Исследование динамического режима работы системы отопления

Аннотация

Приведены основные особенности гидравлического режима современных систем отопления. Стандартный гидравлический расчет не позволяет получить в полном объеме информацию о работе системы отопления, поэтому был разработан математический инструмент (программа-модель), способный рассчитывать гидравлическую схему современной системы отопления в нестационарном режиме ее работы. Выполнен расчет гидравлического режима двух систем отопления одинаковой структуры, но оснащенных различной балансировочной арматурой. Произведен анализ характерных тенденций в работе активных элементов системы. Сформулированы рекомендации по специфике использования регулирующей арматуры.

Ключевые слова

расход , перепад давления , гидравлический режим , система отопления , характеристика сопротивления , терморегулирующий клапан , балансировочный клапан

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Современные системы отопления зданий в России принципиально отличаются от систем, сконструированных в нашей стране 20 и более лет назад, наличием терморегулирующей энергосберегающей арматуры, а именно термостатических клапанов у отопительных приборов абонентов (требование СНиП [1]). Производители балансировочной арматуры, работающие на российском рынке, не устают повторять, что системы отопления, оборудованные термостатическими клапанами, являются динамическимисистемами. Совершенно очевидно, что проектировщик должен иметь четкое представление, а также возможность получения расчетных данных о работе системы в динамическом режиме, т. е. необходимо понимать, каким образом реагирует система отопления в целом и отдельные ее элементы в частности на работу современной автоматической регулирующей арматуры. При определенных условиях работа регулирующей арматуры может приводить к неконтролируемым перераспределениям потоков между участками системы, и, как следствие, будет возникать неравномерный прогрев помещений [2]. Возможность моделирования различных нестационарных гидравлических режимов позволит избежать упомянутых нежелательных ситуаций.

Классический расчет гидравлического режима системы отопления, в том числе и с помощью специальных программных средств, не способен выявить изменения, возникающие в потокораспределении системы при работе термостатических клапанов. Для этого необходимо наличие специального программного инструмента исследования. Такой инструмент был разработан [3] и представляет собой математическую модель системы отопления, имеющую возможность манипулирования любыми тепловыми и гидравлическими ее параметрами (в том числе и динамически во времени).

Рассмотрим конкретный пример расчета гидравлических характеристик нестационарного режима работы двух небольших систем отопления, имеющих одинаковую конфигурацию, но различный элементный состав (рис. 1).

Обе системы имеют в своем составе стальные радиаторы типа «профиль-компакт» фирмы «Kermi» с установленными на них терморегулирующими клапанами RTD-N 15 фирмы «Danfoss» (термостатические элементы RTD 3640 «Danfoss») [4]. Каждый отопительный прибор расположен в отдельном помещении здания, для которого указывается, помимо номера, начальная температура внутреннего воздуха и потребность в теплоте. Настройки терморегулирующих клапанов одинаковы для обеих систем. Различаются системы типом регулирующего оборудования на магистралях. В первом случае – это ручные балансировочные клапаны MSV-I фирмы «Danfoss», устанавливаемые на подающих теплопроводах; во втором случае – автоматические балансировочные клапаны ASV-PV фирмы «Danfoss» на обратных теплопроводах и клапаны-спутники ASV-M компании «Danfoss» на подающих теплопроводах.

Будем считать, что в начальный момент времени обе системы находятся в состоянии статического равновесия, т. е. с точки зрения гидравлического режима работают точно так, как и рассчитывал проектировщик. Температура воздуха в помещениях постоянна. На всей регулирующей арматуре выставлены соответствующие проектные настройки. Ее активные, автоматически действующие элементы находятся в состоянии покоя. Предположим, что в определенный момент времени во всех помещениях здания происходит падение температуры воздуха с темпом 1°С за 10 минут. Столь стремительный темп падения температуры выбран из соображений большей наглядности представления работы арматуры.

Проведем краткий анализ наиболее характерных моментов работы регулирующих элементов обеих систем отопления с использованием графических представлений.

Система отопления с ручными балансировочными клапанами (рис. 1). Приоткрытии термостатических клапанов их характеристики сопротивления изменяются в сторону уменьшения (только при величине предварительной настройки 3 и более для зоны пропорциональности 1К и при настройке 5 и более для зоны пропорциональности 2К [5]). Например, для термостатического клапана 101 (здесь и далее номер регулирующего элемента обозначает номер помещения, в котором он расположен) с зоной пропорциональности 1К и предварительной настройкой 3 изменение его характеристики сопротивления отражено на рис. 2, а, для клапана 1 с зоной пропорциональности 1К и предварительной настройкой 2 – на рис. 2, б.

Расходы через термостатические клапаны растут (за исключением клапанов с малыми величинами предварительных настроек), перепады давления уменьшаются. Чем больше настройка клапана, тем большее увеличение расхода будет на нем. Например, для термостатического клапана 101 увеличение расхода сравнительно невелико (рис. 2, б, в), а для термостатического клапана 202 с зоной пропорциональности 2К и предварительной настройкой N оно уже существенно (рис. 3).

На термостатических клапанах, где не происходит изменение характеристики сопротивления, может уменьшаться величина расхода несмотря на открывшийся шток, как например у термостатического клапана 1 (рис. 4). Это кажется несколько неожиданным, тем более что перепад давления на клапане снизился. Однако следует принять к сведению тот факт, что переход от одного состояния гидравлического равновесия системы (до открытия термостатического клапана) к другому (после открытия клапана) произошел не пропорционально исходному. Это объясняется различными возможностями термостатических клапанов изменять собственную характеристику сопротивления при различных предварительных настройках. В результате после открытия клапана имеется иное распределение расходов относительно исходного – так называемые перетоки в системе отопления. Эту ситуацию можно назвать гидравлическим разрегулированием. При этом не стоит полагать, что состояние гидравлического разрегулирования – это некая несбалансированность системы отопления. Система сбалансированна, но не так, как планировал проектировщик. Это состояние нового гидравлического баланса диктует новое распределение расходов. В столь небольшой системе отопления разрегулирование малозаметно. Однако в разветвленных и протяженных системах с большим количеством отопительных приборов разрегулирование может достигать существенных масштабов (при использовании ручных балансировочных клапанов).

Ручные балансировочные клапаны не могут изменять свою характеристику сопротивления (возможность изменения вручную не рассматривается), поэтому величина характеристики сопротивления остается для них постоянной вне зависимости от работы термостатических клапанов. Расход через ручные балансировочные клапаны растет вследствие открытия термостатических клапанов, сопротивление увеличивается (рис. 5).

Система отопления с автоматическими балансировочными клапанами (рис. 1). Непосредственное количественное сравнение результатов расчета систем отопления с ручными и автоматическими балансировочными клапанами недопустимо, так как в этих системах различная величина давления. Для систем отопления с ручными клапанами требуемое давление насоса меньше. Тем не менее, соотношения величин гидравлических характеристик до и после открытия термостатических клапанов могут указать на отличия в работе этих систем.

В термостатических клапанах происходят приблизительно те же изменения, что и в предыдущем случае. Величина характеристики сопротивления уменьшается (за исключением клапана 1 – см. выше), расход растет. Перепад давления должен был бы оставаться неизменным, поскольку это и есть одна из главных побудительных причин для установки автоматических балансировочных клапанов. Однако этого не происходит – перепад давления (например клапана 202) уменьшается (рис. 6, а).

Снижение величины перепада давления происходит не так интенсивно, как в системе отопления с ручными балансировочными клапанами, однако оно есть. Почему так происходит? Причина – в увеличившемся перепаде давления на пассивных элементах системы, расположенных между автоматическим клапаном и его клапаном-спутником, принадлежащих циркуляционному кольцу рассматриваемого термостатического клапана. Из этого следует, что чем ближе автоматический балансировочный клапан с его клапаном-спутником будут располагаться к обслуживаемому ими регулирующему элементу, тем эффективнее будет осуществляться стабилизация перепада давления на термостатическом клапане, тем более прогнозируемой будет величина расхода на клапане при каких бы то ни было изменениях его характеристики сопротивления. Под «прогнозируемостью» понимается возможность определения величины расхода через термостатический клапан на основании следующей информации: текущая температура в помещении; перепад давления, на который настроен автоматический балансировочный клапан, обслуживающий рассматриваемый терморегулятор; данные производителя об изменении характеристики сопротивления клапана при тех или иных его настройках и температурных воздействиях.

В рассматриваемом случае при определении расхода через термостатический клапан нельзя обойтись без использования расчетных возможностей программы, иначе фактический перепад давления был бы неизвестен. На рис. 6, б показано, каким образом происходило бы изменение расхода через термостатический клапан 202 в случае его расчета только на основании вышеуказанных исходных данных и без учета работы гидравлической части всей системы отопления (программа не используется). На рис. 6, в представлен фактический график изменения расхода (с использованием программного расчета).

Таким образом, связка автоматического балансировочного клапана с клапаном-спутником, установленная на ветви системы отопления (или стояке), не может гарантировать отсутствие перетоков между отопительными приборами этой ветви (стояка), однако гарантирует отсутствие перетоков между ветвями. Этот факт подтверждают результаты расчетов по термостатическому клапану 1 (рис. 7), где характеристика сопротивления неизменна за счет малой величины предварительной настройки. Ветвь, на которой установлен термостатический клапан 1, практически не подвержена перераспределению расходов внутри себя. Настройки всех термостатических клапанов на ней сравнительно малы. В отличие от системы отопления с ручными балансировочными клапанами расход не меняется, перепад давления стабилен. Следовательно, можно сделать вывод, что изменения, произошедшие на этом термостатическом клапане в системе с ручными клапанами, были вызваны изменениями, происходящими в другой ветви. Обособив ветвь с помощью автоматического балансировочного клапана, получаем желаемые для проектировщика результаты (прогнозируемость и пропорциональность).

Автоматический балансировочный клапан реагирует на изменения в термостатических клапанах и корректирует соответствующим образом свою характеристику сопротивления (в сторону уменьшения). Перепад давления на автоматическом клапане (например, на клапане 1) снижается, а расход растет (рис. 8).

Выводы

Ручные балансировочные клапаны в системе отопления с термостатическими клапанами не могут гарантировать распределение расходов, заложенное по проекту, и могут быть рекомендованы для установки лишь в небольших системах отопления. Автоматические балансировочные клапаны в связке с клапанами-спутниками, установленные на отдельных ветвях (стояках) системы отопления, гарантируют отсутствие перераспределения расходов между этими ветвями (стояками), но не могут гарантировать отсутствие перетоков в пределах ветви (стояка).

Использование малых величин предварительных настроек термостатических клапанов (менее либо равных двум для зоны пропорциональности 1К и менее либо равных четырем для зоны пропорциональности 2К) делает систему практически не восприимчивой к температурным изменениям в помещениях. К преимуществам использования малых настроек термостатических клапанов можно было бы отнести невысокую вероятность возникновения разбалансировок в процессе работы клапанов (по крайней мере, в случае открытия). Однако учитывая невысокую точность начальной настройки термостатических клапанов на определенный расход (отклонение может доходить до 80% величины расхода [5]), рекомендовать малые настройки для гарантированного обеспечения требуемых расходов нельзя.

Список цитируемой литературы

СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
Пырков В. В. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. – Киев: Таки справы, 2010.
Петров Д. Ю. Математическая модель современной системы отопления / Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: Третья Междунар. научно-техн. конф. – М., МГСУ, 2009.
Радиаторные терморегуляторы и запорно-присоединительная арматура: Каталог. – М., ЗАО «Данфосс», 2006.
Technical information according to EN 215. – Danfoss, 2007.