметры R и z производители представляют графиками, таблицами или формулами. При этом следует обращать внимание на параметры теплоносителя, при которых они получены. Принятие перепадов температур воды в стояках или приборных ветках равными перепаду температур воды в системе, а также наглядность подбора труб в диапазоне экономически рекомендованных удельных линейных потерь давления делает этот способ расчета самым простым. Исходя из экономических требований, значения параметра R для труб разных производителей имеют диапазон Па/м. Соответственно скорость воды 0,25. 0,65 м/с (данные ориентировочны, т.к. зависят от диаметра труб). Экономические требования базируются на сопоставлении стоимостей трубы и энергии на прокачивание теплоносителя. Однако иногда целесообразно выйти за указанные пределы для предотвращения гидравлического разбалансирования, упрощения монтажа и эксплуатации, обеспечения эффективной работы регулирующей арматуры системы отопления. Следует также учитывать, что увеличение диаметра труб приводит к значительному возрастанию стоимости системы отопления за счет использования соответствующих фитингов и запорно-регулирующей арматуры; повышению водоемкости системы отопления и, как следствие, снижению энергосбережения. 22 Существует проектная практика упрощенного подхода (экспресс-метода) к гидравлическим расчетам на основе данного способа. Окончательное потокораспределение возлагают на автоматические средства регулирования. Но даже они не в состоянии обеспечить равномерное прогревание помещений при запуске системы отопления, при выводе ее в рабочее состояние после ночного режима или внезапного похолодания, если система отопления была гидравлически несбалансирована при расчете. Кроме того, при таком подходе автоматическое управление потокораспределением может выходить за пределы эффективного регулирования, что приводит к проявлению чрезмерной или недостаточной чувствительности автоматической запорно-регулирующей арматуры. Поскольку этот способ существенно снижает более высокий уровень возможностей, в особенности сложных систем отопления, его следует использовать лишь для предварительной спецификации и заказа элементов систем, а также для технико-экономического сравнения проектных решений. Применение экспресс-методов расчета по удельным потерям давления и возложение задач окончательного потокораспределения только на средства автоматического регулирования не обеспечивает в полной мере энергосберегающего и санитарно-гигиенического эффектов систем отопления Гидравлический расчет по характеристикам сопротивления Способ гидравлического расчета по характеристикам сопротивления базируется на уравнении (1), представленном в виде: где G массовый расход воды на расчетном участке, кг/ч; S характеристика гидравлического сопротивления участка, Па /(кг/ч) 2, определяемая по формуле: где А удельное динамическое давление на участке, Па/(кг/ч) 2, рассчитанное по формуле: Этот способ получил широкое применение в отечественной практике проектирования благодаря сходимости результатов расчетов с реаль- 23

14 ными эксплуатационными условиями. Страны Западной Европы используют его в виде: где потери давления, бар; Q объемный расход воды, м 3 /ч; k ν пропускная способность, (м 3 /ч)/бар 0,5. Разъяснение особенностей между параметрами k ν, k νi и k νsi приведены далее при рассмотрении запорно-регулирующей арматуры. Эти параметры численно равны объемному расходу воды в м 3 /ч, которая проходит через элемент системы отопления при номинальном перепаде давления на нем 10 5 Па (1 бар). Поэтому часто в каталогах и справочниках пренебрегают знаменателем при указании единиц измерения, и представляют их как м 3 /ч. Определение параметра k ν для условий, отличающихся от номинальных, при заказе и спецификации клапанов осуществляют по формуле: или, принимая плотность воды, равной 10 3 кг/м 3, Параметр k ν является аналогом проводимости σ (кг/ч)/па 0,5, используемой отечественными проектантами и связанной с характеристикой сопротивления: При ρ =10 3 кг/м 3, с учетом единиц измерения,, а (2) Расчет систем отопления по пропускной способности аналогичен применяемому в отечественной практике гидравлических расчетов методу проводимости, являющемуся видоизменением широко известного метода характеристик сопротивления Расчетное циркуляционное давление системы отопления Расчетное циркуляционное давление представляет собой разность давлений, расходуемую в системе отопления на преодоление гидравлических сопротивлений движению теплоносителя в циркуляционных кольцах. Циркуляция воды насосных систем отопления происходит за счет одновременного действия естественного давления, вызванного охлаждением воды, и давления, создаваемого насосом или элеватором с регулируемым сечением сопла для обеспечения необходимого расхода воды в системе, то есть: где Б поправочный коэффициент, который учитывает влияние изменения естественного давления на протяжении отопительного периода при разных способах регулирования системы. В отечественной практике проектирования двухтрубных систем отопления принимали значение Б=0,4 [8] или Б=0,5. 0,7 [9]. Различие в значениях объясняется выбором разных промежутков времени отопительного периода для гидравлического расчета. По мнению автора, нивелирование влияния естественного давления необходимо осуществлять по средней температуре наружного воздуха наиболее холодного периода, равной для Украины приблизительно минус 9 С. Данное значение является также приблизительно средним при определении температур теплоносителя по температурным графикам для большинства городов Украины для расчета минимального и максимального влияния естественного давления. При таком подходе и учете переохлаждения теплоносителя в отопительном приборе с нормативно увеличенной номинальной площадью теплопередачи [10] следует принимать Б=0,75. В Польше стране с похожим климатом Б=0,75 [11]. Для однотрубных систем при качественном регулировании Б=1, при автоматическом качественно-количественном 0,7. Влияние естественного давления со знаком «плюс» следует учитывать при расположении условного центра нагревания (середины высоты котла или теплообменника, точки смешивания воды в элеваторе или на перемычке) ниже условного центра охлаждения отопительного прибора, обозначенного кружочком на рис. 3. Условный центр охлаждения вертикального участка трубопровода находится на середине его высоты. При расположении условного центра нагревания выше условного 24 25

15 Для вертикальных однотрубных систем где разность плотностей воды при расчетной разности ее температур в системе, кг/м 3 ; g ускорение свободного падения, м/с 2 ; h max максимальное вертикальное расстояние вверх или вниз от условных центров охлаждения к центру нагревания, м. Для вертикальных и горизонтальных двухтрубных, а также горизонтальных однотрубных: где h i вертикальные расстояния между всеми условными центрами охлаждения в горизонтальных приборных ветках, или отопительных приборах, и условным центром нагревания, м. Естественное циркуляционное давление, возникающее в расчетном кольце вследствие охлаждения воды в трубах: где h i вертикальное расстояние между условными центрами охлаждения i-того участка и нагревания, м; и плотность воды в начале и конце этого участка, кг/м 3. В насосных системах с нижней и верхней разводками (см. новую классификацию) величиной пренебрегают. Допустимо также не учитывать влияние естественного давления при соотношении: или Рис. 3. Определение условных центров охлаждения центра охлаждения со знаком «минус». В промежуточном положении соответственно «плюс» и «минус». Расчетное давление для однотрубных вертикальных систем следует определить лишь для максимального значения высот между указанными центрами. Для двухтрубных и однотрубных горизонтальных между всеми. Естественное циркуляционное давление, возникающее в расчетном циркуляционном кольце системы вследствие охлаждения воды в отопительных приборах, Па, и охлаждения воды в трубах, Па,. 26 где автоматически поддерживаемый перепад давления на стояке или приборной ветке. Проектирование систем отопления осуществляют с или без учета естественного давления. Оба подхода правомерны. Их выбор основан на следующем: чрезмерное завышение давления, развиваемого насосом, для уменьшения влияния сил гравитации приводит к возрастанию погрешности расхода теплоносителя в регулирующих клапанах и, соответственно, погрешности потокораспределения; к увеличению перепада давления на терморегуляторах и вероятности их шумообразования. В таких системах возникает необходимость применения дополнительных мер автоматической стабилизации перепада давления, что увеличивает капитальные 27

16 расходы. При этом упрощается методика гидравлического расчета системы; использование естественного давления для обеспечения так называемой «сбалансированности стояка» состоит в таком подборе его диаметра, чтобы выполнялось условие: падение давления в стояке по уравнению (1) не превышало прирост естественного давления; это условие вызывает увеличение диаметров труб, тем не менее, приводит к уменьшению напора насоса и обеспечению равномерности потокораспределения; естественное давление в системах отопления с автоматическими регуляторами перепада давления рассчитывают для подсистем (см. рис. 43); его влияние на магистральные участки нивелируется работой этих регуляторов; использование отопительных приборов с увеличенной поверхностью нагревания для обеспечения авторитета теплоты в помещении (см. п.р. 10.2) приводит к росту естественного давления вследствие переохлаждения теплоносителя; применение всех уровней количественного регулирования тепловой мощности системы отопления повышает влияние естественного давления теплоносителя вследствие его переохлаждения. Рекомендуется подбирать диаметры стояков такими, чтобы потери давления в них равнялись доле (соответствующей принятому значению коэффициента Б) учитываемого естественного давления. Такой подход приведет к упрощению подбора настроек на терморегуляторах и балансировочных вентилях приборных веток; уменьшению продолжительности монтажных и наладочных работ; равномерности прогревания помещений при запуске системы или выходе ее в режим после централизованного ночного регулирования. Естественное давление является составляющей частью циркуляционного давления системы отопления, влиянием которого невозможно полностью пренебречь в пределах рабочих перепадов температур теплоносителя и потерь давления на терморегуляторах. Рациональное использование гравитационных сил экономит энергоресурсы и обеспечивает тепловой комфорт помещений. 3. ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АРМАТУРА 3.1. Общие сведения Особенность современных систем отопления состоит в широком применении автоматической (активной) запорно-регулирующей арматуры. К ней относят, прежде всего, терморегуляторы, регуляторы перепада давления, регуляторы расхода, перепускные клапаны (рис. 4 и 5). Ручная (пассивная) запорно-регулирующая арматура вентили, краны, клапаны «Баттерфляй» (рис. 6 и 7) тоже повсеместно используется в этих системах. Существует также арматура с возможностью дальнейшей поэтапной модернизации изменения функциональности. Так, например, комплект арматуры ручного регулирования USV-I + USV-М, путем дополнения мембранным элементом и импульсной трубкой, превращают в комплект арматуры автоматического регулирования перепада давления USV-I + USV-PV. Одни из главных отличий современной арматуры это многофункциональность, повышенная надежность эксплуатации, высокая точность регулирования заданных параметров. Изменились и функциональные требования к ней, перечень которых представлен в табл. 2. Наличие автоматической арматуры требует несколько иных подходов в проектировании. Отечественная практика применения арматуры основывалась на обеспечении квазистационарного гидравлического режима работы системы отопления. Современные системы имеют переменный гидравлический режим, в условиях которого следует обеспечить управляемость потоками теплоносителя. В заграничной практике проектирования обеспечение эффективной работы автоматической арматуры осуществляют путем соблюдения рекомендованных значений авторитета. Аналогом данного термина может быть коэффициент управления, который показывает долю регулируемого потока от имеющегося (см. п ). В отечественной практике проектирования центрального отопления устанавливали на трубах до 50 мм муфтовую запорно-регулирующую арматуру, при больших диаметрах фланцевую, что было вызвано, прежде всего, возникающей нагрузкой на соединения и обеспечением их герметичности. Сегодня при использовании нестальных труб такой тенденции не существует; поэтому любой тип арматуры представлен широким спектром диаметров и соединений. Характерной особенностью крупногабаритной арматуры является уменьшение ее металлоемкости. К ней относят бесфланцевую, устанавливаемую между трубными фланцами. Так, например, клапаны (дисковые поворотные затворы) Данфосс «Баттерфляй» при диаметре 150 мм имеют вес 8,2 кг, что почти в 9 раз меньше задвижек клиновых с выдвижными шпинделями, 28 29

17 RTD-N прямой RTD-N угловой RTD-N UK ASV-PV+ASV-M ASV-P+ASV-M RTD-G прямой RTD-G угловой встроенный ASV-PV+ASV-I USV-I + USV-PV ASV-Q AVDO RTD-K Подключение снизу RTD-K Подключение сбоку RTD-KE Подключение снизу RTD-KE Подключение сбоку Рис. 4. Общий вид термостатических клапанов Данфоссª а диаметр присоединения находится в диапазоне мм. Применение запорной арматуры пониженного сопротивления улучшает условия регулирования терморегуляторами потоков теплоносителя (смотри дальше разъяснение относительно авторитетов терморегуляторов), поскольку основные потери давления должны приходиться на них, и уменьшает эксплуатационные затраты. Теплоизоляционная оболочка Измерительное устройство PFM 2000 Рис. 5. Общий вид автоматических регуляторов Данфоссª 30 31

18 Вентили RLV прямой RLV угловой RLV-S прямой RLV-S угловой ASV-M ASV-I USV-I USV-M RLV-K прямой RLV-K угловой MSV-I и MSV-M MSV-F RLV-KS прямой RLV-KS угловой Спускной вентиль Сервисное устройство Клапаны Баттерфляйª, тип SYLAXª Рис. 6. Общий вид вентилей обвязки отопительных приборов Рис. 7. Общий вид пассивной арматуры Данфоссª 32 33

19 34 Таблица 2. Функциональность запорно-регулирующей арматуры Данфоссª Окончание таблицы 2. 35

20 Многофункциональность арматуры упрощает проектирование, монтаж и эксплуатацию систем, уменьшает их металлоемкость и инерционность. В особенности это касается спускной арматуры. Почти вся запорно-регулирующая арматура, предлагаемая фирмой «Данфосс», выполняет данную функцию, реализуемую тремя способами: специально предусмотренными отверстиями в корпусе, изначально укомплектованными пробками, вентильками или краниками значительно меньшего размера от основной арматуры (в табл. 2 функция указана без скобок); специально предусмотренными отверстиями в корпусе с закрытыми пробками, которые могут быть заменены спускной арматурой по заказу (эта и другие функции, предусмотренные дополнительной комплектацией, в табл. 2 указаны в одинарных скобках); дополнительным спускным устройством, поставляемым по заказу, например, спускным вентилем для вентилей RLV и RLV-K или сервисным устройством шлюзового типа для терморегуляторов всех типов (в табл. 2 функция обозначена двойными скобками). При необходимости использования запорно-регулирующей арматуры без спускной функции используют спускной шаровой кран, присоединяемый к трубопроводу через тройник. Отличием ручной регулирующей арматуры вентильного типа, например, RLV, RLV-S, RLV-K, ASV-I, MSV-I и MSV-F, является градуирование ее гидравлических характеристик (создаваемого сопротивления) по подъему штока. Отсчет настройки начинают от закрытого положения. Каждый полный оборот открытия отвечает изменению значения настройки на единицу, неполный на доли единицы. Наличие такой арматуры позволяет отказаться от практики применения диафрагм (дроссельных шайб). Повышения надежности работы запорно-регулирующей арматуры достигают за счет использования высокоточных технологий и конструктивного упрощения, применения высококачественных уплотнителей. Так, например, в арматуре ASV-P, ASV-PV, RLV всех типов, ASV-M, ASV-I, MSV-M, MSV-I регулирование или запирание осуществляется без промежуточных элементов (тарелки с уплотнительной прокладкой), а непосредственно специально подготовленной торцевой поверхностью штока, которая точно подогнана к поверхности седла. Это дает возможность также обеспечить точность поддержания гидравлических параметров на протяжении всего срока эксплуатации. Широкий диапазон температур теплоносителя определяет соответствующие условия эксплуатации. Так, для разных конструкций шаровых кранов максимальные рабочие температуры составляют С, кла- панов «Баттерфляй» С, терморегуляторов и автоматических регуляторов 120 С. Следует отметить, что запорно-регулирующая арматура «Данфосс» для стояков и приборных веток поставляется в упаковке, которая используется как теплоизоляционная оболочка при температуре теплоносителя до 80 С, при теплоносителе с температурой до 120 С заказывается теплоизоляционная оболочка из стиропора ЕРР. Размещение арматуры на стояках, приборных ветках, подводках к отопительным приборам многовариантное, что рассмотрено в дальнейших соответствующих разделах. Современная запорно-регулирующая арматура многофункциональна, что упрощает проектирование, монтаж и эксплуатацию систем отопления. Запорно-регулирующая арматура имеет конкретное назначение и взаимоувязку между собой. Использование арматуры не по назначению выводит систему отопления из строя. Так, например, применение шаровых кранов (запорной арматуры быстрого действия) для регулирования теплопередачи отопительных приборов повышает вероятность образования гидравлического удара ТЕРМОРЕГУЛЯТОРЫ Конструкции и установка Терморегулятор автоматический отопительного прибора системы водяного отопления здания (сокращенно терморегулятор или термостат) запорно-регулирующая арматура автоматического регулирования теплоотдачи отопительного прибора на уровне, соответствующем установленной потребителем температуры воздуха. Он автоматически поддерживает заданную температуру воздуха в помещении путем количественного регулирования теплоносителя, поступающего в отопительный прибор. Стабильность и точность поддержания необходимой температуры воздуха в помещении на уровне индивидуального теплового комфорта является принципиальным отличием от вентилей и кранов ручного (пассивного) регулирования, традиционно используемых в отечественных системах отопления. Выбор качественных терморегуляторов и обеспечение на стадии проектирования системы оптимальных условий для их эффективной работы экономят в процессе эксплуатации здания % тепловой энергии. В Украине отсутствуют нормативы, регламентирующие характеристики терморегуляторов. До принятия соответствующих отечествен