Russian Federation
Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
OKSO 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
BBK 38 Строительство
BBK 382 Изыскания и проектирование в строительстве
TBK 5433 Отопление
BISAC ARC004000 Design, Drafting, Drawing & Presentation
Modern heating systems are a complex set of equipment and elements, the main task of which is to provide comfortable conditions in the serviced premises, regardless of external deflecting factors. Water heating systems with variable hydraulic mode are the most common type of heating in newly constructed residential and public buildings. The installation of differential pressure regulators in individual heating systems is mandatory from the point of view of ensuring noiseless operation and reducing the mutual influence of regulatory areas. However, the location of their installation is controversial in the professional community. This paper covers the range of hydraulic modes of operation of two variants of the design of individual heating system used in this practice of system design: installation of only floor-by-floor collectors, followed by the connection of internal apartment circuits, or with the installation of additional collectors in each apartment. Formulas for estimating changes in the coolant flow rate during operation with high-quality individual control of the system are proposed. The values of the degree of opening of the regulators in the entire permissible range of operation of the system, the hysteresis and the pressure loss created by the differential pressure regulator are obtained. Conclusions are drawn about the rationality of using the proposed designs of the apartment-by-apartment heating system
individual heating system, differential pressure regulator, hysteresis, hydraulic operating mode, valve authority
Введение. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения и их устойчивость представляет значительный интерес как для отечественных, так и для зарубежных исследователей. Причем вопросы проектирования систем с переменным гидравлическим режимом уже достаточно широко рассмотрены, и проектировщикам предложены соответствующие методики их расчета. Однако, система отопления в расчетном режиме работы будет находиться крайне редко, и под влиянием внутренних и внешних факторов [1] будет создавать переменный гидравлический режим в контуре системы [2]. При этом от точности регулирования и его возможности будет зависеть не только уровень теплового комфорта в обслуживаемом помещении [3], но и финансовые эксплуатационные затраты [4].
Согласно требованиям строительных норм, в системах центрального водяного отопления следует предусматривать автоматическое регулирование теплоотдачи отопительных приборов. Хотя установка дополнительных автоматических регуляторов в узлах системы (расхода, перепада давления, температуры) не несёт обязательного характера, все же в ряде случаев она необходима [5, 6].
Например, автоматические регуляторы перепада давления (АРПД) поддерживают постоянный перепад давления в узлах системы, устраняя возмущения, которые возникают вследствие переменного гидравлического режима работы систем отопления, оборудованных термостатическими клапанами [7]. Кроме того, регуляторы АРПД активно применяются и в системах централизованного теплоснабжения, выполняя аналогичную функцию, но для более высоких нагрузок [8]. Однако, убеждение, что от количества установленных автоматических регуляторов зависит гидравлическая устойчивость системы не соответствует действительности [9, 10].
В настоящее время наблюдается широкое применение поквартирных систем водяного отопления для новых жилых зданий [11]. Сами системы обладают как преимуществами, так и рядом недостатков [12–14]. При этом разные производители отопительного оборудования предлагают несколько вариантов схем таких систем. Либо предусматривается установка поэтажных коллекторов с последующим подключением внутренних контуров квартир, либо в квартирах устанавливается дополнительная распределительная гребёнка. Рассмотрим оба этих варианта.
Для исследования возьмём существующее многоквартирное жилое здание, расположенное в г. Москве (типовой этаж здания представлен на рис. 1), оборудованное по второй схеме – с установкой дополнительных квартирных коллекторов. В здании первый этаж отведен для общественных зон, а со второго и до последнего девятого этажа располагается жилая зона. Подземная часть обслуживается отдельной системой отопления и в расчет не берется.
Рис. 1. Типовой этаж исследуемого здания
При установке АРПД (ASV-PV 5-25 кПа DN 15) на ветки для каждого потребителя будет осуществляться автоматическое регулирование контура каждой квартиры, назовём это поквартирным регулированием (рис. 2), а при установке АРПД (ASV-PV 5-25 кПа DN 25) на ветку для группы потребителей – поэтажным регулированием (рис. 2).
Естественно, второй вариант с точки зрения капитальных затрат будет более оптимальный, так как рыночная стоимость одного АРПД DN 25 значительно меньше четырех АРПД DN 15. Кроме того, сам узел будет конструктивно проще и, следовательно, будет проще в монтаже.
При проектировании и расчёте каждого из вариантов системы были получены следующие результаты. Было рассмотрено наиболее удаленное кольцо тупиковой системы, коллектор расположен на последнем этаже.
В ходе проектного расчета была определена общая потеря давления в кольце равная 96150 Па, из них:
- потеря давления в термостатическом клапане (ТСК) расчетного прибора: 7168 Па;
- потеря давления в поквартирном АРПД: 10800 Па;
- потеря давления в тепловом пункте: 30000 Па (по заданию от проектировщика теплового пункта);
- потеря давления в трубах и арматуре (кроме АРПД и ТСК) расчетного кольца: 48182 Па (удельная потеря по длине в магистралях в среднем 85 Па/м, в стояке 105 Па/м, в квартирных трубах 124 Па/м).
Для случая с установкой АРПД перед поэтажным коллектором общая потеря давления в кольце составила 93641 Па, из них:
- потеря давления в термостатическом клапане (ТСК) расчетного прибора: 7168 Па;
- потеря давления в поэтажном АРПД: 10268 Па;
- потеря давления в тепловом пункте: 30000 Па;
- потеря давления в трубах и арматуре (кроме АРПД и ТСК) расчетного кольца: 46205 Па.
Общий расход на выходе из теплового пункта, при температурном графике теплоносителя 80/60 °С составил 25979 кг/ч.
Потеря давления в АРПД определялись для обоих вариантов в соответствии с рекомендациями фирмы-производителя с учетом пропускной способности (её значение должно быть ниже пропускной способности полностью открытого клапана, но не ниже её более чем на 60 %), а также с учетом диаметра трубы, на которую устанавливается АРПД (рис. 4). Проектный расход теплоносителя, проходящего через АРПД в случае установки его на каждую квартиру, составил 331 кг/ч, а при установке перед поэтажным коллектором 707 кг/ч.
Рис. 1. Принципиальная схема поэтажного коллектора с установкой АРПД на каждый квартирный контур
Рис. 2. Принципиальная схема поэтажного коллектора с установкой АРПД на этажный контур
Методика. Поскольку гидравлический режим работы системы, при применении термостатических клапанов, несет строго переменных характер [15–17], то необходимо проверить работу системы во всем диапазоне её работы. Но поскольку эта задача достаточно трудоёмкая, а информация по каждому режиму не несет большой информационной ценности, то рассмотрим крайний случай работы системы, когда все автоматические регуляторы системы будут максимально «прижаты», то есть работать на грани полного закрытия.
Согласно СП 60.13330 в холодный период года в помещениях отапливаемых зданий, когда они не используются и в нерабочее время, следует принимать температуру воздуха ниже нормируемой, но не ниже, °С:
- 15 – в жилых помещениях;
- 12 – в помещениях общественных и административно-бытовых зданий.
Рассмотрим случай, когда здание еще не заселено, и для экономии тепловой энергии соблюдаются именно эти требования по температуре воздуха. Температуры для лестнично-лифтовых групп остаются неизменными, так как не оборудуются термостатическими клапанами.
Необходимая тепловая нагрузка участков при минимальных расходах теплоносителя определялась по формуле:
(1)
где Qр – тепловая нагрузка участка в расчетном режиме, Вт; – температура воздуха расчётная, °С; tв – принятая температура ниже нормируемой, °С; tн – расчетная температура наружного воздуха, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки
, °С.
Расчет расхода теплоносителя на участке при минимальных расходах можно определить по формуле:
(2)
где Gр – расход теплоносителя на участке при расчетном режиме, кг/ч; τ3 – температура теплоносителя в подающем теплопроводе в расчетном режиме, °С; – температура теплоносителя в обратном теплопроводе в расчетном режиме, °С; τ2 – температура обратного трубопровода при режиме работы с минимально-необходимой поддерживаемой температурой, рассчитываемая по формуле:
, (3)
где n – эмпирический показатель степени, зависящий от конструкции отопительных приборов;
– коэффициент, показывающий отношение тепловой нагрузки при минимальных расходах к тепловой нагрузке в расчетном режиме
, Вт.
Коэффициент n зависит от конструктивных особенностей отопительного прибора, и определяется в ходе проведения сертификационных экспериментальных исследований. При расчете температурного графика системы отопления данная величина выбирается по доминирующему типу приборов [18]. В настоящем исследовании данный коэффициент принят как для биметаллических радиаторов равным 0,33.
В конструкции системы отопления предусмотрен циркуляционный насос с частотным регулированием, поддерживающий постоянный напор, равный потере давления в системе ΔPсист. Вне зависимости от динамического режима работы системы отопления и изменения расхода в ней, перепад давления между входным и выходным патрубком циркуляционного насоса будет поддерживаться в автоматическом режиме изменением числа оборотов рабочего колеса.
Расход теплоносителя, кг/ч, на каждом участке определялся согласно классической формуле:
(4)
где с – теплоёмкость воды, кДж/(кг∙°С).
При известном расходе теплоносителя, для поддержания минимально необходимой температуры характеристика системы примет вид линии 2 (рис. 3). При этом потеря давления в системе (или развиваемый напор насосом) не изменится. Следовательно, произойдёт перераспределение потери давления в системе между автоматическими регулирующими устройствами системы – термостатическим клапаном (ТСК) и автоматическим регулятором перепада давления (АРПД), а также в трубах системы.
Основная часть. Конструкция АРПД предусматривает поддержание перепада давления на регулируемом участке, ΔPрег.уч, Па, то есть:
(5)
или
(6)
где ΔPтр.уч и ΔPТСК – потери давления в трубах и арматуре регулируемого участка, и потери давления в ТСК в расчётном режиме, Па; ΔP′тр.уч и ΔP′ТСК – тоже самое в режиме поддержания минимальной температуры, Па.
Потеря давления в АРПД для системы отопления с поквартирным регулированием в режиме с минимальными расходами составила:
= 59216 Па
Внешний авторитет клапана a+ [19] может быть определен по формуле:
(7)
Таким образом, авторитет клапана в расчетных условиях составил 0,112.
Рис. 3. Диапазон характеристики системы отопления:
1 – линия характеристики системы в рабочем режиме; 2 – линия характеристики системы в режиме работы
с минимальным расходом; 3 – диапазон динамического изменения характеристики системы
Потеря давления в АРПД для системы отопления с поэтажным регулированием в режиме с минимальными расходами составила:
= 56312 Па.
Авторитет клапана при таком конструктивном решении в расчетных условиях составил 0,109.
Для того, чтобы определить относительную величину поднятия штока клапана, используем следующее уравнение для клапанов с линейной характеристикой [19]:
(8)
где h – перемещение штока клапана, мм;
h100 – полное перемещение (ход) штока клапана, мм; h/h100 – относительное перемещение штока клапана; V – объемный расход теплоносителя при перемещении штока h, м3/ч; V100 – максимально возможный объемный расход теплоносителя через клапан, м3/ч.
Для нахождения расхода теплоносителя, проходящего через АРПД, при полном открытии клапана, нужно определить режим работы, в котором это может произойти.
Сам АРПД изменяет свою пропускную способность в зависимости от разности давления под и над мембраной, с учетом дополнительной силы, прикладываемой к мембране от регулирующей пружины. Упрощая задачу исследования гидравлического режима работы каждого кольца и системы в целом, используем предложенное уравнение [19], для определения максимального расхода теплоносителя, проходящего через АРПД, при полном поднятии штока:
(9)
или после преобразования:
(10)
где VN – номинальный расход теплоносителя через АРПД, м3/ч; ΔPvs – потеря давления в АРПД при полностью открытом клапане, Па, определяемая по формуле:
(11)
где kvs – пропускная способность клапана при полном его открытии, м3/(ч∙бар0,5).
После преобразования формулы (8) получим зависимость степени открытия клапана АРПД от изменения гидравлического режима работы системы (изменения авторитета, и расхода теплоносителя):
Результаты расчета. Максимально возможный расход, проходящий для данной системы через АРПД V100, при поквартирном регулировании составит 231 л/ч, а в режиме работы с понижением температуры воздуха до минимально-требуемой составит 83 л/ч, при этом шток клапана h будет опущен до 0,14h100.
Во втором варианте системы, с поэтажным регулированием, максимально возможный расход, проходящий через АРПД V100, составит 825 л/ч, а в режиме работы с понижением температуры воздуха до минимально-требуемой составит 338 л/ч, при этом шток клапана h будет опущен до 0,15h100.
Таким образом, видно, что в обоих случаях диапазон хода штока от расчетного положения до минимального будет примерно одинаков: от 0,49h100 до 0,14h100 в первом случае, и от 0,52h100 до 0,15h100.
Однако, для оценки качества регулирования необходимо учитывать гистерезис регуляторов [19]. Если нанести на номограмму производителя (рис. 4) расчетный режим работы АРПД и режим работы при нормативном понижении температуры, то можно определить значение гистерезиса регулирования.
Рис. 4. Номограмма условий регулирования АРПД:
1, 2 – расчетный режим при поквартирном и поэтажном регулировании соответственно; 3, 4 – режим работы при минимальных значениях расхода при поквартирном и поэтажном регулировании соответственно
Гистерезис регулятора значительно отличается для двух вариантов. Если в первом случае его диапазон составляет от 1,5 до 3,5 кПа, то во втором случае этот диапазон значительно больше, от 0,25 до 3,25 кПа. Однако, во втором случае, при значениях достаточно близким к расчетным гистерезис в достаточно большом диапазоне будет меньше, чем для клапана во втором случае, что говорит о более точном регулировании системы.
Выводы. По итогам исследования можно сделать следующие выводы:
- Даже при наличии ограничения термостатических клапанов по минимальной температуре, что предусмотрено не в каждой конструкции термостатических клапанов, диапазон гидравлического режима работы системы достаточно велик, и уменьшение общего расхода теплоносителя в контуре может составить более чем в полтора раза от проектного расхода, и около двух раз от максимально возможного.
- Установка АРПД на каждый квартирный контур не обеспечит лучшую гидравлическую устойчивость системы, а в некотором диапазоне работы, наоборот, будет приводить к максимальным отклонениям поддерживаемого перепада давления.
- Установка АРПД на поэтажный контур более рациональна и с точки зрения точности регулирования, и с точки зрения капитальных вложений в общую стоимость оборудования.
1. Kryuchkova O.Yu. Probabilistic-statistical climate model for calculating energy consumption of central air conditioning systems [Verojatnostno-statisticheskaja model' klimata dlja raschjotov jenergopotreblenija central'nymi sistemami kondicionirovanija vozduha]. Plumbing, heating, air conditioning. 2016. No. 12. Pp. 58-63. (rus)
2. Lin Gao, Xuyang Cui, Jiaxin Ni, Wanning lei, Tao Huang, Chao Bai, Junhong Yang. Technologies in smart district heating system. 9th International conference on Appliad Energy, ICAE2017, 21-24 August 2017, Cardiff, UK. Energy Procedia. 2017. Vol. 142. Pp. 1829-1834.
3. Rjabova T.V., Sulin A.B., Sankina Ju.N. Justification and calculation of equivalent parameters of thermal comfort of the room [Obosnovanie i raschet jekvivalentnyh parametrov teplovogo komforta pomeshhenija]. Bulletin MAX. 2018. No. 2. Pp. 78-84. (rus)
4. Lawrence T., Aghniaey S. Optimizing thermal comfort & energy costs. ASHRAE Journal. 2019. No. 8. Pp. 66-68.
5. Usikov S.M., Djutin V.V. Assessment of the need to install automatic differential pressure regulators on the double-tube risers of the water heating system from the point of view of noise generation [Ocenka neobhodimosti ustanovki avtomaticheskih reguljatorov perepada davlenija na dvuhtrubnyh stojakah sistemy vodjanogo otoplenija s tochki zrenija vozniknovenija shuma]. News of KGASU. 2019. No. 2(48). Pp. 197-203. (rus)
6. Pyrkov V.V. Regulation of automated microclimate support systems [Regulirovanie avtomatizirovannyh sistem obespechenija mikroklimata]. Plumbing, heating, air conditioning. 2013. No. 5(137). Pp. 70-73. (rus)
7. Dinu R.C., Popescu D. Solutions with differential pressure in heating with radiators. ASHRAE Journal. 2016. No. 4. Pp. 137-142.
8. Chen H., Riley J., Chen A., Williams L., HahN W., Henry R. Pressure sustaining valves. ASHRAE Journal. 2019. No. 9. Pp. 24-32.
9. Milejkovskij V.A. Study of alternating heat-hydraulic mode of single-tube vertical water heating systems [Issledovanie peremennogo teplo-gidravlicheskogo rezhima odnotrubnyh vertikal'nyh sistem vodjanogo otoplenija]. Teoreticheskie osnovy teplogazosnabzhenija i ventiljacii: materialy V konferencii. MGSU. 2013. Pp. 133-139. (rus)
10. Prohorov V.I., Usikov S.M. About rational use of thermostats in water heating systems [O racional'nosti primenenija termostatov v sistemah vodjanogo otoplenija]. Plumbing, heating, air conditioning. 2018. No. 6(198). Pp. 54-57. (rus)
11. Kazadaev I.A., Baklushina I.V. Advantages and peculiarities of design of heating systems with quaternary wiring [Preimushhestva i osobennosti proektirovanija sistem otoplenija s pokvartirnoj razvodkoj]. Aktual'nye voprosy sovremennogo stroitel'stva promyshlennyh regionov Rossii. Trudy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. 2016. Pp. 220-221. (rus)
12. Granovskij V.L., Nikitina S.V. Individual accounting of thermal energy in apartment buildings: features, possibilities, problems [Individual'nyj uchet teplovoj jenergii v mnogokvartirnyh domah: osobennosti, vozmozhnosti, problemy]. AVOK. 2020. No. 2. Pp. 58-63. (rus)
13. Krupnov B.A. Is it always advisable to account for heating in modern residential buildings? [Vsegda li celesoobrazen pokvartirnyj uchjot teploty na otoplenie v sovremennyh zhilyh domah?]. Plumbing, heating, air conditioning. 2020. No. 3(219). Pp. 40-41. (rus)
14. Petrova I.V., Molochnikova O.V. Problems of the occurrence of "black" mold on the outer walls of new buildings with individual heating and buildings with high storeys with "radial" wiring of heating systems [Problemy vozniknovenija "chernoj" pleseni na naruzhnyh stenah novostroek s individual'nym otopleniem i zdanij povyshennoj jetazhnosti s "luchevoj" razvodkoj sistem otoplenija]. Aktual'nye problemy stroitel'nogo i dorozhnogo kompleksov. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii, posvjashhennoj 50-letiju Instituta stroitel'stva i arhitektury PGTU. 2019. Pp. 234-237. (rus)
15. Kent W. Petrson. Avoiding common chilled water distribution problems. ASHRAE Journal. 2015. No. 7. Pp. 50-56.
16. Maljavina E.G. Petrov D.Ju. Conjugate calculation of non-stationary thermal mode of water heating system and building [Soprjazhennyj raschet nestacionarnogo teplovogo rezhima vodjanoj sistemy otoplenija i zdanija]. Housing construction. 2012. No. 6. Pp. 66-69. (rus)
17. Mahov L.M., Usikov S.M. Study of variable hydraulic mode of the water heating system under the influence of variable heat consumption of the building [Issledovanie peremennogo gidravlicheskogo rezhima sistemy vodjanogo otoplenija pod vlijaniem peremennyh teplopotreblenij zdaniem]. Nauchnoe obozrenie. 2013. No. 12. Pp. 86-89. (rus)
18. Kitaev D.N. Modern heating devices and their indicators [Sovremennye otopitel'nye pribory i ih pokazateli]. Plumbing, heating, air conditioning. 2014. No. 1. Pp. 48-49. (rus)
19. Pyrkov V.V. Hydraulic control of heating and cooling systems. Theory and practice. [Gidravlicheskoe regulirovanie sistem otoplenija i ohlazhdenija. Teorija i praktika]. Kiev: II DP «Taki spravi». 2010. 360 p. (rus)
