CC BY
14УДК 621.313: 621.365
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОСТЫВАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ОТОПЛЕНИЯ
М.А. Мишин
Статья посвящена вопросам использования метода прерывистого отопления для жилых зданий массовой застройки. Разработана модель, описывающая процессы нагрева и остывания теплоносителя и воздуха помещений. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие адекватность разработанной модели. Получены данные о времени начала замерзания теплоносителя в трубопроводах различных диаметров.
Ключевые слова: воздух, диаметр, жилое здание, замерзание, нагрев, остывание, прерывистое отопление, температура, теплоноситель, трубопровод.
ВВЕДЕНИЕ
На источниках тепловой энергии применяется качественный способ регулирования отпуска, т.е. температура сетевой воды меняется в зависимости от температуры наружного воздуха. По мнению авторов [1-4], центральное регулирование не в состоянии учесть особенности каждого потребителя, вследствие чего не может быть обеспечена устойчивая работа отдельных систем отопления. Устойчивость работы повышается при приближении места проведения регулирования к потребителю тепловой энергии. В данной статье обосновывается применимость метода прерывистого отопления для жилых зданий массовой застройки. Ранее этот метод рассматривался только применительно к нежилым зданиям с переменным тепловым режимом [4, 5].
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для обоснования применимости метода прерывистого отопления был проведен ряд экспериментов по остыванию теплоносителя, жилых помещений и жилых домов. В качестве измерительных приборов служили узлы учета тепловой энергии «Взлет», «Метран», инфракрасный пирометр «Рау1ек». Для сопоставления экспериментальных данных с расчетными, а также для исследований процессов остывания теплоносителя в системах отопления была разработана модель остывания теплоносителя на основе закона Ньютона-Рихмана. Согласно этому закону, за бесконечно малый промежуток времени йт тело отдаст в среду с единицы поверхности количество тепла, пропорциональное разности температур тела и среды, и величине промежутка времени йт :
<*д = а-(?т-^)с1г, (1)
где а- коэффициент теплоотдачи.
За время йт тело понизит свою температуру на величину а количество тепла, отданное телом будет равно
с/О = тсс11: (2)
где т- масса, в объеме, ограниченном поверхностью с единичной площадью; с- массовая теплоемкость тела. Приравнивая правые части уравнений (1) и (2), получаем уравнение остывания тела т ■ с
йт = ■
-йг.
(3)
а-и )
V пг ср /
Применяя формулу (3) соответственно к процессам остывания теплоносителя системы отопления и воздуха помещений, получаем систему уравнений, описывающую нестационарный режим остывания теплоносителя: К,
ёт = -
ёт =
(г,- К) к,
(4)
{К -о
где - температура теплоносителя; гв - температура внутреннего воздуха; гн - температура наружного воздуха; - изменение температуры теплоносителя; - изменение
температуры внутреннего воздуха.
Коэффициенты Кт и Кв, формулы (5)-(6), введены для упрощения формы записи.
В предложенной модели время остывания определяется как запас тепла отнесенный к скорости расхода тепла. Первое уравнение в системе (4) описывает остывание теплоносителя в системе отопления, второе - остывание воздуха помещений.
Модель связывает температуру воздуха помещений с температурой теплоносителя в системе отопления и позволяет производить
регулирование по отклонению без установки дополнительных датчиков в помещении
с-г • тт
Кт =■
к-Р
(5)
(св-тв+сж6-тж6)
(6)
э1
0 ' ^ОК К ^ ^с
Здесь обозначено: св, сжб - удельные теплоемкости воздуха и железобетона; тв,тж6-
масса воздуха в помещениях и масса внутренних ограждений дома (согласно техпаспорта); ст - удельная теплоемкость теплоносителя; т - масса теплоносителя в приборах
системы отопления; к - коэффициент теплопередачи материала отопительных приборов; ^ - площадь поверхности отопительных приборов; кс, коК, кпт, кпл - коэффициенты теплопередачи стен, окон, пола нижнего этажа, потолка верхнего этажа; ср- коэффициент остекления; ц/х,ц/2- поправочные коэффициенты на расчетный перепад температур для верхнего и нижнего горизонтальных ограждений [5]; V,Р,Б,Ь - геометрические характеристики здания (объем, периметр, площадь, высота).
В знаменателе формулы (6) использована формула профессора Н.С. Ермолаева [6], описывающая тепловые потери через ограждающие конструкции зданий.
Для решения системы уравнений (4) необходимо задавать начальные температуры, при которых будет остывать теплоноситель и воздух помещений: ¿нт- температура теплоносителя к началу остывания; - температура внутреннего воздуха к началу остывания. Определим эти величины:
(7)
^нт
2
где ^ - температура смешения, получаемая
в результате подмеса теплоносителя на элеваторе;
. и +а11 ^
а +1
где а - коэффициент смешения, определяемый по формуле (9); ц,- температуры подающего и обратного теплоносителя;
(9)
и -Г
\изм см.изм
см.изм 2 изм
, t.
1изм' см.изм' 2изм
, ц2шм - измеренные температуры
где I
теплоносителя (до и после элеватора и температура обратного теплоносителя). ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2010
Поскольку метод прерывистого отопления применяется для исключения перегрева помещений, смоделируем процесс остывания теплоносителя и воздуха помещений жилого дома при повышенной начальной температуре внутреннего воздуха и сравним полученные графики с экспериментальными данными. Исходные данные, необходимые для построения расчетных графиков остывания, приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Исходные данные
Обозна- Значе Размер-
чение -ние ность
кс 0,86 ккал/м2ч°С
кок 1,07 ккал/м2ч°С
кпт 0,72 ккал/м2ч°С
кпл 0,72 ккал/м2ч°С
Ф1 0,8 безразм.
Ф2 0,6 безразм.
Ф 0,2 безразм.
V 63827 м3
р 540 м
э 2533 м2
25,2 м
"^нв 27 °С
Ън -3 °С
а 1,4 безразм.
Св 0,239 ккал/(кг°С)
тв 66794 кг
Ст 1 ккал/(кг°С)
тт 14,5 кг
Сжб 0,2 ккал/(кг°С)
тжб 532096 кг
0
к 5,729 ккал/м2ч°С
Р 2,44 м2
Данные таблицы 1 приняты по результатам анализа теплопотребления исследуемого дома, также используются справочные величины [8, 9]: коэффициенты Кт =1,037313; и Кв=61,90048; начаоные температуры 1нт=51, 12 и 1нв=27°С.
Поскольку предполагаемое время остывания теплоносителя относительно невелико, примем температуру наружного воздуха постоянной, "нт=-3°С.
Нахождение искомых значений температур, изображенных на графиках рисунка 2, выполнялось методом подбора при помощи ЭВМ. Метод заключался в подборе таких значений температур воздуха, соответствующих заранее заданным температурам теплоносителя, при которых разность значений времени, рассчитанных соответственно по первому и второму уравнениям системы (4), стремилась к нулю. Решение системы
к
уравнений модели остывания теплоносителя приведено на рисунке 1.
0,000 0,500 1,000 1,500
2,000 2,500 время, ч
0,000 0,500 4,000 4,500
Рисунок 1 - Гоафики остывания теплоносителя и воздуха помещений
Анализируя график рисунка 1, видно, что теплоноситель системы отопления остывает по экспоненте, а воздух помещений остывает практически линейно. Дальнейшее исследование модели показывает, что в рассматриваемом случае температура воздуха помещений опустится до 20°С приблизительно через 18 часов после отключения подачи теплоносителя.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ В общем случае теплопотребление дома рассчитывается по формуле [7]:
0=М-(И,-И2), (10)
где М - массовый расход теплоносителя; Л1, Л2 - удельные энтальпии теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах.
Из формулы (10) видно, что теплопо-требление дома можно сократить до нуля только при нулевом расходе теплоносителя. Если расход теплоносителя будет больше нуля, то тепловычеслитель узла учета тепловой энергии будет умножать его на разницу температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе. Причем температура обратного теплоносителя существенно понизится (в ряде случаев до комнатной температуры). В результате чего разница температур возрастет, и теплопотребление дома снизится не существенно. Кроме того, при недостаточном расходе квартиры в конце системы отопления не будут отапливаться вообще, т.к. в подавляющем большинстве случаев системы отопления в нашей стране 148
рассчитывались для постоянного расхода теплоносителя.
На рисунке 2 изображен график тепло-потребления дома при неполном перекрывании подачи теплоносителя.
Рисунок 2 - Гоафик теплопотребления дома при неполном перекрывании подачи теплоносителя
По графикам рисунка 2 видно, что сокращение расхода теплоносителя в 5 раз привело к сокращению теплопотребления всего в 2 раза. При этом в период эксперимента (с 01.04 по 07.04.2010 г.) половина квартир в доме по адресу г. Барнаул, ул. Северо-Западная, 29 практически оставались без отопления вследствие недостаточного расхода теплоносителя.
В свете изложенного становится очевидной актуальность применения прерывистого отопления с полным перекрыванием подачи теплоносителя. При таком способе регулирования теплопотребления дома подача теплоносителя перекрывается полностью и происходит остывание теплоносителя и воздуха помещений до необходимых температур.
На рисунке 3 показаны данные эксперимента по остыванию жилого помещения по адресу г. Барнаул, ул. Павловский тракт 253160. Дата испытаний - 25 октября 2009 года.
Время начала - 11:12, время окончания -14:12. Температура наружного воздуха составляла -2°С к началу эксперимента.
Рисунок 3 - Гоафики остывания теплоносителя и воздуха помещения
Рисунок 4 - Графики нагрева и остывания теплоносителя и воздуха помещения
За 3 часа температура внутреннего воздуха понизилась на 1,6°С, а температура теплоносителя - на 24°С. Учитывая небольшие несоответствия всех температур, заданных при моделировании, и влияние соседних помещений, данные эксперимента полностью соответствуют модели остывания.
Чтобы воссоздать процесс включения отопления с последующим отключением (рисунок 4), было выполнено отключение всех радиаторов и полное проветривание кварти-
ры в течение 2 часов, после чего был включен радиатор только в исследуемой комнате.
По графикам рисунка 3 видно, что процесс нагрева воздуха помещения происходит гораздо быстрее, чем процесс остывания. За 25 минут воздух нагрелся на 3°С, а остыл на 1,8°С за 1 час 15 минут. Также видно, что воздух помещения начал остывать несколько позже, чем теплоноситель. В проветренном помещении воздух после нагрева остывал гораздо быстрее, чем в первом случае, хотя график остывания теплоносителя аналогичен первому.
На рисунке 5 изображены данные эксперимента по остыванию теплоносителя дома по адресу г. Барнаул, ул. 80 Гвардейской дивизии, 4а/1. Дата испытаний - 26 декабря 2009 года. Время отключения системы отопления дома - 10:10, время включения -11:18. Время окончания эксперимента -12:00. Температура наружного воздуха составляла -11 °С к началу эксперимента и не менялась.
Рисунок 5 - Гоафики остывания воздуха и теплоносителя при отключении отопления дома
По графикам видно, что процессы остывания отдельно взятых помещений и всего дома аналогичны. Более быстрое остывание воздуха на графике рисунка 4 обусловлено более низкой температурой наружного воздуха, т.е. большими тепловыми потерями через ограждающие конструкции. Однако повышение температуры теплоносителя всего дома происходит несколько медленнее, чем на графике рисунка 4, вследствие чего нагреть воздух всех помещений также быстро как от-
дельно взятого не получится. Следовательно, моделировать процесс нагревания воздуха помещений нецелесообразно, т.к. этот процесс индивидуален для каждого здания и зависит от многих факторов.
Из всех вышеприведенных графиков следует, что в периоды перегрева помещений отключать подачу теплоносителя возможно на достаточно длительные периоды времени, при этом температура воздуха помещений не понижается ниже нормативных значений. Однако в любом жилом доме имеются места (такие как подъезды, подвалы, чердаки), где температура воздуха существенно ниже, чем в квартирах. Следовательно, при минусовой температуре возможны пере-мерзания трубопроводов в этих местах при отключенном отоплении дома. Эта проблема также актуальна при аварийных отключениях подачи теплоносителя на источнике теплоснабжения. В этой связи были проведены эксперименты по остыванию теплоносителя в трубопроводах различных диаметров при средней температуре наружного воздуха 18,35°С (рисунок 6).
Рисунок 6 - Гоафики остывания поверхностей трубопроводов различных диаметров
В ходе испытаний, изображенных на рисунке 6, температура теплоносителя в трубах оценивалась косвенно, по температуре на поверхности трубы. В этой связи начальные температуры на графике ниже начальной температуры теплоносителя (70°С). Самая низкая начальная температура наблюдалась на поверхности трубы с диаметром условного прохода 25 мм. Это обусловлено более толстой стенкой трубы (2,8 мм).
Чтобы смоделировать процесс остывания теплоносителя в трубопроводах, воспользуемся вышеописанной моделью, использовав только первое уравнение системы, температуру воздуха примем постоянной. Масса теплоносителя внутри труб, площадь поверхности и коэффициент теплопередачи 150
находятся по общеизвестным формулам и данным таблиц 1 -2.
На рисунке 7 изображены расчетные графики остывания теплоносителя, согласно условиям эксперимента рисунка 6.
Рисунок 7 - Гоафики остывания теплоносителя в трубопроводах различных диаметров
Из рисунка 7 видно, что в ходе эксперимента по остыванию теплоносителя в трубопроводах при средней температуре наружного воздуха -18,35°С теплоноситель в трубе с ДУ 15мм не замерзал 1,5 часа, с ДУ 20мм -2,13 часа, с ДУ 20мм - 2,67 часа, что соответствует графику рисунка 6.
Характеристики используемых труб, согласно ГОСТ 3262-75, показаны в таблице 2.
Для практической оценки времени остывания теплоносителя в трубопроводах систем отопления при нулевом расходе были рассчитаны графики для различных значений температур воздуха (рисунки 8-14). Значения времени в точках с нулевой температурой сведены в таблицу 3.
Таблица 2 - Характеристики трубопроводов
Условный Наружный Толщина
проход, мм диаметр, мм стенки, мм
15 21,3 2,35
20 26,8 2,35
25 33,5 2,8
Таблица 3 - Время начала замерзания труб
и °С ДУ 15мм ДУ 20мм ДУ 25мм
-5 5,54 7,84 9,80
-10 2,77 3,91 4,90
-15 1,85 2,61 3,27
-20 1,39 1,96 2,45
-25 1,11 1,57 1,96
-30 0,92 1,31 1,63
-35
0,79
1,12
1,40
в трубах с ДУ15, 20 и 25 мм при (Н=-25°С
Рисунок 8 - Остывание теплоносителя в трубах с ДУ 15, 20 и 25 мм при ^=-35°С
15 мм ДУ 20 м л Л у 25 мм
Рисунок 11 - Остывание теплоносителя в трубах с ДУ 15, 20 и 25 мм при Ъ=-20°С
ЗУ 15 мм ДУ 20 мм ДУ25 мм
ДУ 15 м . ДУ2 мм ДУ 25 мм
Рисунок 9 - Остывание теплоносителя в трубах с ДУ 15, 20 и 25 мм при ^=-30°С
Рисунок 10 - Остывание теплоносителя ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2010
Рисунок 12 - Остывание теплоносителя в трубах с ДУ 15, 20 и 25 мм при ^=-15°С
1
«У
\\\
\\\
\\ чЧ
ДУ 15 м м ДУ2 I мм ДУ25 мм
Рисунок 13 - Остывание теплоносителя
в трубах с ДУ 15, 20 и 25 мм при Н=-10°С
время, ч
Рисунок 14 - Остывание теплоносителя в трубах с ДУ 15, 20 и 25 мм при tн=-5°С
На рисунке 15 графически представлены экспериментальные данные таблицы 3.
=t
—\
-! \ \
44-
, \\
№
VY
-V
-г
—ч
\
v-*
—Д¥- Пэмм— м-Я 25мм
-1
время начала замерзания, ч
Рисунок 15 - Диаграмма для определения времени начала замерзания теплоносителя в трубопроводах
ВЫВОДЫ
1. Показана эффективность применения метода прерывистого отопления для жилых зданий массовой застройки, обосновано пол-
ное перекрывание подачи теплоносителя в периоды перегрева помещений.
2. Разработана модель, описывающая процессы остывания теплоносителя при прерывистом отоплении.
3. Модель связывает температуру воздуха помещений с температурой теплоносителя в системе отопления, что позволяет производить регулирование по отклонению без установки дополнительных датчиков в помещениях.
4. Получены данные о времени начала замерзания теплоносителя в трубопроводах различных диаметров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Группа компаний СТКС [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.stks.ru/, свободный. Автоматизированные теплопункты.
2. Дальневосточный энергопотребитель [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// www.dalenergy.ru/, свободный. Индивидуальное регулирование теплопотребления.
3. Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
4. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: Учеб. для вузов. - М.: Стройиздат, 1991.
5. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - 7-е изд., стереот. - М.: Издательство МЭИ, 2001.
6. Ермолаев Н.С. К вопросу об определении тепловой характеристики зданий // Отопление и вентиляция. 1932. №4. С. 18-21.
7. Тепловычислитель СПТ942. Руководство по эксплуатации. - ЗАО НПФ ЛОГИКА, 2003.
8. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. - М.: Издательство МЭИ. 1999.
9. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена. Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат. 1986.
Мишин М.А.,
АлтГТУ им. И.И. Ползунова, Барнаул
тел. 8-983-174-3541, E-mail: mishin max@mail.ru
