Гидравлика систем отопления и охлаждения

Авторитет теплоты помещения

Тепловой комфорт в помещении должен быть обеспечен на за­данном уровне независимо от воздействия различных факторов, объ­единяемых по двум признакам: положительному и отрицательному. К положительным факторам относят те, при которых терморегулятор создает тепловой комфорт в помещении и экономит энергоресурсы. В системах отопления ими являются дополнительные (неучтенные в теп­ловом балансе помещения) бытовые теплопоступления, теплопоступле - ния от солнечного излучения или резкого повышения температуры на­ружного воздуха и т. п. Терморегулятор перекрывает поступление теп­лоносителя в отопительный прибор, поддерживая заданную температу­ру воздуха в помещении. В системах охлаждения перечисленные факто­ры относят к отрицательным признакам, так как при их воздействии терморегулятор открывается и происходит дополнительное холодопо- требление. К отрицательному фактору в системе отопления относят резкое снижение внешней температуры воздуха, сопровождающееся возрастанием энергопотребления. В системах охлаждения этот фактор является положительным, т. к. происходит уменьшение холодопотреб - ления. Независимо от системы непредусмотренное снижение расхода теплоносителя относят к отрицательным факторам.

Для создания теплового комфорта помещения необходимо умень­шать влияние отрицательных факторов. Этого достигают обеспечением авторитета теплоты [32] в помещении.

Авторитет теплоты — это отношение максимального теплового потока теплообменного прибора, достигаемого в процессе индивиду­ального регулирования, к расчетным теплопотерям (в системах охлаждения — теплопоступлениям) помещения. Другими словами, он характеризует увеличение температуры воздуха в помещении сверх ее номинального (расчетного) значения, которое может полу­чить пользователь. Авторитет теплоты обеспечивают следующими способами:

• увеличением расхода теплоносителя G сверх номинального GN;

• превышением температуры горячей воды /г в системе отопления над расчетной (в системах охлаждения — уменьшением темпера­туры холодоносителя);

• увеличением поверхности теплообмена теплообменного прибора;

• комбинированным.

Результат реализации этих способов рассмотрен на примере систе­мы отопления (рис. 6.7) по зависимости относительного теплового потока 0/0ы отопительного прибора с показателем степени п= 1,3 от от­носительного расхода теплоносителя G/G^ Индексом "N" обозначены параметры, соответствующие номинальным значениям. На этом же ри­сунке по оси ординат показано изменение температуры воздуха в поме­щении t от ее номинального значения 20 °С. Расчет приведен для наруж­ного воздуха минус 22 °С.

Получают температуру воздуха в помещении, например, на уровне 24 °С по первому способу обеспечения авторитета теплоты повышением подачи насоса в 1,6 раза, что увеличивает потери давления в 1,62 = 2,6 раза. Такой способ энергоемок. При наличии терморегулятора на отопитель­ном приборе этим способом может в некоторой степени воспользовать­ся потребитель, открыв полностью терморегулятор. Увеличение номи­нального расхода (GM = 100 %) в 1,2... 1,8 раза за счет открытия терморе­гулятора с общим авторитетом (заштрихованная зона от точки а до точ­ки б) повышает температуру воздуха до 21...25 °С. При этом повышается

температура на выходе отопительного прибора с 70 °С до 73...81 °С, что нежелательно для эффективной работы котлов. Кроме того, следует от­метить, что реализация данного способа во многом зависит от выпук­лости тепловой характеристики отопительного прибора (см. рис. 6.2). Чем она больше, тем меньше ожидаемый эффект. Так, для рассматрива­емых условий увеличение относительного расхода G/GM в 4 раза приво­дит к росту относительного теплового потока 0/0ы тишь в 1,2 раза.

Повышение температуры горячей воды в системе отопления не яв­ляется рекомендованным подходом, т. к. ухудшаются санитарно-гигие­нические показатели системы, увеличиваются непроизводительные теплопотери в трубопроводах неотапливаемых помещений, нарушается гидравлическая стабильность системы из-за возрастания влияния гра­витационного давления. На такой подход накладываются эксплуатаци­онные возможности источника теплоты. Для данного примера необхо­димо увеличить tr с 90 до 93 °С.

Третий способ реализуют путем увеличения поверхности теплообме­на теплообменного прибора, что сопровождается увеличением разности температур At горячей и охлажденной воды. При этом учитывают, что площадь теплоотдающей поверхности отопительного прибора взаимо­связана нелинейно с его тепловым потоком. Так, увеличение поверхно­сти прибора на 10 % повышает его теплопередачу приблизительно на 6 %, что соответствует возрастанию температуры воздуха до 22,5 °С от номинального значения 20 °С.

Наиболее распространенным является комбинированный способ обеспечения авторитета теплоты. Он объединяет первый и третий способы. Реализуют его установкой терморегулятора на отопитель­ном приборе с повышенной площадью теплообмена. Для этого при подборе отопительного прибора увеличивают расчетные теплопотери помещения в 1,15 [25; 33] либо 1,1 [34] раза, что дает возможность до­стижения температуры воздуха на уровне 25...26 °С (см. пунктирную стрелку от точки а до точки б'). Такой способ позволяет как снижать температуру воздуха, так и несколько повышать ее, устанавливая теп­ловой комфорт в помещении по индивидуальному теплоощущению человека.

Целесообразность использования комбинированного способа обусловлена также взаимокомпенсирующим воздействием на темпера­туру охлажденной воды, т. е. при увеличении поверхности теплообме­на температура воды на выходе теплообменного прибора снижается, а с увеличением расхода теплоносителя при открывании терморегуля­тора — повышается. С этой точки зрения коэффициент 1,1 не вполне удовлетворяет.

Данные расчеты являются ориентировочными, поскольку учет по­ложительного влияния общего авторитета терморегулятора зависит от кривизны характеристики насоса, показателя степени отопительного прибора, перепада температур на нем и т. д. Приближения к указанным значениям достигают при внешнем авторитете а -» 1 и пологой характе­ристике насоса либо при использовании автоматических регуляторов перепада давления, устанавливаемых на стояках (приборных ветках) либо узлах обвязки теплообменных приборов.

Наличие терморегулятора на отопительном приборе дает возмож­ность потребителю повысить температуру воздуха в помещении над расчетным ее значением и, следовательно, увеличить сверхноминаль - ное теплопотребление. Такая возможность должна предоставляться с обязательным учетом потребления теплоты.

При обеспечении авторитета теплоты в помещении следует рассмо­треть целесообразность увеличения мощности источника теплоты. Это решается индивидуально для каждого конкретного случая. Учитывают­ся следующие факторы:

• систему отопления проектируют по расчетной температуре внеш­него воздуха, которая, как правило, наблюдается ночью, когда по санитарно-гигиеническим исследованиям рекомендуется пони­жать температуру воздуха в помещении на несколько градусов;

• запас мощности котлов с учетом горячего водоснабжения, кото­рое в ночной период времени минимально, составляет 20...30 %;

• тепловая инерционность здания и системы отопления способна сгла­живать незначительные колебания внешней температуры воздуха;

• котлы с баками-аккумуляторами способны гасить пиковые нагрузки системы отопления.

При данных подходах мощность источника теплоты может быть да­же несколько меньше от расчетного значения. Необходимость повыше­ния мощности котлов возникает при использовании их только для ото­пления (без потребления на горячее водоснабжение, бассейн и т. п.) без баков-аккумуляторов. Решение этих вопросов согласовывают с про­изводителями котлов таким образом, чтобы недостаточность мощности котла не стала отрицательным признаком необеспеченности теплового комфорта помещения.

К отрицательным признакам, влияющим на обеспечение авторитета теплоты, относят также несовпадение действий пользователя при инди­видуальном регулировании терморегулятором с центральным количест­венным регулированием в котельне или бойлерной. Эта ситуация возни­кает при нежелании пользователя снижать температуру воздуха в поме­щении ночью при ее централизованном регулировании. Как правило,

данный признак рассматривают при пятидесятипроцентном уменыпе - нии расхода теплоносителя. График работы терморегулятора в таких ус­ловиях показан на рис. 6.7. Поскольку настройка терморегулятора на температуру воздуха находится круглые сутки в одинаковом положе­нии, то при централизованном снижении относительного расхода до G/GM = 50 % терморегулятор откроется. При этом в отопительном прибо­ре с номинальным тепловым потоком, соответствующим компенсируе­мым теплопотерям помещения, и общим авторитетом терморегулятора а*50 = 0,5±0,2 увеличится относительный расход до G/GN = 60...90 % (см. заштрихованные зоны изменения параметров от точки в до точки г). Этого недостаточно для восстановления номинальной температуры воз­духа (/ = 20 °С). Достичь номинальной температуры и даже несколько превысить ее можно увеличением номинальной площади теплообмена отопительного прибора в 1,15 раза (см. пунктирную линию от точки в до точки г').

Восстановление теплового комфорта после сберегающего режима (дежурного, ночного и т. п.) требует времени вследствие тепловой инерции ограждающих конструкций и системы. Увеличение поверхно­сти теплообмена отопительного прибора в 1,15 раза сокращает этот пе­риод. Энергетическая эффективность применения ночного снижения расхода теплоносителя должна быть обоснована. При этом учитывают, что количество сэкономленной на охлаждении здания (помещения) теплоты должно быть восстановлено во время его нагревания.

Под действием отрицательных факторов терморегуляторы полностью открываются. Они перестают управлять потокораспределением. Происхо­дит самоуравновешивание гидравлических колец и перераспределение пото­ков между теплообменными приборами. Немаловажную роль начинает иг­рать проектная точность гидравлического расчета и увязки циркуляцион­ных колец. В особенности это касается запуска системы обеспечения микро­климата, выхода ее в рабочее состояние из сберегающего режима и т. п. Улуч­шают управление системой при таком режиме работы с помощью автомати­ческих регуляторов, устанавливаемых на стояках (приборных ветках). Пол­ного контроля работы системы достигают с автоматическими регулято­рами, устанавливаемыми на узлах обвязки теплообменных приборов.

Влияние положительных и отрицательных факторов приводит к пе­рераспределению потоков в системе. Балансировка системы в процессе работы, при отсутствии автоматических регуляторов гидравлических параметров, возлагается полностью на терморегуляторы. Для этого они должны воздействовать на потоки как при закрывании, так и при от­крывании. Увеличение площади теплообменного прибора для обеспече­ния авторитета теплоты способствует этому процессу. Некоторое прикрывание терморегулятора (см. рис. 4.11) увеличивает возможность управления потоком теплоносителя при открывании терморегулятора. Возрастает также и сопротивление регулируемого участка, что способ­ствует его гидравлической устойчивости.

Авторитет теплоты помещения, обеспечиваемый терморегулято­ром на теплообменном приборе с увеличенной площадью теплообмена, позволяет:

• удовлетворить индивидуальные потребности пользователя в увеличении температуры воздуха в помещении сверх ее номи­нального значения при основном режиме работы системы;

• достичь, при необходимости, номинального значения темпера­туры воздуха в помещении во время ночного энергосберегающе­го режима работы системы;

• улучшить гидравлическое управление системой;

• ускорить выход системы в рабочее состояние после сберегаю­щего режима, либо при ее запуске.

Авторитет теплоты помещения создают только при проектирова­нии системы обеспечения микроклимата. Самостоятельное вмеша­тельство пользователя в систему приводит к ее гидравлическому и тепловому разбалансированию.