Гидравлика систем отопления и охлаждения

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ БАЛАНСИРОВКА СИСТЕМ

10.1. Обшие сведения

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]. '

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.

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.

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.

B методе температурного перепада следует учитывать влияние завышенного типоразмера теплообменного прибора на изменение температуры в обратном трубопроводе.