Основы регулирования системы отопления

Данная статья открывает цикл материалов, который буден посвящен различным аспектам регулирования систем отопления — проектированию, расчетам, используемому оборудованию и сферам его применения. В этой статье остановимся на целях, общих принципах и особенностях регулирования систем водяного отопления.

Задачи регулирования в системах отопления.

Основной целью регулирования отопления является поддержание заданной температуры в помещении при изменяющихся внешних условиях. То есть, вне зависимости от уличной температуры, силы ветра, влажности и прочих условий, в нашем доме должен поддерживаться заданный тепловой комфорт.

Упрощенно, понятие процесса регулирования системы отопления можно охарактеризовать следующим образом:

Регулирование системы отопления – это комплекс мер по максимальному приближению теплоотдачи отопительных приборов к текущей потребности объекта в тепле для поддержания требуемой внутренней температуры при постоянном изменении внешних условий.

Так как в системах водяного отопления нужную нам температуру, как правило, обеспечивают приборы отопления (радиаторы, конвекторы, водяные теплые полы и т.д.), то для поддержания заданной температуры теплоотдача отопительных приборов должна иметь возможность изменяться в зависимости от изменений внешних условий. Если не рассматривать механическое ограничение теплоотдачи отопительного прибора, которое до сих пор иногда применяется в конструкции конвекторов (воздушная заслонка на конвекторе с кожухом), основными способами изменения теплоотдачи являются изменение расхода теплоносителя через прибор и/или изменение температуры теплоносителя.

Таким образом, главная цель регулирования — поддержание требуемой температуры в помещении трансформируется в две основные частные задачи:
— обеспечение расчетного расхода теплоносителя через приборы отопления;
— задание требуемой температуры теплоносителя.

Кроме того, нужно иметь в виду, что в процессе регулирования, как правило, меняются гидравлические режимы работы системы, что может приводить к нарушению стабильности работы и появлению нежелательных шумов. Поэтому в системе регулирования должны быть предусмотрены меры по предотвращению этих негативных явлений.

Суть процесса регулирования отопления.

В общих чертах, процесс регулирования заключается в том, что величина регулируемого параметра находится под постоянным контролем и сравнивается с каким-то заданным значением этого параметра или величиной другого параметра. И в зависимости от их значения подвергается регулированию. Назовем совокупность элементов и алгоритмов регулирования, участвующих в этом процессе регулировочным контуром. Стоит сразу отметить, что таких контуров в системе отопления может быть достаточно много. Примерами таких регулировочных контуров являются поддержание температуры в помещении с помощью отопительного прибора по комнатному термостату или с помощью термостатического клапана на радиаторе отопления, регулирование котловой температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха, поддержание заданной температуры теплоносителя в водяном теплом поле и так далее.

Замкнутый регулировочный контур

Рассмотрим простейший замкнутый регулировочный контур, состоящий из прибора отопления, комнатного термостата, выполняющего функции измерительного устройства и контроллера, а также сервопривода с термостатическим клапаном, в качестве исполнительного устройства.

Рис. Замкнутый процесс регулирования в системе отопления

В рассматриваемом контуре регулируемый параметр – температура воздуха в помещении (х), которая формируется под воздействием прибора отопления и некого возмущающего воздействия, например, открытого окна. Для примера, заданное на термостате значение температуры (w) примем равным 23°С, а значение временно сформировавшейся температуры – равным 21°С. Температура воздуха постоянно контролируется измерительным устройством, в качестве которого может служить датчик температуры, встроенный в комнатный термостат. Результат измерения передается на контроллер, который в нашем примере также встроен в термостат. Контроллер сравнивает измеренное значение (21°С) с заданным (23°С) и при наличии рассогласования, подаёт управляющий сигнал на сервопривод на открытие, либо закрытие термостатического клапана. Исполнительное устройство формирует управляющее воздействие (в нашем случае увеличение расхода теплоносителя) на радиатор отопления, вследствие чего его теплоотдача увеличивается и повышает температуру воздуха в помещении. Таким образом образовался замкнутый регулировочный контур, в котором температура в помещении является и регулируемым и контролируемым параметром, и в процессе регулирования влияет сама на себя.

Открытый регулировочный контур

Рассмотрим другой пример контура регулирования, достаточно распространенного в современных системах отопления. Это — так называемый, открытый контур.

Рис. Пример открытого регулировочного контура

Особенность открытого регулировочного контура заключается в том, что, в отличие от закрытого контура, контролируемая и регулируемая величины относятся к различным параметрам. В данном примере контролируемая величина — это температура наружного воздуха, регулируемая — температура теплоносителя, подаваемая в контур теплого пола.

Принцип работы такой схемы регулирования заключается в следующем. Температура наружного воздуха (контролируемая величина) регистрируется датчиком (1), в результате чего формируется сигнал (Y), уровень которого зависит от измеренной температуры. Сигнал поступает на измерительный модуль контроллера (2) (в нашем примере контроллер встроен в котел отопления). Одновременно с помощью датчика (3) регистрируется температура теплоносителя в контуре теплого теплого пола (регулируемая величина), сигнал (х) от которого также передается в измерительное устройство. В контролерре происходит оценка того, насколько температуры (уровни сигналов) соответствуют настройкам. Обычно, соответствие контролируемой и регулируемой температур задается с помощью диаграмм. И в случае выявления несоответствия, подается управляющий сигнал (Z) на сервопривод трехходового клапана (4), в результате чего изменяются пропорции смешения горячего и остывшего теплоносителя и, таким образом, изменяется температура в контуре теплого пола.

Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. Пырков В.В. , 2005

ООО с ИИ ´Данфосс ТОВª

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ

ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

к 60 летию первого терморегулятора

´Такі справиª Киев ó 2005

ББК 38.762.1+38.762.3 УДК 628.81+628.82 П 94

Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. — К.: II ДП «Такі справи», 2005. — 304 с. — ил. ISBN 966 7208 29 X

Рассмотрены идеальные и рабочие расходные характеристики клапанов различного конструктивного исполнения. Разработаны методики подбора регулирующих клапанов с учетом их авторитетов. Оценено влияние дросселя и замыкающего участка узла обвязки теплообменного прибора на потокораспределение терморегулятором. Проанализировано влияние теплообменных приборов, трубопроводов, насосов на работу терморегуляторов, клапанов ручного и автоматического регулирования. Приведены общие сведения о современных системах водяного отопления и кондиционирования. Даны основные аспекты конструирования систем, их балансировки и экономическая оценка средств автоматизации.

Предназначена для проектировщиков, эксплуатационников, научных работников и студентов.

Автор: Пырков Виктор Васильевич, канд. техн. наук, советник по научно техническим вопросам ООО с ИИ «Данфосс ТОВ».

МЫ К ВАШИМ УСЛУГАМ:

Необходима помощь? Если у Вас есть вопросы, проблемы или замеча ния по книге, можете обращаться непосредственно к Пыркову В. В. (е mail: pirkov@danfoss.com), относительно оборудования и его приме нения — в компанию ДАНФОСС

Украина 04080, Киев 80, ул. Викентия Хвойки, 11 (Переписка: Украина 04080, Киев 80, п/я 168).

Тел.: (+38044) 461 87 00. Факс: (+38044) 461 87 07 E mail: pirkov@danfoss.com WWW: www.danfoss.ua

Перепечатка и копирование без согласия

ООО с ИИ «Данфосс ТОВ»

информации без ссылок

Защищено авторским правом.

© ООО с ИИ «Данфосс ТОВ», 2005

© II ДП «Такі справи», подготовка издания, 2005

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Вступление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Opinion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Рецензия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Условные буквенно цифровые обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Условные графические обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Основные термины и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1. Тепловой комфорт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2. Тепло и холодоноситель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3. Гидравлические потери . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2. Пропускная способность клапана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3. Внешний авторитет клапана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.4. Расходная характеристика клапана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4.1. Линейная рабочая расходная характеристика клапана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.4.2. Равнопроцентная рабочая расходная характеристика клапана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.4.3. Параболическая рабочая расходная характеристика клапана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.4.4. Логарифмическо линейная рабочая расходная характеристика клапана . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.4.5. Линейно линейная рабочая расходная характеристика клапана. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.4.6. Рабочие расходные характеристики трехходовых клапанов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.4.7. Взаимовлияние регулирующих клапанов . . . . . . . . . . . 80 3.5. Отключающие клапаны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4. Терморегуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1. Конструкции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.1.1. Регуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.1.2. Термостатические клапаны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.2. Характеристики терморегуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.2.1. Механические характеристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.2. Рабочие характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.3. Технические параметры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.2.4. Авторитеты терморегулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.2.4.1. Внешний авторитет терморегулятора . . . . 114 4.2.4.2. Внутренний авторитет терморегулятора. . . 120 4.2.4.3. Общий авторитет терморегулятора. . . . . . . 124

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

4.2.4.4. Влияние настройки дросселя на авторитеты терморегулятора . . . . . . . . . . 128

4.2.4.5. Влияние замыкающего участка на авторитеты терморегулятора . . . . . . . . . . 138

4.3. Электроприводы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5. Автоматические регуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.1. Перепускные клапаны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.2. Автоматические регуляторы перепада давления . . . . . . . . . . 151 5.3. Автоматические регуляторы расхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 5.4. Стабилизаторы расхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

6. Теплообменные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.2. Регулирование теплового потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3. Авторитет теплоты помещения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

7. Трубопроводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 8. Насосы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 8.1. Шумообразование системы обеспечения микроклимата. . . 193 8.2. Преобразователи частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 8.3. Циркуляционное давление насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 8.4. Выбор насоса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

9. Системы обеспечения микроклимата. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 9.1. Гидравлический режим . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 9.2. Конструирование систем водяного охлаждения . . . . . . . . . . . 210 9.3. Конструирование систем водяного отопления . . . . . . . . . . . . 219 9.3.1. Разводка трубопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 9.3.2. Присоединение приборных веток и стояков . . . . . . 226 9.3.3. Присоединение отопительных приборов . . . . . . . . . 236

9.4. Гидравлическая устойчивость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 10. Гидравлическая балансировка систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 10.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 10.2. Метод температурного перепада. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 10.3. Метод предварительной настройки клапанов. . . . . . . . . . . . . . 260 10.4. Пропорциональный метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.5. Компенсационный метод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 10.6. Компьютерный метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

11. Автоматическая балансировка систем комбинированными клапанами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

12. Энергосбережение автоматизированных систем обеспечения микроклимата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

Сборник выводов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Закончился ХХ век, принесший много полезных технических реше ний, которые призваны служить человеку в отдельности и планете в це лом. Этот век показал, что природные ресурсы не безграничны и наше будущее зависит от сегодняшнего отношения к их использованию.

Наиболее энергоемкий сектор большинства государств занимают системы обеспечения комфортной жизнедеятельности человека. Но вым этапом совершенствования таких систем послужило изобретение компанией Данфосс 60 лет тому назад первого в мире терморегулятора. Много воды с тех пор утекло, и он стал неотъемлемой частью систем отопления и охлаждения. Современный терморегулятор позволяет соз дать комфортные условия для труда и отдыха человека, в значительной мере снизить потребление энергоресурсов и уменьшить техногенное воздействие на окружающую среду.

Терморегулятор превратил систему обеспечения микроклимата по мещения в действенный технический комплекс адекватной реакции на любые внутренние и внешние воздействия, поэтому повысились требо вания к проектированию таких систем. Одной из основных задач стало создание условий их эффективной работы в стационарном и перемен ном эксплуатационных режимах. Данный подход заставляет рассматри вать систему в комплексе и взаимосвязи с ее окружением, проводить системный анализ.

По заключению Мировой энергетической комиссии «современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности, но исследователи недостаточно изучили особенности теплового режима, а проектировщики не научились оптимизировать теплоту и массу ограждающих конструкций». Такое состояние во мно гих случаях является следствием развития познания в прошлом веке по пути проб и ошибок. Приблизиться к истине, эффективному результату мог лишь опытный исследователь. Полученные высокие результаты по достоинству оценены современниками, однако остались практически невостребованными прямые математические методы оптимизации сложных энергетических систем, каковыми являются системы отопле ния и кондиционирования. Вариационные методы, методы линейного и динамического программирования, системный анализ — огромный по тенциал, который в ближайшем будущем предстоит применять нашим специалистам при проектировании систем обеспечения микроклимата.

Указанные подходы не усложняют проектирование систем, а делают его творческим и вдумчивым, поэтому мы сознательно затрагиваем вза имосвязь гидравлических и тепловых процессов. Стараемся представить

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

целостную картину работы систем для эффективного использования их потенциала. Пытаемся объединить научный и практический опыт, по лученный в разных странах. Безусловно, данная работа не всеобъемлю ща, не является ответом на многогранные вопросы проектирования, монтажа и эксплуатации. Эта книга — лишь результат наших скромных усилий, предпринимаемых в данном направлении. Мы надеемся, что она поможет Вам, с учетом собственного опыта, сделать правильные выводы и воплотить их в повседневной практике.

Данная книга является продолжением научно практических изы сканий автора, начатых в предыдущем издании «Особенности совре менных систем отопления» [1]. В ней обстоятельно рассмотрены гид равлические процессы, происходящие при регулировании систем обес печения микроклимата. Выявлены взаимосвязи, уточняющие гидрав лические характеристики регулирующих клапанов в зависимости от конкретных условий циркуляционных колец системы водяного отопле ния, либо водяного охлаждения.

В книге рассмотрены широко используемые понятия «внутреннего авторитета», «внешнего авторитета» и «общего авторитета» терморегуля торов и балансировочных клапанов. Однако они оказались недостаточ ными для выяснения в полной мере причин искажения расходных ха рактеристик этого оборудования и целостного восприятия происходя щих гидравлических процессов, поэтому впервые применено понятие «базового авторитета», позволившее определить степень искажения идеальной расходной характеристики клапана в зависимости от его конструктивных особенностей. Затем показано дальнейшее искажение этой характеристики под влиянием «внешнего авторитета».

Детальное изучение гидравлических процессов в системах обеспе чения микроклимата позволило выявить неоспоримые преимущества автоматических регуляторов перепада давления и регуляторов расхода. Кроме вносимого улучшения работоспособности системы, применение этого оборудования во многом устраняет неточности расчетов и монта жа, упрощает процесс ее наладки.

Все полученные уравнения сопровождаются примерами, позволяю щими получить навыки в проектировании и наладке систем обеспече ния микроклимата. Они целиком составлены с использованием обору дования Данфосс. В то же время, для практического применения следу ет использовать последние версии технического описания данного обо рудования, поскольку происходит постоянное совершенствование по мере развития научных знаний и применения новых технологий.

Данная книга сегодня издается на иностранных языках и распростра няется во многих странах. Автор признателен всем коллегам мульти

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

национальной компании Данфосс за предоставленную возможность внести свой посильный вклад в мировую копилку знаний, за оказание активной помощи в написании книги, ее переводе на иностранные язы ки, подготовке к изданию, в проведении лабораторных тестов для под тверждения предлагаемой теории. Огромная благодарность коллегам за внимание и проявленную заботу, а также доброжелательное отношение к автору и создание благоприятных условий для творческой работы.

Особая признательность за вовлечение мировой научной обще ственности в обсуждение книги, ее кропотливое рецензирование и по лучение бесценных советов по ее улучшению. Автор понимает, что дан ная книга противоречит существующим стереотипам в практике расче та систем обеспечения микроклимата. Во всяком случае, она позволяет еще раз переосмыслить традиционные методы расчета и развить позна ние. Автор всегда готов дать дополнительные разъяснения по предлага емой теории и не исключает иных подходов к решению рассматривае мых задач. Всегда готов к научной дискуссии, восприятию аргументи рованных замечаний, совместному поиску истины. Со всеми замеча ниями и предложениями касательно книги просьба обращаться к авто ру. Все запросы относительно продукции Данфосс следует направлять данной фирме.