Гидравлика систем отопления и охлаждения
ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ БАЛАНСИРОВКА СИСТЕМ
Основной целью проектирования систем обеспечения микроклимата является создание теплового комфорта в помещении при минимуме потребления энергоресурсов. Теоретически данная задача является достижимой. Практически сегодня делается все возможное для ее реализации. Современное оборудование приближается к идеальным характеристикам, позволяющим добиться эффективного результата. Однако в действительности даже самые современные системы не всегда справляются с этой задачей. У 80 % систем причиной является несоответствие распределения потоков воды [42].
Несоответствию способствуют многие факторы, содержащиеся в допущениях методик расчета, погрешностях монтажа систем, несоблюдении эксплуатационных требований. В результате происходит перераспределение потоков по реальным гидравлическим сопротивлениям циркуляционных колец, что приводит к необеспеченности теплового комфорта в помещениях из-за недостатка потока в одних циркуляционных контурах и его избытка в других, возникновению шума, перерасходу энергоресурсов, поэтому перед сдачей объекта в эксплуатацию необходимо вывести систему в рабочий режим с помощью балансировки клапанов.
Одним из допущений методик гидравлического расчета является то, что системы с переменным гидравлическим режимом рассматривают аналогично системам с постоянным гидравлическим режимом. При этом гидравлическое сопротивление элементов системы принимают постоянным, в то время как оно изменяется в широких пределах. В системах с переменным гидравлическим режимом дополнительным требованием, которое должно войти в практику проектирования, является создание условий для эффективной работы всех элементов системы. Для клапанов — распределение потоков, для системы обеспечения микроклимата в целом — линейность регулирования тепловым потоком теплообменных приборов.
До осуществления наладки системы необходимо провести подготовительные работы: ознакомиться с проектной документацией, техническими инструкциями на клапаны, приборы и пр. Далее проверяют исправность элементов системы, их работоспособность и функционирование, правильность монтажа. Затем производят балансировку системы.
Гораздо сложнее производить подготовительные работы в модернизируемых системах. В этом случае, как правило, заново определяют теплопотери помещений и осуществляют гидравлический расчет на ос - новании собранных исходных данных. Их точность и старательность выполнения расчетов значительно облегчают последующую балансировку системы.
Перед балансировкой системы производят испытание на герметичность, промывают, прочищают фильтры, деаэрируют, выводят в рабочий гидростатический режим. Все термостатические клапаны устанавливают в максимально открытое положение (только так можно определить перегревы и недогревы помещений). Для этого колпачок термостатического клапана не должен упираться в шток. Колпачками защищают шток от царапин, попадания пыли, деформации. Замену колпачков на термостатические регуляторы осуществляют по окончании балансировки системы.
Перед балансировкой системы следует проанализировать ее работоспособность и определить частные признаки и общие закономерности несоответствия требуемым температурным условиям в помещениях. К частным признакам относят перегрев или недогрев отдельных помещений. К общим закономерностям — перегрев или недогрев этажей, помещений, расположенных по различным фасадам здания, стояков и т. д.
Если рассматривать систему отопления, то при недогреве отдельных помещений вначале следует определить, не является ли это следствием засорения или некачественного монтажа, например, образования внутреннего грата (наплыв, уменьшающий проходное сечение трубопровода) при термическом соединении труб с фитингами. Как правило, закупорка образовывается в местных сопротивлениях: фитингах, клапанах и т. д. Выявляют ее на ощупь или термометром прибора PFM 3000 до и после местного сопротивления по изменению температуры трубопровода. Если температура не изменяется, значит необходимо производить балансировку.
Перегрев отдельных помещений может быть вызван только гидравлической разбалансировкой, причем в перегретых помещениях она значительно больше, чем в недогретых (см. рис. 6.7).
Общие закономерности несоответствия температурным условиям в помещении разделяют на эксплуатационные и предэксплуатационные.
Эксплуатационная разбалансировка вызвана качественным регулированием системы отопления на протяжении отопительного периода. Если недостаточен авторитет теплоты помещения, то изменение гравитационного давления теплоносителя приводит к недогреву нижних этажей во время морозов. Во время оттепелей происходит недогрев верхних этажей. Перегревы соответственно верхних и нижних этажей устраняются терморегуляторами. Не следует допускать эксплуатационную разбалансировку при выборе и обосновании проектных решений системы обеспечения микроклимата. Для этого уменьшают расчетный перепад температур теплоносителя с увеличением этажности здания; рассматривают работоспособность системы при минимальном и максимальном перепадах температур теплоносителя; устанавливают регуляторы перепада давления в горизонтальных системах на поэтажных (поквартирных) приборных ветках; устанавливают на каждом теплообменном приборе стабилизаторы расхода или регуляторы перепада давления в вертикальных системах.
Предэксплуатационные общие закономерности следует, прежде всего, попытаться устранить регулированием производительности насоса и температуры теплоносителя. Общие рекомендации приведены в табл. 10.1 [43]. '
Таблица 10.1. Устранение поэтажной разбалансировки системы
|
В горизонтальных системах устраняют поэтажную разбалансировку также настройкой регулирующих клапанов на приборных ветках.
Если во всех помещениях нет общей закономерности несоответствия тепловым условиям, то следует производить балансировку системы. Для ее реализации выбирают способ, который зависит от типа применяемых регуляторов: прямого или непрямого действия. При этом процесс балансировки должен быть дешевым, быстрым и отвечать техническим требованиям.
В основе методов балансировки систем с терморегуляторами прямого действия применяют два подхода. Первый осуществляют в несколько этапов. Он заключается в последовательном устранении дисбаланса по отдельным циркуляционным кольцам, начиная с основного (наиболее удаленного и нагруженного) кольца. Пройдя первый этап, его повторяют до достижения проектного потокораспределения во всех циркуляционных кольцах. Второй осуществляют в один этап. Его реализуют при компенсационном методе балансировки [20]. В системах с терморегуляторами прямого действия широкое распространение получили методы:
• температурного перепада;
• предварительной настройки клапанов;
• пропорциональный;
• компенсационный;
• компьютерный.
Настройку автоматических терморегуляторов непрямого действия (электронных) осуществляют:
• статически;
• динамически.
Указанные способы и методы настройки клапанов достаточно подробно рассмотрены в литературе [20; 44; 45; 55]. Остановимся лишь на особенностях и возможностях, которые возникли в последнее время благодаря применению современного оборудования и новых подходов в подборе клапанов и теплообменных приборов.
I |
Наладка системы обеспечения микроклимата ручными балансировочными клапанами является длительной и дорогостоящей процедурой. Этот процесс значительно упрощается и удешевляется при применении в системе автоматических балансировочных клапанов (регуляторов перепада давления, регуляторов расхода, стабилизаторов расхода и т. п.) вместо ручных балансировочных клапанов.
10.2. Метод температурного перепада
Метод основан на уравнении (2.2), смысл которого заключается в том, что в сбалансированной системе разность температур теплоносителя At на входе и выходе всех теплообменных приборов должна быть одинаковой. При несоответствующих потоках теплоносителя она
изменяется. Принято считать, что отопительные приборы достигают проектного режима лишь при номинальном потоке. Недостаточный поток теплоносителя уменьшает теплоотдачу прибора, а чрезмерный поток не приводит к ее существенному увеличению (см. рис. 6.7), при этом разницу температур теплоносителя принимают по расчетному значению (уравнение (2.2)). В то же время не учитывают, что тепловой прибор выбирают по завышенным в 1,15(1,1) раза теплопотерям помещения (см. п. р. 6.3). Разница температур At' теплоносителя при этом будет выше At, т. к. расход теплоносителя уменьшится, поэтому разницу температур следует определять с учетом завышенного типоразмера теплообменного прибора.
-20 |
0 |
20 |
t °С lext> |
Рис. 10.1. Определение требуемого перепада температур теплоносителя в отопительном приборе |
Находят разницу температур геометрическим построением, показанным на рис. 10.1. Сплошная линия характеризует изменение температуры подаваемого в отопительный прибор теплоносителя. Пунктирная — расчетную температуру теплоносителя на выходе прибора. Штрих - пунктирная — требуемую температуру теплоносителя на выходе прибора с завышенной поверхностью теплообмена. На оси абсцисс дан диапазон изменения температуры наружного воздуха С
iext. Он начинается с расчетной наружной температуры воздуха для системы отопления (например, минус 20 °С) и заканчивается температурой, совпадающей с нормативной температурой воздуха в помещении (например, 20 °С). На оси ординат дан диапазон изменения температуры теплоносителя на входе в отопительный прибор и выходе из него. Температуру теплоносителя на входе в отопительный прибор принимают, как правило, равной температуре на выходе из источника теплоты, например, 90 °С (из котла). Для более точного расчета следует учитывать остывание теплоносителя в трубопроводах. Температуру в обратном трубопроводе, например, 68 °С, определяют из среднего перепада температур между прибором (с учетом завышенного типоразмера) и воздухом в уравнении (6.1).
При расчетной температуре наружного воздуха перепад температур теплоносителя примерно равен At' = 22 °С. Когда совпадает температура
воздуха снаружи и внутри помещения, т. е. равна 20 °С, перепад температур At' = 0. Промежуточные значения At' определяют по пропорции. Например, при text= 0 °С, соответствующей 50 % рассматриваемого диапазона изменения внешних температур, At' = 11 °С и также составляет 50 % от максимального перепада температур теплоносителя.
Балансировку осуществляют до требуемого перепада температур теплоносителя настройкой дросселя терморегулятора либо регулирующего клапана в узле обвязки теплообменного прибора. Термостатический клапан в это время должен быть полностью открыт (со свободно накрученным колпачком). Следовательно, влияние завышенного теплового потока теплообменного прибора устраняется уменьшением расхода теплоносителя посредством увеличения сопротивления дросселя терморегулятора либо регулирующего клапана. В том и в другом случае ухудшается потокораспределение терморегулятора и, следовательно, авторитет теплоты помещения. Процедура достижения равенства температур на всех теплообменных приборах может повторяться несколько раз до достижения сбалансированности системы, т. к. настройка каждого прибора отражается на характеристиках всех остальных, даже отрегулированных приборов.
Данный метод балансировки очень не точен, особенно в системах с низкими перепадами температур, каковыми являются системы охлаждения с фенкойлами либо потолочными панелями, системы отопления в полу... Из-за тепловой инерции системы и здания процедура балансировки требует значительного времени. Кроме того, необходимо обеспечить стационарные температурные условия как внутри помещения, так и снаружи, поэтому метод температурного перепада применяют для балансировки небольших систем отопления при безветренной и несолнечной погоде. Чем ниже температура наружного воздуха, тем точнее результат.
Несмотря на все недостатки, данный метод является единственно возможным для балансировки теплообменных приборов в пределах стояка либо приборной ветки, если в узлах обвязки этих приборов отсутствуют регулирующие клапаны со штуцерами для отбора импульсов давления теплоносителя. Задача значительно упрощается при наличии таких клапанов. Тогда применяют пропорциональный либо компенсационный метод балансировки. С автоматическим регулятором перепада давления на стояке либо приборной ветке настройку теплообменных приборов осуществляют также упрощенным методом предварительной настройки клапанов. В этом случае предполагают, что все автоматически поддерживаемое давление теряется в терморегуляторе, т. е. пренебрегают потерями давления в трубопроводах и теплообменном приборе. Положение настройки дросселя подбирают по пропускной способности терморегулятора, определяемой уравнением в табл. 3.1, где перепад давления принимают равным автоматически поддерживаемому регулятором перепаду.
I |
B методе температурного перепада следует учитывать влияние завышенного типоразмера теплообменного прибора на изменение температуры в обратном трубопроводе.