МИКРОКАНАЛЬНАЯ ОТОПИТЕЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ КОНТУРЕ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Микроканальная отопительная панель в низкотемпературном контуре системы отопления

Ениватов Александр Васильевич,

старший преподаватель кафедры теплоэнергетических систем «Институт механики и энергетики», ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», [email protected]

Артемов Илья Игоревич,

бакалавр, Институт механики и энергетики, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

Неясов Алексей Сергеевич,

аспирант, Институт механики и энергетики, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

Сочетание преимуществ конвективно-радиационных отопительных приборов по отношению к другим приводит их наибольшей востребованности. Для минимизации данных дополнительных потерь в работе представлена разработанная тепловая схема низкотемпературного контура отопления с низкочастотной пульсацией теплоносителя в микроканальной панели обеспечивающая повышения эффективности как системы отопления в целом, так и отопительного прибора, в частности. В работе проведен анализ эффективности традиционных систем отопления зданий и используемых в них отопительных приборов. Приведены разработанные тепловая схема низкотемпературного контура отопления с низкочастотной пульсацией теплоносителя и конструктивное решение микроканальной отопительной панели. Приведены результаты исследований зависимости теплового потока микроканальной панели в расчетном диапазоне температурного напора и расхода теплоносителя при традиционной и пульсирующем ее течении. Ключевые слова: отопительный прибор; тепловой поток; система отопления; низкочастотная пульсация расхода теплоносителя.

Система отопления здания, предназначенная для обеспечения комфортных и благоприятных условий пребывания, классифицируются по ряду признаков. В тоже время подавляющее большинство включают комбинированные решения с использованием в качестве теплоносителя воду. С традиционными зависимыми системы отопления при подаче теплоносителя посредством сетевых или повысительных насосных станций по тепловым сетям в тепловые узлы с элеваторным или насосным смешением в условиях плотной застройки и отсутствия допустимых параметров теплоносителя активно используются независимые присоединение системы отопления к системе централизованного теплоснабжения [1-3, 6].

Сочетание преимуществ конвективно-радиационных отопительных приборов по отношению к другим приводит их наибольшей востребованности. Существенный недостаток в снижении тепловой мощности при пониженных расходах и низких температурных напорах в осенне-весенние период компенсируется увеличением расхода теплоносителя и теплопередающей поверхности (увеличением числа секций) [8-10]. В тоже время это приводит к инерционности при управления потреблением тепловой энергии и ее перерасходу при отрицательных температурах наружного воздуха [5, 7].

Для минимизации данных дополнительных потерь в работе представлена разработанная тепловая схема низкотемпературного контура отопления с низкочастотной пульсацией теплоносителя в микроканальной панели обеспечивающая повышения эффективности как системы отопления в целом так и отопительного прибора в частности. Контур отопления может включать четное количество параллельно подключенных ответвлений (стояков) с последовательно размещенными отопительными приборами (рис. 1). Ее особенность является размещение отопительных приборов на или в поверхностях внутренних ограждающих конструкциях (перегородках). Это исключает появление дополнительных потерь с повышением температуры внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций. Что снижает тепловые потери через ограждающие конструкции всего здания на 5-10 %. Контур включает подающий и обратный трубопровод 1, 9; блок погодного управления 2; датчики температуры теплоносителя в подающем трубопроводе до и после смесительного клапана и теплоносителя обратного трубопровода 3, 5, 10; трехходовой смесительный клапан 4; циркуляционный насос контура с низкочастотной пульсацией теплоносителя в микроканальной панели 6;трехходовой распределительный клапан с блоком управления 7; микроканальная отопительная панель 8. Работа трехходового смесительного клапана обеспечивает качественные параметры теплоносителя в соответствии с температурным графиком.

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м м

CS CS

0

CS

№

01

О Ш

m x

3

<

m о x

X

Пульсация расхода теплоносителя осуществляется работой трехходового распределительного клапана при поочередной подачи теплоносителя в ответвления. На рис. 2 представлено конструктивное решение микроканальной панели, заключающееся в ее изготовление из плоских трубок 1 одноходового многопоточного контура с подающими и отводящими теплоноситель из коллекторов 5, 6, патрубками 3, 4 и патрубками отвода воздуха 2. Одноходовой многопоточный контур закладывают в тепловоспринимающий материал 7, которым может служить цементно-песчаный раствор.

Рисунок 1 - Тепловая схема низкотемпературного контура отопления здания с низкочастотной пульсацией теплоносителя в микроканальной панели.

550

отопления предусматривает широкий диапазон исследований. В работе предусмотрено настройка расхода теплоносителя по контуру в диапазоне 0,060-0,360 м3/ч.

1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100,

, и

Л V/

■W

ПИ

1 [А

ПН

/

Л-

/ ..//

1 у

W

#

■у»

W

>-

1;

15

20

25

30

35

Т 2 Т1

Рисунок 2 - Микроканальная отопительная панель

Для исследования микроканальной панели при традиционном течении теплоносителя и с низкочастотной пульсацией теплоносителя разработана и смонтирована лабораторная установка. Измерение параметров теплоносителя и теплового потока обеспечивается соответственно системой сбора данных и измерителем плотности теплового патока ИТП-МГ4.03/Х(Ш) «ПОТОК».

Стационарный (традиционный) режим течения теплоносителя по разработанному и реализуемому в лабораторной установке низкотемпературному контуру системы

Температуратурный напор. "С

- Серия замеров 6 (при расходе 0.35-0.37 мЗ/ч)

- Серия замеров 7 (при расходе 0.35-0.37 мЗ/ч)

- Серия замеров 5 (при расходе 0.29-0.31 мЗ/ч!

- Серия замеров 4 (при расходе 0.23-0.25 мЗ/ч!

- Серия замеров 3 (при расходе 0.19-0.21 мЗ/ч!

- Серия замеров 2 (при расходе 0.12-0.14 мЗ/ч!

- Серия замеров 1 (при расходе 0.05-0.06 мЗ/ч!

Рисунок 3- Гоафикзависимости теплового потока от температурного напора в диапазоне расхода теплоносителя 0,05-0,37 м3/ч

Для каждого расхода данного диапазона выполнялось серия (5-6) замеров параметров теплоносителя (расход, температура и давление), воздуха в помещении, температуры поверхности отопительного прибора и тепловой поток (мощность) отопительного прибора. Температура теплоносителя при ее циркуляции по низкотемпературному контуру системы отопления (лабораторной установки) снижалось с расчетного значения на начало измерения 75 °С до 30 °С на окончании измерения. Фактический температурный напор при измерении находился в диапазоне 40-4,5 °С. Продолжительность измерения в диапазоне температур теплоносителя составляет: 1000 сек. и 1500 сек. соответственно при температуре теплоносителя 75-70 °С и 70-65 °С; 1800 сек. и 2000 сек. соответственно при температуре теплоносителя 65-60 °С и 60-55 °С; 2700 сек. и 3500 сек. соответственно при температуре теплоносителя 55-50 °С и 5045 °С; 5500 сек. и 11500 сек. соответственно при температуре теплоносителя 45-40 °С и 40-35 °С; 20000 сек. при температуре теплоносителя 35-30 °С. Снижение давления теплоносителя в диапазоне расхода теплоносителя составило 0,017-0,021 мПа. Данный перепад напора в исследуемом диапазоне расходов теплоносителя позволяет последовательное подключение в низкотемпературный контур системы отопления до пяти отопительных приборов. Средняя температура поверхности отопительного прибора на 3-8,5 °С ниже среднего значения температуры теплоносителя на входе в отопительный прибор. Тепловой поток (мощность) отопительного прибора в диапазоне температурного потока составляет 150-200 Вт при температурном напоре 5-10 °С и 1350-1400 Вт при температурном напоре 35-40 °С.

Пульсация теплоносителя осуществляется изменением положения запорно-регулирующего устройства.

При работе лабораторной установки низкотемпературного контура системы отопления предусмотрено широкий диапазон исследований. В работе при настройке в расчетном традиционном режиме (при расходе теплоносителя по контуру 0,360 м3/ч) осуществляется пульсации с частотой в диапазоне 0,033-1 Гц. Фактический средний расход теплоносителя при различных частотах пульсации устанавливается в диапазоне 0,17-0,19 м3/ч. Для данных режимов выполняются замеры параметров теплоносителя (расход, температура и давление), воздуха в помещении, температуры поверхности отопительного прибора и тепловой поток (мощность) отопительного прибора.

Продолжительность измерений при работы лабораторной установки в диапазоне температуры теплоносителя в подающем трубопроводе 30-75 °С устанавливается температурный напора 9,5-38 °С. При этом средняя температура поверхности отопительного прибора за период измерения составляет 35-67 °С, что на 5-8 °С ниже температуры теплоносителя в подающем трубопроводе.

При организации пульсации расхода теплоносителя через отопительный прибор и расчетных диапазонах температур теплоносителя в подающем трубопроводе сформировываются следующие средние за период измерения (600 сек.) фактические параметры. Так при частоте пульсации в 0,067 Гц расчетного (0,36 м3/ч) расхода теплоносителя фактический за периоды измерения расход теплоносителя составляет 0,1830,190 м3/ч, фактическая температура теплоносителя в диапазоне 42,88-71,62 °С, температура воздуха около отопительного прибора 25,71-29,06 °С, средний за период измерения температурный напор 13,85-36,74 °С. Падение напора теплоносителя через отопительный прибор в ходе измерении в условиях снижения температуры теплоносителя, составил 0,015-0,020 мПа. Средний тепловой поток, Вт, за период измерения в диапазонах температур теплоносителя и фактически сложившийся температурного напора составляет: 1318,51 Вт при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 71,62 °С и температурном напоре 36,74 °С; 1039,73 Вт при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 62,25 °С и температурном напоре 30,42 °С; 711,23 Вт при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 55,39 °С и температурном напоре 21,78 °С; 419,88 Вт при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 42,88 °С и температурном напоре 13,85 °С.

При частоте пульсации в 0,1 Гц расчетного (0,36 м3/ч) расхода теплоносителя фактический за периоды измерения расход теплоносителя составляет 0,1760,195 м3/ч, фактическая температура теплоносителя в диапазоне 39,69-72,78 °С, температура воздуха около отопительного прибора 24,19-28,94 °С, средний за период измерения температурный напор 12,90-37,87 °С. Падение напора теплоносителя через отопительный прибор в ходе измерении в условиях снижения температуры теплоносителя, составил 0,017-0,020 мПа. Средний тепловой поток, Вт, за период измерения в диапазонах температур теплоносителя и фактически сложившийся температурного напора составляет: 1319,40 Вт при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 72,78 °С и температурном напоре 37,87 °С; 944,19 Вт при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 61,37 °С и температурном

напоре 27,98 °С; 722,36 Вт при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 53,13 °С и температурном напоре 22,20 °С; 390,00 Вт при температуре теплоносителя в подающем трубопроводе 39,69 °С и температурном напоре 12,90 °С.

На рисунке 4 представлен зависимость теплового потока от температурного напора при частоте пульсации теплоносителе в отопительном приборе соответственно 0,2 Гц, 0,05 Гц, 0,04 Гц, 0,033 Гц и 1 Гц. Данные параметры сопоставимы с вышеприведенными параметрами.

1500р 1400 -1300 -1200 -1100 -1000 -900 -

600 -500 -400 -300 -

/

/. Л

/

л

/

//

/ К

т

ш

¿у/

/

Ж/

Ш

Ш

Л

у

//

//

V

■

10 15 20 25 30 35 40 Температуратурный напор, "С

- Серия замеров 8 (при расходе 0.18-0.19 мЗ/ч. частота 0.067 Гц)

- Серия замеров 9 (при расходе 0.18-0.19 мЗ/ч. частота 0.2 Гц)

- Серия замеров 10 (при расходе 0.17-0.19 мЗ/ч. частота 0.1 Гц)

- Серия замеров 11 (при расходе 0,18-0,19 мЗ/ч

- Серия замеров 12 (при расходе 0,18-0,19 мЗ/ч

- Серия замеров 13 (при расходе 0,18-0,20 мЗ/ч

- Серия замеров 14 (при расходе 0.16-0.18 мЗ/ч

частота 0,05 Гц) частота 0,04 Гц) частота 0,033 Гц) частота 1 Гц)

Рисунок 4 - График зависимости теплового потока от температурного напора при расходе теплоносителя 0,17-0,19 м3/ч и частоте пульсации 0,033-1 Гц.

На основе результатов измерений параметров теплоносителя, температуры воздуха около отопительного прибора, температуры поверхности отопительного прибора и теплового потока (мощности) отопительного прибора при различных способах и режимах течения теплоносителя через отопительный прибор получены значения, приведенные к единым условиям (табл. 1, 2).

Таблица 1

Результаты приведенных значений теплового потока (мощности) микроканальной отопительной панели в диапа-

№ Рас- Температурный напор , °С

ход 5 10 15 20 25 30 35 40 45

тепло-

носи-

теля,

м3/ч

1 0,066 133,5 289,48 445,42 601,36 757,30 913,24 1069,1 1225,1 1381,0

50 8 6 5 3 2 80 18 57

2 0,139 112,4 266,40 420,35 574,30 728,24 882,19 1036,1 1190,0 1344,0

61 8 5 2 9 6 42 89 36

3 0,194 97,86 250,47 403,09 555,71 708,32 860,94 1013,5 1166,1 1318,7

0 7 4 1 8 4 61 78 95

4 0,243 66,07 228,64 391,21 553,78 716,35 878,93 1041,5 1204,0 1366,6

0 3 5 7 9 1 04 76 48

5 0,305 94,26 251,12 407,98 564,85 721,71 878,57 1035,4 1192,3 1349,1

2 5 8 1 4 7 40 03 66

6 0,361 62,22 228,30 394,39 560,48 726,56 892,65 1058,7 1224,8 1390,9

1 8 4 0 7 3 40 26 12

X X

о

го

>

.с

х го гп

о

ю .

2 О ГО

го

Таблица 2

Результаты приведенных значений теплового потока (мощности) в рабочем диапазоне температурного потока микроканальной отопительной панели при пульсации расхода теплоносителя

CS CS

0

CS

СП

01

о ш m

X

3

<

m о х

X

Характеристики режима Температурный напор, °С

15 20 25 30 35 40 45

При среднем расходе теплоносителя 0,187 м3/ч и частоте пульсации 0,067 Гц 451,3 646,7 842,0 1037, 4 1232, 7 1428, 1 1623, 5

При среднем расходе теп-поносителя 0,175 м3/ч и частоте пульсации 0,2 Гц. 482,0 663,4 844,7 1026, 1 1207, 5 1388, 9 1570, 2

При среднем расходе теплоносителя 0,182 м3/ч и частоте пульсации 0,1 Гц. 455,2 644,8 834,4 1023, 9 1213, 6 1403, 2 1592, 7

При среднем расходе теплоносителя 0,183 м3/ч и частоте пульсации 0,05 Гц 459,2 642,4 825,7 1008, 9 1192, 2 1375, 5 1558, 7

При среднем расходе теплоносителя 0,184 м3/ч и частоте пульсации 0,04 Гц. 485,1 665,4 845,7 1025, 9 1206, 3 1386, 6 1566, 9

При среднем расходе теплоносителя 0,185 м3/ч и частоте пульсации 0,033 Гц. 463,5 651,9 840,3 1028, 7 1217, 1 1405, 5 1593, 9

При среднем расходе теплоносителя 0,168 м3/ч и частоте 1 Гц. 451,6 643,6 835,6 1027, 6 1219, 6 1411, 6 1603, 6

Сравнительная оценка теплового потока микроканальной отопительной панели в рабочем диапазоне теплового напора (15-45 °С) основана на результатах исследования приведенных в табл. 1, 2. Значения теплового потока (мощности) в сопоставимых условиях для предлагаемого конструктивного решения микроканальной отопительной панели позволяют сделать однозначные выводы:

1. Тепловой поток (мощность), Вт, отопительного прибора в диапазоне температурного напора (5-45 °С) соответственно составляет 133,55 Вт при температурном напоре 5 °С и 1381,06 Вт при температурном напоре 45 °С.

2. Тепловой поток (мощность) отопительного прибора в диапазоне исследуемых расходов теплоносителя 0,06-0,36 м3/ч и рабочего диапазона температурного напора 10-35 °С снижается на 5-15 % при росте расхода;

3. Тепловой поток (мощность) отопительного прибора зависит от температурного напора. При росте температурного напора в 2 раза с 10 °С до 20 °С тепловой поток возрастает 2,1-2,5 раза и рост усиливается при возрастании расхода теплоносителя.

4. При сопоставимой занимаемой площади поверхности ограждающих конструкций помещения отопительным прибором (секционными радиаторами типовой конструкции и микроканальной отопительной панели) высота 0,35 м, ширина 0,56 м и многократно (в 5-6 раз) меньшем толщине микроканальной отопительной панели тепловая мощность при соответствующих расчетных температурных напоров (70 °С для секционного радиатора и 45 °С для микроканальной отопительной панели) выше на 45 %. При сопоставимых тепловых напорах тепловая мощность микроканальной отопительной панели превышает мощность секционных радиаторов более 2 раз.

5. Тепловой поток (мощность) микроканальной отопительной панели в режиме пульсации расхода теплоносителя (в диапазоне 0,033-1 Гц) возрастает по сравнению с традиционным способом течения теплоносителя на 1,32-17,55 %.

6. Пульсация расхода теплоносителя в микроканальном отопительном панели позволяет снизить расчетные затраты электрической энергии на 1,5 раза по сравнению с традиционным способом циркуляции теплоносителя по предлагаемому низкотемпературному контуру системы отопления за счет снижения суммарного расхода теплоносителя.

7. Рекомендуемый диапазон расхода теплоносителя в микроканальной отопительной панели при параллельном подключении в зависимости от конструктивного исполнения не более 0,06 м3/ч.

Литература

1. Сканави, А.Н. Отопление: учебник для вузов / А.Н. Сканави, Л.М. Махов. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - 576 с.

2. Бродач М.М., Шилкин Н.В. Оптимизация тепловой эффективности зданий // Сборник докладов восьмой научно-практической конференции (академические чтения) «Стены и фасады Актуальные проблемы теплофизики» - М НИИСФ, 2003 -С 191-196.

3. Богословский, В.Н. Отопление: учебник для вузов /В.Н. Богословский, А.Н. Сканави. - М.: Стройиздат, 1991. - 735 с.

4. Оценка потенциала теплопотребления зданий. Лапин Е.С., Левцев А.П., Целяеев А.В. В сборнике: Опыт и проблемы реформирования системы менеджмента на современном предприятии: тактика и стратегия. Сборник статей XlX Международной научно-практической конференции. 2020. С. 154-159.

5. Система отопления здания зависимого присоединения с организацией в ней пульсирующего режима движения теплоносителя. Левцев А.П., Лапин Е.С., Голянин А.А., Панкратьев Р.В. Патент на изобретение 2746638 C1, 19.04.2021. Заявка № 2020133525 от 13.10.2020.

6. Схемное решение системы отопления здания с пульсирующим режимом подачи теплоносителя для зависимого присоединения к тепловой сети.Лапин Е.С. В сборнике: Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы. материалы Международной научно-практической конференции. Саранск, 2022. С. 238-241.

7. Оценка потенциала энергосбережения в системах отопления общественных зданий и направление его использования. Ениватов А.В., Артемов И.Н., Неясов А.С., Артемов И.И. В сборнике: Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы. материалы Международной научно-практической конференции. Саранск, 2022. С. 241-249.

8. Эффективность секционных радиаторов при низких температурах теплоносителя. Левцев А.П., Лапин Е.С. В сборнике: Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. Сборник статей XX Международной научно-практической конференции. 2018. С. 72-76.

9. Миладзе В. Энергоэффективность стальных панельных радиаторов в низкотемпературных системах отопления // Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2015. - № 9 (165). - С. 44-45.

10. Лапин В. Энергоэффективность отопительных приборов с различной тепловой инерцией на прерывистых режимах отопления // Журнал «АВОК» № 8, 15.11.2012.

Microduct heating panel in the low-temperature circuit of the heating system

Enivatov A.V., Artemov I.I., Neyasov A.S.

Mordovia State University named after V.I. N.P. Ogareva JEL classification: L61, L74, R53

The combination of the advantages of convective-radiation heating devices in relation to others leads to their greatest demand. To minimize these additional losses, the paper presents the developed thermal scheme of a low-temperature heating circuit with low-frequency pulsation of the coolant in a microchannel panel, which improves the efficiency of both the heating system as a whole and the heater in particular.

The paper analyzes the effectiveness of traditional heating systems of buildings and the heating devices used in them. The developed thermal scheme of a low-temperature heating circuit with a low-frequency pulsation of the coolant and a constructive solution of a microchannel-heating panel are presented. The results of studies of the dependence of the heat flow of the microchannel panel in the calculated range of temperature pressure and coolant flow during the traditional and pulsating flow are presented.

Keywords: heating device; heat flow; heating system; low-frequency pulsation of coolant flow.

References

1. Skanavi, A.N. Heating: a textbook for universities / A.N. Scanavi, L.M.

Makhov. - M.: Publishing House of ASV, 2002. - 576 p.

2. Brodach M.M., Shilkin N.V. Optimization of the thermal efficiency of

buildings // Collection of reports of the eighth scientific and practical conference (academic readings) "Walls and facades Actual problems of thermal physics" - M NIISF, 2003 -C 191-196.

3. Bogoslovsky, V.N. Heating: a textbook for universities / V.N. Bogoslovsky,

A.N. Say navi. - M.: Stroyizdat, 1991. - 735 p.

4. Assessment of the heat consumption potential of buildings. Lapin E.S.,

Levtsev A.P., Tselyaeev A.V. In the collection: Experience and problems of reforming the management system at a modern enterprise: tactics and strategy. Collection of articles of the XIX International Scientific and Practical Conference. 2020. S. 154-159.

5. The heating system of the building of dependent connection with the

organization of a pulsating mode of movement of the coolant in it. Levtsev A.P., Lapin E.S., Golyanin A.A., Pankratiev R.V. Patent for invention 2746638 C1, 04/19/2021. Application No. 2020133525 dated 10/13/2020.

6. Schematic solution of the building heating system with a pulsating mode of

coolant supply for dependent connection to the heat network Lapin E.S. In the collection: Energy-efficient and resource-saving technologies and systems. materials of the International scientific-practical conference. Saransk, 2022. S. 238-241.

7. Assessment of the energy saving potential in the heating systems of public

buildings and the direction of its use. Enivatov A.V., Artemov I.N., Neyasov A.S., Artemov I.I. In the collection: Energy-efficient and resource-saving technologies and systems. materials of the International scientific-practical conference. Saransk, 2022. S. 241-249.

8. Efficiency of sectional radiators at low coolant temperatures. Levtsev A.P.,

Lapin E.S. In the collection: Cities of Russia: problems of construction, engineering support, improvement and ecology. Collection of articles of the XX International Scientific and Practical Conference. 2018. S. 72-76.

9. Miladze V. Energy efficiency of steel panel radiators in low-temperature

heating systems // Sanitary engineering, heating, air conditioning. - 2015. - No. 9 (165). - S. 44-45.

10. Lapin V. Energy efficiency of heating devices with different thermal inertia

in intermittent heating modes // ABOK Magazine No. 8, 11/15/2012.

X X

o 00 A c.

X

00 m

o

2 O

ho ho