Влияние понижения температуры теплоносителя на работу системы отопления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние понижения температуры теплоносителя на работу системы отопления

Волов Г.Я.

1. Теоретические положения

Что заставило взяться автора за перо (а точнее за клавиатуру)? В данном случае - это трудный разговор с теплоснабжающей организацией, в котором автор пытался защитить интересы потребителя, таким образом, как он их понимает. Начнем с истории вопроса (закончившие ТГСВ могут пропустить этот абзац или проверить знания автора). Известно, что большая часть Минска обеспечивается теплом от ТЭЦ и районных котельных. Такое теплоснабжение называется централизованным. Перед началом проектирования какого-либо сооружения проектант смотрел технические условия на теплоснабжение, в которых указывались параметры воды в наружной теплосети, которыми он мог воспользоваться при проектировании отопления своего объекта.

В Минске это звучало так: температура в подающей сети 150°С, температура в обратной сети 70 °С при наружной отопительной температуре -25 °С по графику ЦКР (центрального качественного регулирования, в дальнейшем будем его называть “старым” графиком ЦКР). Последнее означало, что температура в теплосети будет меняться в зависимости от наружной температуры по специальному графику, отражающему снижение теплопотерь объекта при потеплении. Обычно, такие параметры температур для внутренних систем отопления были слишком велики (не допускались СНиПом). Это заставляло снижать параметры в индивидуальных тепловых пунктах на вводах в здание, например, до графика 95-70 °С.

Стандартно это делалось элеватором. Далее на этот график подбирались нагревательные приборы, чтобы обеспечить компенсацию теплопотерь объекта. Мне здесь очень хотелось написать несколько формул, но я вспомнил реплику моей мамы на этот счет: “Если вижу в статье формулы, то я закрываю статью, она мне неинтересна”. Поэтому особенно любопытных отошлю в приложение к статье.

Таблица исходных данных и результатов расчета (отопительный график 105-70)

2. Рассмотрение вопроса на конкретном примере

В качестве примера рассчитаем стояк 12-этажного жилого дома (варианты расчета приведены в таблице). Основным является график 150-70°С. Переход на график 110-49°С осуществляется без изменения расхода из наружной теплосети, переход же на график 130-70°С осуществляется с увеличением расхода в 1.33 раза, а переход на график 120-70°С - в 1.6 раза. Рассмотрим рис.1, на котором приведены изменения температур внутреннего воздуха при графике внутренней сети 105-70°С и Тн=-25°С.

График А характеризует изменение внутренней температуры при “старом” графике ЦКР (Ксм=1.29). Как видим Тв - постоянная на каждом этаже и равна нормируемой. И все было бы хорошо, если бы не наступила пора экономить энергию. Стало понятно, что такие высокие параметры теплоносителя наружной теплосети нам не потянуть (большие теплопотери из-за некачественной изоляции, перетопы из-за отсутствия автоматики в переходной период, перегрев воды на горячее водоснабжение и т.д.). Параметры теплоносителя наружной теплосети стали падать. Сначала это была просто срезка графика ЦКР, а потом вниз пошел и сам график. Вместо 150-70 он стал, например, 110-49°С. Что случилось в домах смотри на рисунке 1 (график Б). Как видно начала падать температура в квартирах. По расчету она должна была достичь 8°С. Такое снижение температуры вызывает дискомфорт. Чем больше величина отклонения реальной температуры от нормируемой - тем больше дискомфорт. Жильцы стали защищаться: клеить окна, заделывать вентиляцию, включать газ и электрообогреватели, рассверливать горловины элеваторов. Многим жильцам и владельцам зданий удалось устранить напасть своими силами. Кому не удалось - стали жаловаться. Как разрешить возникшее техническое противоречие? Без детального рассмотрения вопроса можно отметить некоторые пути решения:

· возврат к “старому” графику ЦКР, но он пока не предвидится,

· переход на график 105-70°С на ТЭЦ приведет к такому росту расхода воды в теплосетях, что впору будет заняться этим не теплосетям, а ведомству по чрезвычайным ситуациям,

· утепление своего здания и за счет этого переход на низкотемпературную систему отопления - это самое дорогое (но технически чистое) по капитальным вложениям решение,

· увеличение поверхности нагрева своих отопительных приборов - достаточно дорогое и не очень технически чистое решение, а то и просто грязное в прямом и переносном смыслах,

· у кого есть возможность - надо бежать из системы централизованного теплоснабжения, а всем остальным хорошо уже не будет, одеяла на всех не хватит и надо лишь постараться “урвать” его для себя.

А что же даст более детальное рассмотрение?

В данной статье мы стараемся называть вещи своими именами. Поэтому посмотрим еще раз на рис.1.

Попытаемся рассверлить сопло, но не взять больше воды с подачи (график В). Коэффициент смешения при этом падает с 1,29 до 1. Как видим ситуация, хоть и незначительно, но улучшается.

Для того, чтобы ее поставить под контроль необходима установка трехходового смесительного клапана управляемого контроллером. В этом случае мы можем варьировать коэффициент смешения до 0 (графики Г, Д, Е). Улучшение ситуации в нашем случае относится к квартирам от 1 до 10 этажей. На 11-12 этажах произошло ухудшение. Не следует при этом забывать, что теплоснабжающая организация ограничила нам максимальный расход шайбой. Попытаемся договориться с теплосетями о переходе, хотя бы, на график 130-70, что равносильно повышению максимального расхода на 33%. На рисунке 1 эта ситуация описывается графиком Ж. Ситуация явно улучшилась. Температура на последнем этаже вместо 8°С достигает 12.5°С. Дальнейшее улучшение ситуации на последних этажах возможно при устройстве дополнительной теплоизоляции или повышении поверхности нагревательных приборов. Ситуация при увеличении поверхности нагревательных приборов (40% на стояк) приведена на графике И. На рис.2 приведены те же графики, но при наружной температуре -5°С.

3. Автоматическое регулирование системы отопления

В приложении к данной статье показано, что температура внутреннего воздуха зависит от графика температур наружной теплосети, коэффициента смешения, наружной температуры и симплекса ? (см. приложение).

ИТП системы отопления может работать в ручном и автоматическом режимах. Под ручным режимом мы понимаем режим с постоянным коэффициентом смешения. Существует два основных способа (метода) работы системы в автоматическом режиме (рис.3). Первый метод - поддержание температуры смеси по графику ЦКР (автоматическое управление без обратной связи). Второй метод - поддержание нормируемой температуры внутреннего воздуха в контрольном помещении (автоматическое управление с обратной связью). В сравнении с автоматизацией по температуре внутреннего воздуха первый метод имеет следующие преимущества:

· нет зависимости работы системы отопления дома от “любимых” параметров микроклимата конкретного жильца, у которого установлен датчик температуры внутреннего воздуха,

· если наружная теплосеть соответствует графику ЦКР - расход воды из наружной теплосети величина постоянная.

Метод регулирования по температуре внутреннего воздуха имеет следующие преимущества:

· максимально гибкое поддержание температуры воздуха в помещении в соответствии с требуемым графиком,

· максимальная экономия энергии, из-за отсутствия в любой момент времени перетопов,

· возможность оптимально использовать имеющийся график температур в наружной теплосети.

“Нет ничего практичнее хорошей теории” - любил повторять Л.И.Брежнев. Но, насколько хороша наша теория? На это может ответить только практика. Нашему предприятию “Энерговент” представилась возможность проверить это на квартале жилых домов по ул. Плеханова (дома 52 и 56), в городе Минске. Для того, чтобы проверить теоретические положения, связанные с переменными расходом и температурой воды идущей на отопление здания, необходимо создать регулируемый тепловой пункт. Для этой цели нами были запроектированы, а затем смонтированы, регулируемые тепловые пункты на базе трехходовых регулирующих клапанов и насосов на подмешивании. В качестве трехходовых клапанов были применены клапана фирмы Лэндис и Штефа (Германия), насосы белорусской фирмы Термоблок (НЦ 6.3/7.1) и контроллеры собственного производства СЭ-01.

4. Краткое описание системы теплоснабжения квартала

Теплоснабжение квартала осуществляется от внутриквартального ЦТП по зависимой схеме. График температур в наружной теплосети 150-70°С и в местных системах отопления - 105-70°С. До реконструкции в ИТП домов квартала были установлены нерегулируемые элеваторные узлы, которые во время реконструкции были демонтированы. Схему узла после реконструкции см. на рис. 3. Всего от ЦТП по зависимой схеме снабжается теплом 4 жилых дома (общее количество ИТП - 15), детский сад и гараж. Последние два объекта реконструкции не подвергались.

Все жилые дома - 12-этажные, система отопления с нижней разводкой, однотрубная, проточная, без замыкающих участков. В качестве нагревательных приборов использованы конвекторы типа “Комфорт”. Т.е. по граничным условиям схема аналогична ситуации, описанной в части I настоящей статьи.

Подробнее рассмотрим ИТП №1 (ближнее к ЦТП). Нагрузка на ИТП №1 при параметрах теплоносителя 150-70°С составляла 8.9 т/ч по наружной воде. Коэффициент смешения равен 1.29 для перехода на параметры 105-70°С. Т.е. расход в местом контуре равен 20,3 т/ч. В дальнейшем, замеры проведенные Теплосетями показали, что максимальный расход наружной воды и в местном контуре составляет порядка 16 т/ч.

5. Автоматизация ИТП

При реализации проекта мы использовали оба метода автоматизации. Поскольку система до сих пор находится в отладочном режиме, было интересно сравнить их между собой, чему будет посвящена следующая статья. Здесь же мы проанализируем работу автоматизации по методу с поддержанием постоянной температуры в помещении и предложенную Теплосетями схему с постоянным коэффициентом подмешивании, реализованную на одном ИТП.

В основе автоматизации по этому методу лежит поиск нормируемой температуры внутреннего воздуха, по которому ведется регулирование. Почему эта величина не постоянная, и не равна, например, нормируемой 18°С? Оказывается, что в квартирах первых этажей, а именно в них расположены датчики температуры, наблюдается большой разброс температур (от 10 до 22°С). Причем этот разброс сохраняется и в случае, когда теплоноситель подаваемый в нагревательные приборы имеет одинаковую температуру. Это связано в первую очередь с тем, что в квартирах очень разнится между собой инфильтрация. Предотвратить ее можно только герметизацией окон, входных дверей, установкой пружин для автоматического закрытия дверей и т.д. В некоторых случаях играет роль неправильная эксплуатация конвекторов (закрытия воздушных заслонок, сушка на конвекторах белья) и установка дополнительных поверхностей нагрева. Понятно, что автоматизация не может ликвидировать отмеченные недостатки, но она должна их учитывать.

Как видно из результатов части 1 данной статьи - при снижении температурного графика должен наблюдаться перекос температур по стояку. На рис. 4 приведены данные по температурам в квартирах характерного подъезда, полученные при натурных замерах. Здесь же приведен график полученный теоретически. Как видно, в натуре перекос на верхнем этаже несколько ниже чем на первом. Это связано, в первую очередь, с неучетом внутренних тепловыделений (по нашим данным жильцы могут безболезненно поднять температуру в квартирах на 2°С), а во вторых, из-за того, что жильцы верхних этажей, испытывающие больший недогрев, прибегают к таким мерам, как полное закрытие вентиляции и усиление герметизации окон.

Рис. 4 Сравнение расчетной и экспериментальной температур внутреннего воздуха

Вызывает интерес работа систем отопления при наличии бытовых тепловыделений. На рис.5 приведены графики изменения различных параметров (температур) на ИТП №1. Для пояснения отметим, что с 12 часов 27.12.99 по 14 часов 29.12.99 теплопункт работал в автоматическом режиме по температуре внутреннего воздуха (уставка 18°С). Такой режим работы вызвал основные беспокойства Теплосетей, которые посещали дом исключительно в дневное время, и видели полностью открытый клапан. Теплоснабжающая организация, проведя замеры, предложила установить постоянный коэффициент подмешивания. Такой режим и наблюдается на рисунке с 14 часов 29.12.99. Причем коэффициент смешения определен и установлен самой теплоснабжающей организацией. Хотя в конкретный момент это и привело к снижению расхода воды из наружной теплосети, в дальнейшем в квартирах стал наблюдаться перетоп и температура поднялась до 21.5°С (нормируемая - 18°С). Из рисунка видно, что если объект находится в режиме регулирования, а не натопа (графики ИТП №1), при появлении бытовых тепловыделений происходит снижение температуры подаваемой, а следовательно, и обратной воды. Под натопом мы понимаем режим работы системы отопления исключительно на наружном теплоносителе - без подмешивания. Такой режим возможен, когда температура в контрольном помещении более чем на 1°С ниже нормируемой. Все остальные режимы - режимы регулирования, когда контроллер рассчитывает необходимую температуру теплоносителя, подаваемую в систему отопления. Бытовые теплопоступления начинаются в квартире примерно в 17 часов. Это приводит к резкому снижению температуры подаваемого теплоносителя. Как видно из графика, температура внутреннего воздуха остается постоянной. Но уже утром, примерно в 9 часов, начинается охлаждение квартир и поддержание температуры 18°С возможно только при полном открытии клапана. Это длится примерно до 17 часов.

Явление снижения расхода в ночное время наблюдается и на ряде ИТП квартала. Это приводит к перераспределению в ночное время воды с тех ИТП, которые расположены ближе к ЦТП и имеют повышенный напор к удаленным ИТП, недогреваемым из-за отсутствия требуемого напора на вводе (здесь напор - читай расход).

Коэффициент смешения:

1. Что же происходит с коэффициентом смешения в процессе автоматического регулирования?

2. Можно ли по коэффициенту смешения определить, что происходит с системой отопления?

3. Можно ли подобрать для системы такой идеальный коэффициент смешения, установив который, не надо было производить автоматическое регулирование?

Сразу отметим, что система отопления, работающая в режиме автоматического регулирования по температуре внутреннего воздуха, не обращает внимания на значение коэффициента смешения. Коэффициент смешения для такой системы может быть лишь ограничивающим фактором как сверху (максимальный расход из наружной сети), так и снизу (например, минимальный расход по условию замерзания сети).

На вопрос, что происходит с коэффициентом смешения в процессе регулирования, ответить довольно просто. Ответ таков: что происходит - то и происходит. контроллер отопление температура гидравлический

Краткий ответ на второй вопрос: “Да”. Если температура в контрольном помещении ниже нормируемой (уставки), то коэффициент смешения будет стремиться к нулю. Рост коэффициента смешения говорит о том, что температура в помещении растет и необходимо снизить температуру подающей воды в местной системе.

Третий вопрос связан с требованиями Теплосетей установить значение коэффициента смешения не равное нулю. Т.е. перейти на режим имитации простого и понятного элеваторного узла. То, что одного такого значения для системы нет - это понятно. В принципе, иметь на сутки два или три коэффициента - возможно. Здание инерционно. Другой вопрос - как их менять в течение суток, как их определять в зависимости от внешних условий. Опыт Запада говорит о том, что здание можно топить периодически. Обычно днем система отопления работает, а ночью стоит. Но как это выполнить без автоматики я не знаю. А при наличии автоматики - зачем все это?

Рассмотрим, как менялся коэффициент смешения в контрольном ИТП. На рис.6 приведен график изменения коэффициента смешения. Среднее значение коэффициента смешения за период регулирования составило 1.14, а в ручном режиме - 0.43. Понижение коэффициента смешения в ручном режиме привело к значительным перетопам. Как показали расчеты, перерасход тепловой энергии при установке постоянного коэффициента подмешивания составил 9.8%.

Рис. 6 График изменения коэффициентов смешения

Напрашивается простой вывод, давайте установим коэффициент смешения 1.14, и все будет хорошо. Как видно из графика, для того, чтобы поддерживать температуру в помещении, коэффициент смешения в течение суток претерпевает значительные колебания (от 0 до 5.6). Выбор постоянного коэффициента смешения всегда приводит либо к перетопам, либо к недотопам.

Что будет, если в контрольной квартире включить обогреватель?

Как было отмечено выше, главным недостатком регулирования по методу внутренней температуры является сильное влияние случайных возмущений в контрольном помещении. Основными случайными возмущениями являются: включение обогревателя (прочие бытовые теплопоступления) и интенсивное длительное проветривание квартиры. Можем ли мы распознать и устранить эти возмущения. Да! Постоянно отслеживая симплекс, мы можем определить среднее значение этой величины. В случае, если величина текущего значения симплекса выше (ниже) среднего значения - ограничиваем это отклонение. Понимая при этом, что отклонение вызвано именно случайными возмущениями.

6. О гидравлических режимах

Гидравлические режимы наружных сетей при наличии автоматического регулирования на ИТП - особая задача. Подходить к ним с меркой статических сетей (при наличии постоянного коэффициента подмешивания в ИТП) - провальная задача. Наш опыт показывает, что необходимо оговорить лишь максимальный расход из наружной теплосети, которым мы можем располагать. Ограничить его можно той же шайбой на вводе. На наш взгляд это не является лучшим. В случае, если автоматизирован весь квартал, ограничение расхода можно выполнять на магистрали из ЦТП. Величина максимального расхода может зависеть от:

· пропускной способности теплосетей,

· графика ЦКР.

В настоящее время, из-за того, что график подвергается волюнтаристскому воздействию, установить этот максимальный расход не представляется возможным. Оценочно порядок величины отношения максимального расхода к расчетному по старому графику ЦКР должен составлять на сегодня величину 1.6 (переход на график 120-70°С).

Для того, чтобы нормально работал узел с трехходовыми клапанами необходимо:

· иметь регулятор перепада давления перед клапаном на основной линии,

· перепад давления на основной линии должен быть равен перепаду на обводной (подмешивающей) линии,

· давление после клапана должно обеспечить циркуляцию требуемого расхода воды в системе отопления.

Динамический режим работы наружной теплосети - неизученная задача. Ясно, что чем больше ИТП подключено к ЦТП - тем меньше будет ощущаться неравномерность. Наиболее тяжело должна сказаться эта неравномерность на работе сетевых насосов. Какова амплитуда колебаний расхода, каков градиент изменений, каковы свойства теплосети как объекта регулирования. Несомненно, что вопрос нуждается в очень глубоком и серьезном исследовании.

Выводы

1. Снижение температуры теплоносителя в наружных сетях всегда приводит к снижению температуры (дискомфорту) в квартирах потребителей. Только с применением автоматизации ИТП появляется возможность сведения такого дискомфорта к минимуму.

2. По результатам работы выявлено, что температура внутреннего воздуха зависит от графика температур наружной теплосети, коэффициента смешения, наружной температуры и симплекса ??(смотри приложение).

При снижении температур в наружной теплосети от графика, в целях ликвидации отрицательного влияния этого явления, т.е. для повышения температур в квартирах, необходимо:

· снизить коэффициент смешения,

· снизить значение симплекса ? (повысить термическое сопротивление ограждающих конструкций или повысить поверхность нагрева отопительной системы),

· понизить расчетный график температур в наружной теплосети.

3. Оптимальное изменение коэффициента смешения возможно только при внедрении автоматизированных узлов ввода.

4. При решении вопроса об устройстве дополнительной теплоизоляции (повышении поверхности нагревательных приборов) - необходимо выявлять места на здании (системе отопления) где необходимо выполнять модификацию. Вопрос о выявлении таких мест может быть решен с применением разработанной нами модели расчета, некоторые графики, из которой приведены в данной статье.

5. Снижение расчетного графика приводит к повышению расхода воды из наружной теплосети. А размер этого роста зависит от возможности теплосети и поэтому должен решаться с теплоснабжающей организацией.

Приложение

В основе моделирования систем отопления лежат уравнения баланса в помещении

S(Кст*Fст)*(Тн-Твi)= S(Кпр*Fпр)* ((Тi+Тi-1)/2-Твi) (1)

здесь Твi - температура воздуха i-го помещения.

Если в этом уравнении обе части разделить на ?(Кпр*Fпр), то получим

ai*((Тн-Тв)=((Тi+Тi-1)/2-Твi) (2)

где

ai=(S(Кст*Fст)/S(Кпр*Fпр)) (3)

Безразмерная величина ?i характеризует качество i-го помещения с теплотехнической точки зрения. Уменьшение значения ?i - основная задача при теплотехнической реабилитации помещений. Добиться падения ?i, как видно из формулы (3), можно за счет увеличения поверхности нагревательных приборов, либо за счет увеличения термического сопротивления ограждающих конструкций.

В общем случае величина Твi является следующей функцией

Твi=F(ai, Тн, график, Ксм) (4)

Здесь под “графиком” мы понимаем тот самый график 150-70 или 130-70 и т.д. Причем смена графика приводит к изменению расхода теплоносителя из внешней сети, т.е. сам расход уже не является определяющей величиной.

Теплопотери определяем по формуле

Qтп=S(Кст*Fст)*(Тн-Тв) (5)

Расход теплоносителя из наружной теплосети

G1=SQтп/(Т11-Т21) (6)

Расход теплоносителя на стояк

G2=SQтп/(Т12-Т22) (7)

Коэффициент смешения определяют по формуле

Ксм=(Т11-Т12)/(Т12-Т22) (8)

Т11 - температура в подающей магистрали теплосети, °С,

Т21 - температура в обратной магистрали теплосети, °С,

Т12 - температура на входе в систему отопления, °С,

Т22 - температура на выходе из системы отопления, °С,

Тв - температура внутреннего воздуха (расчетная), °С,

Тн - температура наружного воздуха, °С,

Ксм - коэффициент смешения узла ввода

S(Кст*Fст) - сумма произведений коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций на их площадь,

S(Кп*Fп) - сумма произведений коэффициентов теплопередачи нагревательных приборов на их площадь,

a=(S(Кст*Fст)/S(Кпр*Fпр )) - симплекс, характеризующий теплотехнические свойства здания (помещения). Размещено на Allbest.ru