Что такое система отопления с переменным расходом

Энергия, передаваемая воздуху радиатором, калорифером или фанкойлом, зависит от температуры и расхода подаваемого теплоносителя. Для получения требуемой комнатной температуры управляют именно этими параметрами.

В системе распределения с постоянным расходом в первичном контуре (рис. 1) трехходовой клапан используют в качестве смешивающего в контуре с разделением. Он обеспечивает переменный расход теплоносителя, подаваемого на нагрузку С, сохраняя расход в первичной системе постоянным. На трехходовом клапане должно создаваться падение давления равное или большее чем величина потери давления на нагрузке С, обеспечивая величину коэффициента управления не менее 0,5. Если падение давления на нагрузке плюс падение давления на клапане составляет 20 кПа и возможный перепад давления (ДН) 80 кПа, то разница в 60 кПа будет гаситься балансировочным клапаном STAD-1 (Tour Andersson, Швеция) (рис. 2).

Если дифференциальное давление первичного контура слишком мало или слишком велико, то существует решение, схема которого представленна на рис. 16. Балансировочный клапан STAD-2 дает возможность избежать короткого замыкания первичной системы. Без него в обходной перемычке АВ будет избыточный расход теплоносителя, приводящий к недостаточному расходу теплоносителя в остальной части установки. С помощью балансировочного клапана STAD-2 первичный расход qp соразмеряется и корректируется до значения, несколько большего, чем вторичный проектный расход qs, измеряемый и подстраиваемый посредством балансировочного клапана STAD-3. Балансировка обеспечивает корректное распределение расходов, предотвращая эксплуатационные проблемы и позволяя органам управления выполнять свои функции.

СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ С ПЕРЕМЕННЫМ РАСХОДОМ

В системе распределения с переменным расходом (рис. 3) проблема недостаточного расхода случается чаще всего при высоких нагрузках.

УТРЕННИЙ ЗАПУСК СИСТЕМЫ, СМЕНА РЕЖИМОВ

В системе распределения с переменным расходом утренний запуск (после ночного экономного режима) или резкая смена режимов является важной ситуацией, поскольку полностью открываются большинство регулирующих клапанов или термостатических клапанов. Это создает перерасходы, которые приводят к непредсказуемым падениям давления в некоторых трубопроводных сетях и, соответственно, к недостаточному расходу. Удаленные контуры не будут получать достаточного расхода до тех пор, пока клапаны на более близких к насосу контурах не начнут закрываться. Следовательно, запуск системы и выход на новый режим затруднен и занимает больше времени, чем ожидается. Неровный запуск делает управление от центрального контроллера и любую форму оптимизации практически невозможными.
В системах распределения с постоянным расходом перерасход/недорасход остается как во время запуска, так и после него, делая проблему еще более сложной.

СРЕДСТВА ДЛЯ БАЛАНСИРОВКИ

средства должны удовлетворять следующим условиям:

ПРОСТОТА БАЛАНСИРОВКИ

Гидравлическая балансировка обеспечивает возможность проверки правильности монтажа системы. Она позволяет обнаруживать и ликвидировать большинство неисправностей (т. е. наличие воздуха в системе, засоры, неисправности и отказы оборудования).

Установка должна быть разделена на модули. Один модуль формируется несколькими контурами, подсоединенными к одному подающему и возвратному трубопроводу. Каждый контур имеет свой собственный балансировочный клапан. Каждый модуль имеет общий балансировочный клапан, называемый партнерским клапаном (рис. 4). При использовании термостатических клапанов с преднастройкой V-Exakt фирмы Heimeier (рис. 5) на радиаторах нужно найти положения настроек по диаграмме, исходя из проектного расхода и перепада давления,— как правило, 10 кПа.

Нужно ли проводить балансировку колес автомобиля?

Странный вопрос, скажете Вы. Очевидно, что да.

Но почему же балансировка гидравлики (наладка) систем отопления, вентиляции, кондиционирования и водоснабжения до сих пор не считается необходимым делом? Ведь неправильные расходы тепло или холодоносителя приводят к неправильной температуре воздуха в помещениях, плохой работе автоматики, шумам, быстрому выходу из строя насосов, котлов, труб, неэкономичной работе всей системы.

Думается, что основная причина кроется в недооценке важности балансировки гидравлики и просто в отсутствии необходимых знаний и опыта.

Часто считают, что достаточно провести гидравлический расчет с подбором труб и, при необходимости, шайб, и проблема решена. Но это не так. Во-первых, расчет имеет приближенный характер, а во-вторых, при монтаже возникает масса дополнительных неконтролируемых факторов. Есть мнение, что гидравлику можно увязать с помощью расчета настроек термостатических клапанов. Это тоже не так, поскольку точность такой увязки будет низкой, до ± 40% на малых настройках, настройки близких к насосу термостатических клапанов будут маленькими, что чревато опасностью засорения, возможностью возникновения шумов. Кроме того, если по каким-либо причинам через стояк не проходит достаточное количество воды, термостатические клапаны будут просто открыты, а температура воздуха в помещении будет низкой. С другой стороны, при перерасходе теплоносителя может быть ситуация когда открыты форточки и термостатические клапаны. Вышесказанное абсолютно не умаляет необходимости и важности установки на радиаторы термостатических клапанов, а лишь подчеркивает, что для их хорошей работы также необходима балансировка гидравлики.

Под балансировкой понимается наладка гидравлики, так чтобы каждый элемент системы: радиатор, фэнкойл, калорифер, ветвь, плечо, стояк, магистраль имели проектные расходы. При этом определение и выставление настроек термостатических клапанов является частью общего процесса наладки гидравлики.

Для балансировки необходимы балансировочные клапаны типа STAD, STAF на стояках и ветвях системы и прибор CBI II или CMI для измерения и регулировки расхода.

Очень важно, чтобы прибор определял расход с точностью не хуже ± 5% и имел низкий порог чувствительности, не хуже ± 0,2 кПа, поскольку часто приходится иметь дело с небольшими перепадами давления в несколько кПа. Балансировку можно проводить несколькими способами. Можно, например, задать насосом большой перепад давления, а затем погасить его на балансировочных клапанах. Но оптимальная балансировка состоит в том, чтобы гасить на клапанах минимально возможное давление (в несколько кПа), при этом скорость насоса и, соответственно, напор будут минимально возможными, что увеличивает срок его службы, уменьшает шум и потребление энергии.

Основная сложность при балансировке заключается во взаимозависимости разных частей системы. Иными словами, при изменении настройки и, соответственно, расхода на одном клапане, изменяется расход на всех остальных. Самым быстрым, наименее трудоемким и оптимальным способом балансировки является метод TA-Balance, разработанный в компании Tour & Andersson.

В основе данного метода лежит модульный принцип построения гидравлической сети.

• Клапаны в модуле нумеруются в порядке возрастания от начала: 1, 2, 3 …
• В микропроцессорный прибор CBI вводится номер клапана, проектный расход, текущая настройка (положение ручки), модель клапана и его размер.
• Прибор CBI автоматически делает замер
• Клапан закрывается и CBI делает второй замер при закрытом клапане
• Аналогично проводятся замеры на всех остальных клапанах модуля и клапане партнере
• CBI вычисляет настройки всех клапанов модуля с учетом их взаимного влияния
• Таким образом проводится наладка модуля за модулем всей системы. Наладив все модули нижнего уровня, переходят к модулям более высокого уровня.
• Главное преимущество TA-Balance состоит в том, что один человек с одним прибором может быстро и легко сбалансировать любую систему.

— значительное уменьшение энергозатрат на работу насоса,

— возможность расширения системы без замены трубопроводов,

— уменьшение диаметров трубопроводов,

— минимизация температуры обратной воды при отоплении и, соответственно, максимизация при охлаждении,

— совместимость первичных и вторичных потоков.

В то же время, при проектировании систем с переменным расходом необходимо помнить, что дифференциальное давление постоянно изменяется, и это может вызвать проблемы в работе регулирующих, в том числе термостатических, клапанов. Подобрать регулирующие клапаны не просто, поскольку следует правильно учесть взаимное влияние контуров (при закрытии одного клапана, другие клапаны также должны прикрыться, чтобы компенсировать изменения дифференциального давления). При эксплуатации систем с переменным расходом часто сталкиваются со следующими проблемами: перерасход воды в одних частях системы и недостаточный расход в других, долгий запуск системы после ночного снижения температуры, шумы на клапанах, неустойчивая работа автоматики. Как правило, эти проблемы связаны с отсутствием балансировочных клапанов и, как следствие, разбалансированностью всей системы.

Рассмотрим два типа решений, когда:

— температура обратной воды может быть повышенной, например, для котлов;

— температура обратной воды должна быть минимальной, например, в случае системы централизованного теплоснабжения.

В системах централизованного теплоснабжения, когда температура обратной воды должна быть минимальной, действует другое решение. Установленные автоматические балансировочные клапаны STAP поддерживают постоянный перепад давления на стояке (ветви, плече), например, 10 кПа независимо от расхода. При необходимости перепад давления может быть настроен в диапазоне от 10 до 80 кПа. С помощью ручных балансировочных клапанов STAD можно измерить и отрегулировать расход воды при вводе системы в эксплуатацию, а также, провести диагностику системы.

Иногда полагают, что достаточно просто установить автоматические балансировочные клапаны STAP с расчетной настройкой перепада давления. Но это не так, поскольку истиное сопротивление стояка или нагрузки неизвестно, например, ситуация, когда термостатические клапаны с предварительной настройкой будут полностью открыты и т.п. Как результат — реальный расход будет отличаться от проектного.

Возможны различные комбинации установки автоматических и ручных балансировочных клапанов. Например, на плече поставить STAP и STAD, а на стояки — ручные балансировочные клапаны STAD.

1. В двухтрубной системе отопления с термостатическими клапанами расход теплоносителя — переменный. Чтобы обеспечить разумное постоянство расхода теплоносителя через котел, можно установить перепускной предохранительный клапан Hydrolux, BPV и настроить его таким образом, чтобы он пропускал 65% проектного расхода при закрытом кране V. Таким образом, с одной стороны, будет обеспечен приемлемый и безопасный расход через котел, а с другой — устранена возможность появления шумов на термостатических клапанах, так как при увеличении давления выше настройки, например 20 кПа, клапан Hydrolux будет открываться. Регулировка расхода проводится балансировочным клапаном STAD. Это простое и дешевое решение, которое можно применять в случае небольших систем отопления коттеджей и квартир в малоэтажных домах.

2. Насос у котла обеспечивает минимальный расход независимо от степени открытия трехходового клапана. В момент запуска трехходовой клапан закрыт, а насос работает, пока температура обратной воды не превысит 55 С. Подобрать насос непросто, поскольку его напор должен быть минимально достаточным, чтобы преодолеть сопротивление котла при минимальном безопасном расходе, и в то же время достаточным, чтобы избежать обратного потока при полностью открытом клапане V. В системе с балансировочными клапанами эта проблема решается просто. Насос подбирается так, чтобы преодолеть сопротивление котла, нагрузки, труб, клапана V и другой арматуры.

3. Перемычка разделяет первичный и вторичный контуры. Первичные насосы легко подбирается так, чтобы преодолеть сопротивление котла и труб. Расход в котлах постоянный. Вторичному насосу не нужно преодолевать сопротивления котла. Коэффициент управления техходовых клапанов близок к 1. Расход воды через котлы устанавливается балансировочным клапанами STAD или STAF на котлах, а расход во вторичном контуре балансировочными клапанами STAD или STAF . Расход через котел должен превышать расход во вторичном контуре, чтобы избежать обратного потока в байпасе.

В случае такой системы контроль за температурой во вторичных контурах осуществляется с помощью трехходовых клапанов, либо как функция температуры воздуха в помещении, либо как функция температуры наружного воздуха.

4. В случае, если контроль за температурой воды, в зависимости от температуры внутри помещений или наружного воздуха, осуществляется в котле, можно использовать другую схему. Расход воды во вторичном контуре должен быть постоянным. Трехходовой клапан V1 поддерживает температуру воды, подаваемой в котел, выше минимальной. Насос вторичного контура обеспечивает и расход через котел. Потеря давления на балансировочном клапане STAD-3 создает необходимое давление для преодоления сопротивления трехходового клапана и балансировочного клапана STAD-1.

5. Возможны различные схемы байпаса, наиболее оптимальные размеры подчиняются правилу 3Д. Такие размеры позволяют иметь малое сопротивление байпаса и избежать возникновения «паразитической» циркуляции. Кроме того, в верхней части можно установить устройство для выпуска воздуха, а в нижней — дренажный клапан для удаления грязи.

Конечно, рассмотренные примеры являются лишь малой частью возможных решений, но во всех случаях следует иметь ввиду главное: для эффективной и надежной работы системы необходимо обеспечить требуемые расходы теплоносителя. Балансировочные клапаны STAD и STAF производства TA, позволяют отрегулировать расходы с высокой точностью (±5%), погасить избыточные напоры. На клапанах можно замерять расходы, перепад давления и температуру теплоносителя при эксплуатации системы.

— недостаточное или избыточное отопление

— низкая эффективность охлаждения

— неравномерный «разогрев» приборов после снижения температуры

— слишком большие колебания температуры воздуха

— высокое потребление топлива/электроэнергии

— неправильное функционирование регулирующих клапанов (например, пропорциональные регуляторы работают в режиме открыто-закрыто) и вообще всей автоматики

— частым возникновение аварий или аварийных состояний и т.п.

Вышеуказанные проблемы нельзя ставить в вину отдельным компонентам, поскольку часто не выполняются условия их эксплуатации и технически невозможно обеспечить их правильное функционирование. Для хорошей работы всей системы необходимо выполнение трех основных гидравлических условий:

1. Номинальный расход должен быть обеспечен во всех частях системы

2. Перепад давления на клапанах не должен значительно изменяться

3. Расход должен быть совместим во всех узловых точках системы

Решение этих задач просто — нужно сбалансировать расход.

О балансировке систем много говорится, однако не практике этот вопрос все еще недооценивается. Балансировка не реализуется комплексно с необходимой тщательностью. В проектах часто отсутствуют балансировочные клапаны в самых нужных местах, при реализации происходят ошибки в подключении или замена арматуры на более дешевую и в большинстве случаев не удается комплексно сбалансировать систему. Так даже тщательно рассчитанный проект уже теряет свою действенность и путь для возникновения проблем открыт.

Расход легко вычислить по формуле (1)

где G — расход воды в кг/ч, Q — тепловой поток (теплопотери) в Вт, с — теплоемкость воды (обычно принимается равной 4,19), dТ — разность температур между подачей и обраткой в С

Современные системы отопления просто немыслимы без термостатических клапанов с термостатическими головками. Они необходимы для гидравлической и тепловой устойчивости системы и для автоматического поддержания заданной комфортной температуры воздуха в помещении. Причем по желанию, температуру можно снижать, например на ночь до 14-16 С для лучшего сна и для экономии энергии. Экономия достигается и при появлении дополнительных источников энергии, например солнце, электроприборы, люди и т.п. Для двухтрубных насосных систем отопления рекомендуется использовать термостатические клапаны с предварительной настройкой, например V-Exakt, производимый немецким заводом Heimeier. Двухтрубная система отопления значительно превосходит однотрубную по качеству работы и возможностям экономии энергии. В экономически развитых странах однотрубные системы имеют очень ограниченное применение для небольших систем.

При выборе термостатических клапанов важно помнить, что это регулирующий механизм, причем рабочий ход штока 0,44 мм. Неточное исполнение и большие допуски в конструкции дешевых моделей приводят к тому, что клапан не работает и проку от него не больше чем от шарового. Лучше использовать качественные клапаны проверенных производителей, таких как Heimeier (Германия). Корпуса клапанов сделаны из бронзы, значительно превосходящей по стойкости к коррозии латунь, а шток имеет двойное сальниковое уплотнение.

Конечно же при гидравлических расчетах необходимо увязывать радиаторы внутри стояка, учитывая потери давления в трубах и местных сопротивлениях, но если в качестве отправной точки принять 10 кПа и учесть, что при расчете Кv из перепада давления извлекается квадратный корень.

где V — объемный расход воды в л/ч (практически совпадает с массовым), dp потеря давления на клапане в кПа.

Размер термостатического клапана и его настройка выбираются исходя из перепада давления на нем и необходимого расхода. При недостаточном расходе перепад давления на клапане мал, а при перерасходе значительно возрастает, что приводит к шумам. Обычно принимается, что перепад давления на термостатическом клапане не должен превышать 30 кПа. Как видно уже при 60- 70% перерасхода воды могут возникнуть проблемы с шумом.

Для наладки правильных расходов по стоякам и ветвям необходимо устанавливать балансировочные клапаны с возможностью измерения реальных расходов прибором CBI. С помощью балансировочных клапанов STAD (Ду 10-50) и STAF (Ду 20-300), производства TA, легко решается задача гидравлической увязки циркуляционных колец, достаточно по диаграмме подобрать требуемую настройку клапана. В большинстве случаев размер клапана совпадает с размером трубы.

Концепция гидравлической балансировки TA основана на структурированном строительстве трубопроводных сетей, благодаря которым можно однозначно определить и задать расход через ее отдельные части. Основным элементом этой структуры является так называемый модуль. Собственно, речь идет о единице, с параллельными нагрузками внутри. Гидравлику в модульной структуре легко считать, поскольку каждый модуль просчитывается отдельно и независимо от других, а увязка модулей между собой проводится путем определения настроек балансировочных клапанов. Произвольно сложная трубопроводная сеть состоит из подобных модулей, хотя иерархически они могут находиться на разных уровнях. На этом месте необходимо упомянуть абсолютную основу концепции балансировки и модульного построения сети. Верной установкой балансировочных клапанов таких параллельно подключаемых нагрузок мы достигнем лишь верного соотношения распределения расходов между отдельными нагрузками, но не верной абсолютной величины данной расхода. Поэтому каждому модулю должен быть придан один общий клапан, который в терминологии TA называется клапаном-партнером. Клапан-партнер включен в серию, то есть он является партнером каждого балансировочного клапана в данном модуле. Установкой правильного расхода клапаном-партнером мы достигаем одновременно правильного расхода всеми клапанами (а потому и нагрузками) в модуле.

Народная мудрость гласит: «Держи голову в холоде, а ноги — в тепле».

Такому состоянию наиболее соответствует климат в помещении, создаваемый системой напольного отопления, когда теплый воздух от нагретого пола поднимается вверх, по пути охлаждаясь так, что температура внизу на несколько градусов выше, чем температура вверху. Многочисленные психологические тесты показали, что наиболее приемлемый для человека внутренний климат — когда температура поверхности пола находится в диапазоне 22 — 25 С, а температура воздуха на уровне головы — в диапазоне 19 -20 С. Традиционное радиаторное отопление, особенно при использовании конвекторов, не обеспечивает такого распределения температуры по высоте. В этом случае температура воздуха на уровне головы человека выше, чем температура у пола.

Более того, существует значительный градиент температуры в зависимости от расстояния до радиатора.

Напольное отопление значительно старше, чем радиаторное. Еще в Древнем Риме для обогрева зданий использовали проложенные в полу трубы, через которые пропускался теплый воздух. При использовании напольного отопления улучшаются гигиенические условия: пыль в помещении не циркулирует, поскольку тепловые потоки воздуха минимальные. Теплые полы дают значительные преимущества дизайнеру. Отсутствие видимых радиаторов и труб значительно улучшает внешний вид помещения, облегчает уборку, а также, исключает возможность ожога, особенно для детей. И наконец, напольное отопление просто незаменимо в таких помещениях, как: детская комната, кухня с кафельным покрытием пола, санузел, ванная комната. Например, на заводе «Тур и Андерсон» для детей сотрудников сделана специальная комната с водяным напольным отоплением. Существует несколько типов напольного отопления: воздушное, как уже говорилось выше, которое сегодня практически не используется, водяное и электрическое.

Водяное отопление имеет целый ряд преимуществ: система может быть нагрета различными источниками энергии (газ, мазут, дрова, электричество и т.д.), имеет высокое теплосодержание, дешева, доступна, не токсична, не создается электрический потенциал, такую систему можно легко комбинировать с радиаторным отоплением, системами горячего водоснабжения. Тепло горячей воды передается воздуху через трубы, проложенные в полу либо под полом. Естественно, следует выбирать качественные трубы и соединительные части, чтобы в дальнейшем избежать протечки воды. Наиболее рациональным вариантом являются металлопластиковые трубы Henco. Конечно, для того чтобы система напольного отопления хорошо и надежно работала, необходимо провести предварительный расчет, учитывая особенности покрытия пола, теплопотери помещения, назначение данного помещения, кроме того, важно правильно подобрать оборудование и способ регулирования. Например, температура подаваемой в систему напольного отопления воды не должна превышать 60 С, а лучше 50 С. Поэтому, если напольное отопление используется совместно с радиаторным, где температура воды значительно выше (до 95 С), необходимо предусмотреть схему подмеса охлажденной воды. Температура пола не должна превышать 29 С для бетонных полов, а для паркетных — 27 С. Все эти тонкости хорошо известны специалистам, поэтому следует обратить внимание на уровень квалификации монтажной организации, которая берется делать вам теплый пол.

С помощью компьютерной программы Rissert-Floor можно выполнить расчеты для системы напольного отопления.

Очень часто система напольного отопления используется совместно с радиаторным отоплением. Это приводит к необходимости совмешения контуров, имеющих разные расходы воды и температурные режимы. Часто в контурах напольного отопления используется трехходовой клапан для подмеса обратной воды с целью снижения температуры подачи. На рисунке показаны места расстановки балансировочных клапанов STAD для наладки такой комбинированной системы.

Система напольного отопления требует более низкой температуры теплоносителя по сравнению с радиаторным, не более 60 С. Это вызывает необходимость подмеса охлажденной воды из обратной линии. Такой подмес можно сделать с помощью 2-х ходового регулирующего клапана, либо с помощью 3-х ходового смесительного (разделительного) клапана. На рисунках показаны места установки балансировочных клапанов STAD для этих вариантов. Важно, что балансировочные клапаны позволяют добиться правильных расходов во всех контурах и правильных температур воды.