CC BY
53
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/
Том 9, №3 (2017) http://naukovedenie.ru/vol9-3 .php
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/39TVN317.pdf
Статья опубликована 23.05.2017
Ссылка для цитирования этой статьи:
Усиков С.М. Диапазон регулирования теплоотдачи отопительных приборов при количественном автоматическом регулировании // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №3 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/39TVN317.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 697
Усиков Сергей Михайлович
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский Государственный строительный университет»
Россия, Москва1 Ассистент Кандидат технических наук E-mail: [email protected] РИНЦ: https://elibrary.ru/author profile.asp?id=814697
Диапазон регулирования теплоотдачи отопительных приборов при количественном автоматическом регулировании
Аннотация. В статье представлены результаты расчетного исследования диапазона теплоотдачи отопительных приборов различного типа. Учтены не только конструктивные различия приборов, но и взаимодействие теплового режима работы системы отопления с автоматическим регулированием в индивидуальном тепловом пункте. Автором предложены к рассмотрению три "зоны" характеристики теплоотдачи отопительного прибора. Зависимость теплоотдачи отопительного прибора от расхода теплоносителя в каждой "зоне" обладает особенной характеристикой, которая в свою очередь зависит от конструктивных особенностей приборов отопления. При учете данных "зон" можно выбрать оптимальный диапазон работы отопительных приборов, и тем самым сократить их установочную мощность, что в конечном итоге приводит к сокращению капитальных вложений при строительстве, без снижения уровня комфорта в отапливаемых помещениях. Результаты работы показали, что наибольшим диапазоном регулирования обладают отопительные приборы типа конвектор, поэтому их применение с точки зрения автоматического регулирования и экономии материала является более предпочтительным, относительно других типов приборов. В статье сделаны выводы о применимости в системах с автоматическим регулированием выбранных приборов, и предложена формула для проверки температуры воды выходящей из приборов отопления.
Ключевые слова: отопительные приборы; теплоотдача; автоматическое регулирование; водяное отопление; конвектор; радиатор; индивидуальное регулирование
При централизованном теплоснабжении городской застройки от крупных источников (ТЭЦ, районная котельная) эксплуатационное регулирование процесса теплоподачи на
1 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26
отопление зданий осуществляется различными способами [1-4] в зависимости от этапа его проведения (рис. 1).
Рисунок 1. Этапы эксплуатационного регулирования теплоподачи на отопление зданий в условиях городской застройки: I - центральное на теплоисточнике; II - групповое в центральном тепловом пункте (ЦТП); III - местное в индивидуальном тепловом пункте (ИТП) или в собственной котельной; IV - узловое на входе в сложный элемент или в часть системы отопления; V - индивидуальное в отопительном приборе 11, 12 - температура, соответственно, подаваемого и охлажденного теплоносителя до этапа II; {1, /2 - то же между этапами II и III; ^, и - то же в системе отопления здания (составлено автором)
С помощью автоматических устройств, размещаемых в котельных или тепловых пунктах, температура подаваемого теплоносителя изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха по некоторому индивидуальному температурному графику качественного регулирования. Такое регулирование отвечает комплексному изменению теплоотдачи отопительных приборов в каждом помещении здания.
Применение современных регулирующих устройств в системах отопления позволяет более точно установить температуру в помещении, соответствующую комфортным условиям для человека или требованиям производственного процесса. При узловом и индивидуальном регулировании данное оборудование позволяет изменить расход теплоносителя на участках системы и, соответственно, величину теплоотдачи отопительного прибора.
Однако такое регулирование имеет свои особенности. В первую очередь, скорость теплоносителя на участках ограничена акустическими характеристиками системы2, возможностью возникновения кавитации, а также величиной теплоотдачи отопительных приборов. Проведенное расчетное исследование3 показало, что при определенных условиях
2 СП 60.13330.2012. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01 [Текст] - М.: ГУП ЦПП, 2013. - 81 с.
3 Махов Л.М. Расчёт переменного гидравлического режима работы системы водяного отопления [Текст] / Л.М. Махов, С.М. Усиков // АВОК. - 2014. - № 2. - С. 54-62.
увеличение расхода воды в отопительном приборе фактически не изменяет его теплоотдачи. Это означает, что не каждый отопительный прибор способен обеспечить требуемый диапазон температуры4 в обслуживаемом помещении. Следовательно, при выборе прибора необходимо выполнять дополнительный поверочный расчет, который определит возможность изменения его теплоотдачи согласно требованиям обслуживаемого помещения и находящегося в нем персонала.
Ниже приведены результаты расчетных исследований работы некоторых видов отопительных приборов при количественном регулировании их теплоотдачи.
В классической методике расчета температура воздуха в помещении принимается согласно5. Величина температуры выбирается минимальной из диапазона ее оптимального значения. Однако, чтобы обеспечить максимальную температуру из представленного диапазона, следует увеличить теплоотдачу отопительного прибора. С другой стороны, если в помещение будет поступать дополнительная теплота от внутренних или внешних источников, то теплоотдача прибора должна быть уменьшена. Для того, чтобы изменить теплоотдачу отопительного прибора в автоматическом или ручном режиме, требуется изменение величины проводимости [4] регулирующего клапана, непосредственно расположенного на подводке к отопительному прибору, что, в свою очередь, изменит расход теплоносителя через прибор и, соответственно, изменит температурный напор.
Идеальным графиком регулирования работы отопительного прибора является тот случай, когда изменение расхода теплоносителя, протекающего через прибор, пропорционально влияет на его теплоотдачу (рис. 2).
Рисунок 2. Идеальный график количественного регулирования отопительного прибора: Qр - расчетная теплоотдача прибора, Вт; Qфакт - фактическая теплоотдача отопительного прибора, Вт; Gр - расчетный расход теплоносителя через прибор, кг/ч; Gфакт - фактическая расход теплоносителя через прибор, кг/ч (составлено автором)
4 ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях [Текст] - М.: ОАО СантехНИИпроект, 2011. - 12 с.
/1
0,5
5 Там же.
Преимущество такой зависимости обуславливается постоянством температуры теплоносителя на выходе из прибора. Т.е., если рассмотреть классическую формулу определения количества теплоты на участке системы отопления Q, Вт [4]:
где: с - удельная массовая теплоемкость воды, кДж/(кг • °С); G - расход теплоносителя на участке, кг/ч.
Видно, что температура обратного теплоносителя, при пропорциональном изменении расхода и тепловой мощности участка будет постоянной. Если бы теплоотдача отопительного прибора происходила по такому закону, то при переменном гидравлическом режиме не происходило бы перегрева обратной воды, возвращающейся в котел или тепловой пункт.
Но в реальных условиях такое условие невыполнимо, и характеристика теплоотдачи отопительного прибора в зависимости от изменения расхода теплоносителя выглядит иначе.
Вид графика зависит от температурного напора отопительного прибора (а значит и от температурного графика регулирования системы) и от конструкции самого прибора. Для того, чтобы определить его индивидуальную характеристику при конкретных условиях, необходимо провести ряд экспериментальных исследований. Такое испытание обязательно проводится для определения номинальной теплоотдачи отопительного прибора и дополнительных индивидуальных эмпирических коэффициентов при некотором диапазоне возможного расхода теплоносителя [5]. После этого они включаются в справочные источники, как рекомендации при выборе размера отопительного прибора конкретной фирмы-производителя6.
6 Рекомендации по применению стальных панельных отопительных радиаторов "Конрад" РСВ 4, РСВ 4 Термо, РСВ 5 и РСВ 5 Термо (новая редакция). М.: НТФ ООО "ВИТАТЕРМ". - 2007. - 47 с.
Рекомендации по применению стальных настенных и напольных травмобезопасных конвекторов с кожухом, изготаливаемых ОАО "САНТЕХПРОМ". М.: НТФ ООО "ВИТАТЕРМ". - 2011. - 104 с.
Рекомендации по применению стальных панельных радиаторов "СОРА". М.: НТФ ООО "ВИТАТЕРМ". -2014. - 40 с.
Рекомендации по применению биметаллических секционных радиаторов "БИМЕТАЛ" итальянской фирмы '^ША", поставляемых на российский рынок компанией "ТАЙМ". М.: НТФ ООО "ВИТАТЕРМ". - 1997. -48 с.
3,6
(1)
—♦—Конвектор КСК 20к Радиатор МС-140-500 Радиатор РСВ 4
Радиатор СОРА Радиатор SIRA
Рисунок 3. Результаты расчета фактической теплоотдачи отопительных приборов различной конструкции в зависимости от расхода теплоносителя (составлено автором)
Зависимости на рис. 3 построены на основании расчета фактической теплоотдачи согласно методике, представленной в 7. Значения номинальной теплоотдачи прибора (секции) и другие эмпирические величины выбраны согласно8. В исследовании были рассмотрены следующие отопительные приборы: секционные чугунные радиаторы МС-140-500, стальные панельные радиаторы РСВ 4 и SORA, конвекторы КСК 20к, и биметаллические радиаторы
7 Махов Л.М. Расчёт переменного гидравлического режима работы системы водяного отопления [Текст] / Л.М. Махов, С.М. Усиков // АВОК. - 2014. - № 2. - С. 54-62.
8 Рекомендации по применению стальных панельных отопительных радиаторов "Конрад" РСВ 4, РСВ 4 Термо, РСВ 5 и РСВ 5 Термо (новая редакция). М.: НТФ ООО "ВИТАТЕРМ". - 2007. - 47 с.
Рекомендации по применению стальных настенных и напольных травмобезопасных конвекторов с кожухом, изготаливаемых ОАО "САНТЕХПРОМ". М.: НТФ ООО "ВИТАТЕРМ". - 2011. - 104 с.
Рекомендации по применению стальных панельных радиаторов "СОРА". М.: НТФ ООО "ВИТАТЕРМ". -2014. - 40 с.
Рекомендации по применению биметаллических секционных радиаторов "БИМЕТАЛ" итальянской фирмы "^ША", поставляемых на российский рынок компанией "ТАЙМ". М.: НТФ ООО "ВИТАТЕРМ". - 1997. -48 с.
ЗГОА. Температурный график выбран классическим для двухтрубных систем отопления, эксплуатируемых в России, т.е. 95-70 С.
Видно, что наиболее близкой к идеальной характеристике теплоотдачи обладает конвектор, а наиболее отдаленной от идеальной - секционный чугунный радиатор.
Если условно привести характеристики приборов к усредненной, то можно получить следующий график (рис. 4), который заметно делится на три характерные зоны.
О]) акт
0,1 ЮМ
) \
Рисунок 4. Зависимость теплоотдачи отопительного прибора от расхода теплоносителя
(составлено автором)
При усреднении эмпирических коэффициентов определить фактическую теплоотдачу отопительного прибора, тем более при низком расходе теплоносителя через него (см. рис. 4, I зона), с большой точностью невозможно. В ряде рекомендаций эмпирические коэффициенты указываются только, начиная с некоторой величины расхода (50-60 кг/ч), хотя расчетный (проектный) расход через него может быть меньше. Этот фактор можно отнести к сознательному упрощению методики выбора отопительных приборов, как пережиток «ручного» способа ведения расчета без применения ЭВМ. Данное обстоятельство предлагается к обсуждению, но в настоящей работе не рассматривается.
В зоне II (см. рис. 4) теплоотдача отопительного прибора в зависимости от расхода теплоносителя изменяется по некоторой индивидуальной для данного вида прибора закономерности. При этом изменение величины расхода существенно влияет на изменение теплоотдачи, а эмпирические коэффициенты принимают условно постоянные значения.
Иная ситуация с теплоотдачей отопительного прибора при более высоком расходе теплоносителя. В зоне III на рис. 4 теплоотдача прибора продолжает расти при повышении расхода воды через прибор, но уже не так явно, как в зоне II. В этой зоне эмпирические коэффициенты также принимают постоянные значения, и можно говорить о достаточной точности экспериментальных данных в принятых условиях испытания отопительных приборов
[5].
По результатам расчетного исследования можно сделать выводы, что отопительный прибор типа конвектор является наиболее предпочтительным для систем с автоматическим регулированием, так как обладает наиболее приближенной к идеальной характеристике теплоотдачи, зависящей от расхода теплоносителя. Однако такой вывод уже был сделан не один раз [6]. Но отдельно стоит отметить, что конвекторы обладают более «широким» диапазоном регулирования. То есть при превышении значения фактического расхода теплоносителя протекающего через отопительный прибор значений расчетного (третья зона согласно рис. 4), изменение теплоотдачи прибора в значительной мере продолжает завесить от изменения расхода.
Важно отметить, что при увеличении расхода теплоносителя более чем на 20% от расчетного, температура обратного теплоносителя превышает требуемую максимальную величину (на 5% больше расчетной), а это означает, что при автоматическом регулировании в индивидуальном тепловом пункте здания тепло-гидравлический режим работы системы будет изменен системой автоматического регулирования. При росте расхода до 20% теплоотдача прибора может увеличиться не более, чем на 5% при расчетной экстремальной температуре наружного воздуха, а значит это и будет условным пределом теплоотдачи прибора. Однако, если учесть рекомендуемый запас при расчете тепловой мощности отопительного прибора в 10% [5], требуемая теплоотдача прибора будет составлять 90% от расчетной. Такая теплоотдача обеспечивается при расходе теплоносителя в 60-70% от расчетного расхода (см. рис. 4). Это означает, что при эксплуатации системы отопления величина максимально требуемой теплоотдачи отопительного прибора не должна превышать требуемой при классическом определении тепловых потерь более чем на 15%, а расход теплоносителя - не более чем на 20% от расчетного при температуре теплоносителя на выходе из прибора, соответствующей температурному графику. В противном случае вероятен нежелательный режим работы при постоянной тепло-гидравлической разрегулировке системы отопления и, как следствие, некачественное формирование внутреннего микроклимата отапливаемого помещения.
Для контроля температуры выходящего теплоносителя из отопительного прибора tвых, °С, предлагается использовать следующую формулу [7]:
1
Л Л—
'вых 'в ^
3,60ном и , 1
V 360Р1°1+"Сводил (¿вх - 'в Г у
(2)
где: tвх, tвых - температура теплоносителя на входе и на выходе из отопительного прибора, °С; tв - температура воздуха в отапливаемом помещении, °С; Qном - номинальная теплоотдача отопительного прибора, Вт; Gо.п - расход теплоносителя протекающий через отопительный прибор, кг/ч; п, p - эмпирические коэффициенты, принимаемые по техническим характеристикам отопительного прибора; свод - удельная массовая теплоёмкость воды, принимаемая равной 4,187 кДж/(кг-°С).
Если вести расчет температуры теплоносителя, выходящего из отопительного прибора, согласно формуле (2) для каждого отопительного прибора, то можно избежать такого нежелательного режима работы системы. Соответственно, если при расчете выявлено превышение температуры обратного теплоносителя более, чем на 5% от расчетной, то следует выбрать следующий по номенклатурному ряду прибор с большей номинальной теплоотдачей. Такой прибор обеспечит больший диапазон возможного регулирования потребителем.
Выводы исследования
На основании исследования можно сказать, что:
1. Верхний предел теплоотдачи отопительного прибора ограничен не только гидравлическими возможностями системы, но и индивидуальными характеристиками (конструкцией) отопительных приборов.
2. Отопительные приборы типа конвектор обладают большим диапазоном регулирования теплоотдачи, чем стальные панельные и секционные радиаторы, при котором не происходит перегрев выходящей из прибора воды.
3. При выборе отопительного прибора следует проводить дополнительный поверочный расчет при максимальной необходимой температуре воздуха в помещении. Увеличение пропускной способности клапанов (вследствие регулирования потребителем) у приборов может привести к увеличению расхода теплоносителя, проходящего через прибор, что в свою очередь приведет к перегреву выходящей из прибора воды, и некорректному режиму работы всей системы отопления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Калмыков А.А. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции [Текст] / А.А. Калмыков. М.: Стройиздат, 1986. - 479 с.
2. Чистович С.А. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления [Текст] / С.А. Чистович [и др.]. - Л.: Стройиздат, 1987. - 248 с.
3. Туркин В.П. и др. Автоматическое управление отоплением жилых зданий [Текст] / В.П. Туркин, П.В. Туркин, Тыщенко Ю.Д. - М.: Стройиздат, 1987. - 190 с.
4. Махов Л.М. Отопление: учебник для вузов [Текст] / Л.М. Махов. - М.: Издательство АСВ, 2014. - 400 с.
5. Сасин В.И. Действующая методика испытания отопительных приборов -требуется ли корректировка? [Текст] / В.И. Сасин, Г.А. Бершидский, Т.Н. Прокопенко // АВОК. - 2007. - № 4. - С. 76-86.
6. Пырков В.В. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика [Текст] / В.В. Пырков. - К.: II ДП «Taki справи», 2010. - 360 с.
7. Усиков С.М. Гидравлический режим работы системы водяного отопления при автоматическом регулировании [Текст]: дис. канд. техн. наук / С.М. Усиков. - М.: МГСУ, 2016. - 180 с.
Usikov Sergey Mikhailovich
National research Moscow state university of civil engineering, Russia, Moscow
E-mail: [email protected]
Range of heat output regulation of heaters in quantitative autonomic regulation
Abstract. The article presents the results of computational studies of a range of heat radiators of various types. Taken into account not only the structural differences of the heaters, but also the interaction of the thermal mode of operation of the heating system with automatic regulation in the heating system. The author offers the three "zones" heat output characteristics of the heaters. The dependence of the heat transfer of the heater from the coolant flow in each "zone" has a special characteristic, which in turn depends on design features of heating appliances. When accounting for these "zones" is possible to select the optimum range of heating appliances work, and thereby reduce their generating capacity, which ultimately leads to a reduction in capital investments in the construction, without compromising the level of comfort in the heated rooms. The results showed that the greatest adjustment range have heaters of convector type, so their use from the point of view of automatic regulation and economy of material is more preferable, relative to other types of devices. The article made conclusions about the applicability in systems with automatic regulation of the selected heaters, and the proposed formula to check the water temperature coming from the heaters.
Keywords: heaters; heat output; automatic regulation; water heating system; convector; radiator; individual regulation
REFERENCES
1. Kalmykov A.A. automation of systems of heat and ventilation systems [Text] / A.A. Kalmykov. M.: Stroiizdat, 1986. - 479 p.
2. Chistovich S.A. Automated systems of heat supply and heating [Text] / S.A. Chistovich [and others]. - L.: Stroiizdat, 1987. - 248 p.
3. Turkin, V.P., etc. Automatic control heating of residential buildings [Text] / V.P. Turkin, V.P. Turkin, Yu. Tyshchenko D. - M.: Stroyizdat, 1987. - 190 p.
4. Machov L.M., heating: textbook for universities [Text] / L.M. Makhov. - M.: Publishing house ASV, 2014. - 400 p.
5. The Sasin V.I. Current methods of test of heating devices - do you need adjustment? [Text] / V.I. Sasin, G.A. Bershidsky, Tn. Prokopenko. - 2007. - No. 4. - P. 76-86.
6. Pyrkov V.V. Hydraulic regulation of heating and cooling. Theory and practice [Text] / V.V. Pyrkov. - K.: II DP "Taki right", 2010. - 360 p.
7. Antennae of S.M. Hydraulic mode of operation of the water heating system with automatic regulation [Text]: dis. Cand. tech. Sciences / S.M. Antennae. - Moscow: MGSU, 2016. - 180 p.
