Эффективность современного отопления обеспечивают управляемость системы и теплогенератора, погодозависимое регулирование, возможность программировать температурные режимы и поддерживать их раздельно для разных помещений, дистанционное управление, согласованная работа источников тепла.

Подписаться на статьи можно на

Сегодня владельцами индивидуальных домов предъявляются все более высокие требова-ния к экономичности систем отопления, их способности обеспечить комфортную тем-пературу в помещениях, удобству в пользовании. В статье сформулированы и раскрыты базовые принципы создания эффективного отопления с использованием оборудования, предлагаемого современным рынком.

Эффективность работы современного отопления обеспечивают: управляемость системы и теплогенерирующей установки, погодозависимое регулирование, возможность программировать изменение температурных режимов (термостатирование), реализовывать их независимо для разных помещений, дистанционное управление, минимизация тепловой инерционности системы. Требуется также согласованная работа различных источников тепла, контуров высоко- и низкотемпературного отопления, ГВС.

Рассмотрим отмеченные особенности и некоторые способы их реализации более подробно.

Управляемость системы - базовое условие энергоэффективного отопления. Необходима возможность регулирования температуры теплоносителя в зависимости от запроса на нагрев.

В самом простом случае используется термостат с датчиком температуры теплоносителя в подающей или обратной магистрали котла. Управление производится посредством включения и отключения котла по соотношению заданной и текущей температуры.

Шаг к усовершенствованию системы - установка программируемого термостата , который позволяет управлять температурой теплоносителя не только в заданных пределах, но и по часам суток и дням недели (рис. 1).

Рис. 1. Электронный термостат с возможностью задания режимов отопления на неделю

Применение комнатных термостатов , осуществляющих регулирование по температуре воздуха, и термостатических радиаторных клапанов эффективно в том случае, если необходимо управлять обогревом отдельных помещений посредством включения и отключения отдельного отопительного прибора или зависимого контура, например, обогре-вающего одну комнату.

Для обеспечения безопасности системы в подающей магистрали котла необходим термостат , настроенный на максимально допустимую температуру.

Управляемость теплогенератора - условие обеспечения автоматического регулирования подачи тепла в систему отопления в зависимости от потребности в нем.

Реализуются следующие способы регулирования мощности котлов: двухпозиционное (включен-выключен), ступенчатое, плавное (модуляционное) и ступенчато-прогрессивное (комбинация ступенчатого и плавного регулирования).

Модуляция мощности в общем случае позволяет повысить КПД установки и минимизировать колебательные процессы в работе системы, что важно, например, при регулировании температуры в отдельных контурах посредством смесительных клапанов с электроприводом.

Погодозависимое регулирование заключается в адаптации текущих параметров (мощности, температуры теплоносителя) отопительной системы или ее отдельных контуров к погодным условиям. Как правило, в качестве внешних воздействий используется внешняя (уличная) температура и температура воздуха в помещении. В ряде случаев к ним добавляются влажность и атмосферное давление.

Основные преимущества решения - повышение комфортности отопления, эффективности использования мощности установки и экономия энергии.

Управляющим устройством служит контроллер с функцией погодной компенсации. Регулирование осуществляется по задаваемой зависимости температуры теплоносителя от температуры уличного воздуха, называемой кривой отопления (рис. 2).

Рис. 2. Пример семейства кривых отопления:

по оси абсцисс отложена наружная температура, по оси ординат - температура теплоносителя

Крутизна наклона кривой и ее смещение вдоль оси ординат определяются параметрами системы отопления (соотношением мощностей котла и радиаторов отопления, тепловым сопротивлением стен здания, наличием дополнительных внешних источников тепла и т.п.) и, как правило, находятся экспериментальным путем, посредством многочисленных наблюдений и анализа накопленного опыта. Чем точнее будет задана кривая отопления, тем выше будет эффективность работы системы и экономия энергии. В ряде погодозависимых контроллеров , в частности, E8 германской фирмы Kromschroder (рис. 3), предусмотрена возможность автоматической подстройки параметров кривой отопления, если режим обогрева длительное время остается постоянным.

Рис. 3. Контроллер серии E8 фирмы Kromschroder

Важная особенность некоторых контроллеров с функцией погодной компенсации - наличие канала пропорционально-интегрального (ПИ) регулирования температуры теплоносителя по температуре внутреннего воздуха помещения. Благодаря электронным датчи-кам температуры этот процесс может быть реализован с высокой точностью. В контрол-лерах E8 точность поддержания температуры с учетом погрешности измерения составляет +/-0,3 С.

От точности измерения и задания уставок температуры и параметров регулирования зависит ряд рабочих и эксплуатационных характеристик системы отопления, в том числе - экономичность.

Наиболее удобно задавать параметры регулирования коэффициентом усиления в обратной связи контура (как реализовано в модели E8). Так, при отклонении температуры помещения от заданной уставки в температуру теплоносителя соответствующего отопительного контура дополнительно вносится коррекция. В результате для контуров, обслуживающих сильно охлажденные помещения, температура теплоносителя будет приближаться к максимально возможной (режим форсировки). По мере прогрева помещений температура теплоносителя будет пропорционально снижаться вплоть до значения, определяемого кривой отопления.

Учет постоянной времени регулирования производится посредством задания параметра инерционности нагрева помещения, измеряемого в часах.

Рассмотренный способ регулирования температуры помещений эффективен при совместном использовании, например, электрического и печного отопления. При повышении температуры помещения за счет теплоотдачи печи температура теплоносителя в соответствующем контуре снижается (вплоть до его отключения). Тем самым отпадает необходимость управления системой вручную.

Программируемое термостатирование помещений заключается в изменении уставки температуры отапливаемых контуром помещений согласно заданной программе. Реализация такого способа управления позволяет устанавливать температуру помещений в соответствии с потребностями в нагреве в текущий момент времени, что дает возможность существенно снижать затраты энергии на отопление.

Возможность задавать несколько программ, быстро изменять график отопления без перенастройки уставок температуры и временных значений может быть использована, например, если в зависимости от условий применения системы, погоды, самочувствия людей и т.п. требуются разные режимы обогрева помещений.

Большинство представленных на рынке погодозависимых контроллеров (производители - Kromschroder, Honeywell, Fantini Cosmi и др.) это обеспечивают.

Организация раздельных независимых температурных режимов отопления помещений - следующий шаг в достижении комфорта и экономии энергии, затрачиваемой на отопление. Суть решения состоит в том, что отопление отдельных помещений, их групп или строений производится собственной подсистемой (контуром). Особенно это актуально, если обслуживаемые помещения обладают различной периодичностью использования, конфигурацией, массой и теплоемкостью ограждающих конструкций.

Раздельное отопление осуществляется за счет устройства многоконтурной системы с одним котлом или каскадом теплогенераторов. На рис. 4 представлен пример упрощенной функциональной схемы системы отопления с независимым контуром и регулированием по температуре наружного воздуха.

Рис. 4. Упрощенная функциональная схема погодозависимой системы отопления с неза-висимым и зависимым контурами: ТГ - теплогенератор; Нк - циркуляционный насос кол-лектора; Рк - потребители тепла, подключенные в цепь коллектора; СМ2, Н2 - соответст-венно трехходовой смесительный клапан с электрическим приводом и циркуляционный насос независимого контура; Р1 - потребители тепла зависимого контура, подключенного в точках а, б; Р2 - потребители тепла независимого контура; Дк - датчик температуры те-плоносителя на выходе теплогенератора; Ду - датчик уличной температуры; Д1, Дп1 - дат-чики температуры теплоносителя на входе независимого контура и температуры помеще-ния соответственно; РК - разделительный клапан с электрическим приводом; К - управ-ляющий погодозависимый контроллер; красными линиями условно показано электриче-ское подключение элементов системы к контроллеру

Система работает следующим образом. Циркуляция теплоносителя через коллектор и зависимый контур обеспечивается насосом Нк; через независимый - насосом Н2. В цепи теплогенератора (коллекторе) потоки теплоносителя из обоих контуров складываются. По данным датчиков температуры на улице Ду и в помещениях Дп2 и Дп1 управляющим контроллером К рассчитывается значение температуры теплоносителя в коллекторном контуре. Как правило, оно соответствует максимальному из запрашиваемых каждым потребителем с учетом потерь на доставку теплоносителя. Температура теплоносителя на выходе котла непрерывно контролируется датчиком Дк, с учетом показаний которого производится управление мощностью теплогенератора (или каскада).

Температура теплоносителя на входе независимого контура также рассчитывается с учетом температуры на улице и в отапливаемом помещении и контролируется датчиком Д2. Согласно показаний последнего и расчетной температуры теплоносителя на входе контура производится управление смесительным клапаном СМ2 посредством электропривода. При большой разнице расчетной и фактической температур теплоносителя на входе независимого контура прямая ветвь клапана полностью открыта и имеет место параллельная циркуляция жидкости через коллекторный и независимый контура, включая теплогенератор. По мере прогрева теплоносителя в независимом контуре прямая ветвь смеси-тельного клапана начинает закрываться совместно с открытием входа, подключенного к обратной магистрали, охлажденный теплоноситель из которой частично подмешивается к поступающему на вход контура. Вне зависимости от степени открытия смесительного клапана циркуляция через контур, сопряженный с последним, остается постоянной. Такое решение обладает существенным преимуществом по сравнению с классической одно- или двухтрубной системой отопления с параллельными контурами. При полном закрытии прямой ветви циркуляция в отопительных контурах производится раздельно; расход тепла определяется только потребителями, включенными в зависимый контур Рк, и при достижении требуемых расчетных температур помещения теплогенератор отключается, циркуляционные насосы останавливаются. В независимом контуре производится эффективное расходование накопленной тепловой энергии.

Исполнительные элементы рассмотренной системы отопления - циркуляционные насосы, смесительные, байпасные, зональные и другие клапаны и приводы к ним - широко представлены на отечественном рынке. Примеры этих устройств даны на рис. 5.

Рис. 5. Примеры исполнительных устройств для систем отопления небольшой мощности: а - привод с трехточечным управлением для поворотного смесительного клапана (ESBE, Швеция); в - трехходовой штоковый разделительный клапан (Heimeir, Германия); г - тер-моэлектрический привод штокового клапана (Honeywell, Германия); д - циркуляционный насос (Grundfos, Дания)

Такой контроллер как E8.5064 («топовая» модель упомянутой выше серии E8) способен одновременно управлять двухступенчатым котлом, двумя независимыми отопительными контурами со смесительными клапанами и насосами, контуром ГВС, твердотопливным теплогенератром и солнечным коллектором. При этом измеряется и поддерживается температура в двух раздельных помещениях. При использовании модулей расширения, управляемых по цифровой шине, число независимых отопительных контуров может быть увеличено до 16, а число котлов или ступеней их мощности - до восьми.

При необходимости в системе отопления должны быть также учтены требования эффективного расхода энергии при совместной работе различных источников (например, электрический и твердотопливный котлы, тепловой насос, гелиоустановка) и потребителей (радиаторы, «теплый пол», система ГВС) тепловой энергии.

В современных котроллерах отопления это предусмотрено в качестве штатной функции или за счет использования дополнительных модулей расширения.

Возможность дистанционного управления системой отопления позволяет достичь дополнительного комфорта в случае, если обслуживаемое помещение посещается нерегулярно. Рассматриваемая функция реализуется, если у контроллера системы отопления предусмотрена возможность изменения режима работы посредством внешней шины, которая также часто используется для конфигурирования и ввода рабочих параметров устройства через персональный компьютер. В контроллерах различных производителей это реализовано по-разному. Например, в регуляторе EV87 фирмы Fantini Cosmi (Италия) возможность двустороннего обмена данными обеспечивается с помощью интерфейса RS-232 и открытого протокола обмена данными, поддерживаемого GSM-модемом; управление производится посредством SMS-команд.

Ряд современных контроллеров поддерживает удаленный мониторинг состояния отапливаемого объекта и системы отопления. Это используется для отслеживания внештатных ситуаций в работе системы, регистрации выхода температур за пределы установленных значений, накопления статистик для точной настройки параметров регулирования, проведения планового техобслуживания.

Минимальная тепловая инерционность системы позволяет достичь технических и экономических преимуществ.

Рассматриваемый параметр влияет на скорость протекания переходных процессов (нагрева и охлаждения теплоносителя) в котле и отопительных приборах. При высокой инерционности в системе отопления имеют место такие негативные эффекты как перерегулирование, колебательный характер и высокая длительность переходных процессов. Помимо дополнительных затрат энергии, возникающих вследствие неэффективного управления, указанные процессы сокращают ресурс отопительного оборудования.

Снизить инерционность системы можно за счет оптимизации ее конструкции на основании предварительно проведенных теплового и гидравлического расчетов, уменьшения объема теплоносителя и металлоемкости - за счет выбора оптимальных сечений гид-равлических магистралей и установки теплоотдающих приборов с минимальной емко-стью.

Журнал "Аква-Терм" №6(58)

C. Дейнеко

Погодозависимое регулирование для тепловых пунктов централизованных систем отопления Во времена СССР регулирование температуры теплоносителя, подаваемого в централизованные системы отоплении зданий, осуществлялось на ТЭЦ, котельных и элеваторных узлах центральных (ЦТП) и индивидуальных (ИТП) тепловых пунктов зданий. Однако из-за большой протяженности трубопроводов и, связанной с этим инерционности систем, реального эффекта это не давало. В ЦТП или ИТП при этом были установлены элеваторные узлы, которые не позволяли производить количественное регулирование теплоносителя. Соответственно, температура воды, поступающей в систему отопления, изменялась в зависимости от температуры приходящего от ТЭЦ или котельной теплоносителя, а расход оставался постоянным. Современные контроллеры позволяют осуществлять качественно-количественное регулирование систем отопления, и, таким образом, экономить значительную часть энергоресурсов. Рассмотрим типовые схемы применения контроллеров, предлагаемые компанией Honeywell

Современные контроллеры позволяют управлять несколькими схемами, каждая из которых может быть модифицирована путем изменения параметров настройки. Рассмотрим несколько схем автоматизации работы теплового пункта с применением погодозависимого регулирования.

Схема независимого присоединения системы отопления (рис. 1) позволяет не только разделить контуры внутренней системы отопления от контура центральной тепловой сети, производить регулирование температуры обратного потока первичной стороны (температуры теплоносителя поступающего после теплообменника к источнику тепла), а также осуществлять погодозависимое управление температурой внутренней системы отопления (вторичная сторона). При этом температура теплоносителя, находящегося в системе отопления здания, изменяется в зависимости от выбранного температурного графика и колебаний температуры наружного воздуха.

Рис. 1. Схема независимого присоединения системы отопления:
SDC7-21N - котроллер; AF - датчик температуры наружного воздуха; VFB, WF - датчики температуры теплоносителя; V1 - двухходовой регулирующий клапан; DKP - циркуляционный насос системы отопления; SDW - датчик температуры внутреннего воздуха или комнатный модуль для удаленного регулирования

Управление температурой теплоносителя системы отопления осуществляется с помощью двухходового регулирующего клапана (V1), (клапан может устанавливаться и на подающем трубопроводе Т1), а циркуляция - за счет работы циркуляционного насоса системы отопления (DKP). Клапан регулирует количество теплоносителя, поступающего в теплообменник для нагрева воды, циркулирующей во внутренней системе отопления в зависимости от показаний датчиков температуры теплоносителя (WF и VFB). В зависимости от температуры наружного воздуха (AF) и выбранного температурного графика происходит изменение температуры теплоносителя, циркулирующего во внутренней системе отопления (вторичный контур). Среди возможных настроек индивидуальных характеристик нагрева системы - выбор типа задания в зависимости от ограждающих конструкций, особенностей внутренней системы отопления, временных режимов работы в зависимости от времени суток и дня недели, функция защиты от замерзания, периодическое включение циркуляционного насоса в летнее время.

Контроль температуры воздуха в отапливаемых помещениях осуществляется за счёт использования датчика температуры внутреннего воздуха или комнатного модуля (SDW), который может использоваться в качестве выносного пульта управления.

Неисправности в работе системы отображаются на дисплее контроллера. Это, например, обрыв датчика или ситуация, когда невозможно достичь заданного значения температуры теплоносителя. При использовании схемы с одним контуром системы отопления и одним контуром системы ГВС (рис. 2), возможно достичь погодозависимого регулирования температуры обратного потока первичной стороны и управление в зависимости от температуры наружного воздуха контуром отопления, а также поддержания фиксированного значения температуры в системе ГВС.

Рис. 2. Схема независимого присоединения системы отопления и системы ГВС:
MVC80 - котроллер; AF - датчик температуры наружного воздуха; VFB1, VFB2, VF1, SF - датчики температуры теплоносителя; V1, V2 - двухходовые регулирующие клапаны; P1 - циркуляционные насосы системы отопления; P2 - циркуляционные насосы системы ГВС; PF - подпиточный насос системы отопления; SV1 - подпиточный клапан системы отопления; PS1 - реле давления

Управление осуществляется посредством регулирующих клапанов (V1 и V2), работы циркуляционных насосов системы отопления и ГВС (P1 и P2).

Автоматическая подпитка системы топления осуществляется за счет установки, подпиточного насоса (PF) и клапана (SV1). Если реле минимального давления вторичной стороны (PS1) генерирует некритическую тревогу, то открывается клапан подпитки SV1 и включается насос PF контура подпитки. Настройка пользовательских характеристик осуществляется аналогично предыдущему варианту.

При использовании схемы с одним контуром системы отопления и контуром системы ГВС с двухступенчатым теплообменником (рис. 3), можно достичь погодозависимого регулирования температуры общего обратного потока первичной стороны и погодозависимое управление контуром отопления, а также поддержания фиксированной температуры в системе ГВС. Нагрев холодной воды для санитарных нужд осуществляется за счет использования тепла от теплоносителя после теплообменника системы отопления, а догрев воды до необходимой температуры и её поддержание в системе ГВС - за счет работы второй ступени нагрева и регулирующего клапана (V2).

Рис. 3. Схема управления системой отопления и ГВС с двухступенчатым теплообменником:
MVC80 - котроллер; AF - датчик температуры наружного воздуха; VFB1, VF1, SF - датчики температуры теплоносителя; V1, V2 - двухходовые регулирующие клапаны; P1 - циркуляционные насосы системы отопления; P2 - циркуляционные насосы системы ГВС; PF - подпиточный насос системы отопления; SV1 - подпиточный клапан системы отопления; PS1 - реле давления

Схема независимого присоединения двух контуров отопления показана на рис. 4. Она применяется для погодозависимого регулирования температуры обратного потока (VFB) первичной стороны через клапан V1.

Рис. 4. Схема независимого последовательного присоединения двух контуров отопления:
SDC9-21N - котроллер; AF - датчик температуры наружного воздуха; VFB, WF, VF1 - датчики температуры теплоносителя; V1 - двухходовой регулирующий клапан; MK1 - привод смесительного клапана; P1 - циркуляционный насос смесительного контура системы отопления; DKP - циркуляционный насос прямого контура системы отопления; RLF1 - датчик температуры теплоносителя из системы отопления; SDW - датчик температуры внутреннего воздуха или комнатный модуль для удаленного регулирования, TKM - аварийный термостат для предотвращения перегрева теплоносителя

Данная схема позволяет достичь управления смесительным контуром системы «теплых полов» и прямым контуром радиаторной системы отопления с погодной компенсацией или с постоянной температурой.

Управление осуществляется посредством работы двухходового регулирующего клапана V1), трехходового смесительного клапана (MK1), а также циркуляционными насосами (P1) смесительного контура и насосом прямого контура системы отопления (DKP). Регулирование температуры обратной воды (VFB) производится в соответствии с настраиваемым температурным графиком.

Для регулирования температуры теплоносителя зависимых систем отопления (в которой сетевая вода от источника тепла поступает и во внутреннюю систему отопления) применяется трехходовой смесительный клапан (МК1) (рис. 5). Перед регулирующим клапаном устанавливается регулятор перепада давления, а в случае, когда давления в обратном сетевом трубопроводе (Т2) недостаточно для нормального гидравлического режима работы системы отопления, на выходе из системы отопления после смесительной перемычки может быть установлен регулятор давления «до себя». Также циркуляционный насос системы отопления (P1) может быть установлен не на подающем трубопроводе системы отопления (как показано на рис. 5), а на обратном трубопроводе.

К.т.н. А.Г. Батухтин, директор Технопарка Забайкальского государственного университета;
М.В. Кобылкин, аспирант кафедры ТЭС Забайкальского государственного университета, г. Чита

В настоящее время все большее внимание в развитии энергетики получают технологии, направленные на оптимизацию уже имеющихся технологических решений с целью энергосбережения. Такой подход обусловлен как политической стратегией развития энергетики России, что отражено в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», так и конкуренцией существующих систем централизованного теплоснабжения при современных рыночных отношениях в энергетике. Особенно актуально встает вопрос о повышении конкурентоспособности существующих ТЭЦ как основы теплофикации РФ. При этом сложная экономическая ситуация и отсутствие свободных финансовых ресурсов у генерирующих компаний вызывает необходимость изыскивать малозатратные методы энергосбережения .

На сегодняшний день разработано множество способов оптимизации отпуска тепловой энергии от ТЭЦ потребителям с учетом особенностей функционирования тепловых сетей как в системах с открытым водоразбором на нужды ГВС , так и закрытым .

Прогрессирующее развитие техники и в том числе электроники способствовало развитию сложных систем автоматического регулирования. Современная система автоматического регулирования (САР) обладает рядом преимуществ, которых было затруднительно добиться в начале прошлого века, когда становилось централизованное теплоснабжение. В настоящее время одним из главных достоинств САР является возможность реализации сложных законов автоматического регулирования, кроме того, в большинство стандартных систем заложена возможность перепрограммирования, т.е. изменения законов регулирования и управления системой . В таких условиях приобретают значительную актуальность автоматизированные системы регулирования, позволяющие минимизировать теплопотребление, при этом создавая комфортные температурные условия для потребителей.

Существующие автоматизированные системы способны максимально точно отслеживать множество параметров, как теплоносителя, так и воздуха внутри помещений и за пределами здания, и, как следствие, способны к регулированию теплопотребления на достаточно высоком уровне. Однако подобные системы включают в себя большое количество элементов, установка которых необходима на каждом потребителе системы, вследствие чего основным недостатком таких систем являются значительные капитальные затраты и затраты на обслуживание при внедрении автоматики для группы потребителей.

Для решения проблемы затрат на оборудование предлагается внедрение запатентованной автоматизированной системы регулирования расхода теплоносителя для теплоснабжения групп потребителей (рис. 1), при которой полный комплект автоматики устанавливается только на потребителе с максимальной тепловой нагрузкой (автоматизированный потребитель), на остальных потребителях системы (неавтоматизированные потребители) устанавливают только датчики температуры внутреннего воздуха и датчики расхода теплоносителя .

Рис. 1. Автоматизированная система регулирования расхода теплоносителя:

1 - источник тепла, 2 - автоматизированный потребитель, 3 - неавтоматизированный потребитель, 4 - теплоэнергопроцессор (ТЭП), 5 - подающий трубопровод, 6 - обратный трубопровод, 7 - датчик расхода теплоносителя, 8 - регулятор расхода теплоносителя, 9 - комплекс датчиков автоматизированного потребителя, включающий в себя датчики расхода, температуры и давления теплоносителя, 10 - циркуляционный насос, 11 - датчик температуры внутреннего воздуха, 12 - датчик температуры наружного воздуха.

Система работает следующим образом: при изменении параметров окружающей среды таким образом, что появляется необходимость повышения тепловой нагрузки потребителей, ТЭП 4 дает сигнал на регулятор расхода 8 для повышения расхода теплоносителя на автоматизированного потребителя 2, что позволяет поддерживать заданную температуру внутреннего воздуха автоматизированного потребителя 2, в то же время неавтоматизированный потребитель 3 начинает испытывать дефицит тепловой энергии, что приводит к постепенному снижению его температуры внутреннего воздуха, отслеживаемой датчиком 11. При снижении температуры внутреннего воздуха неавтоматизированного потребителя 3 до нижнего установленного предела, ТЭП 4 дает сигнал на регулятор расхода 8 для снижения расхода теплоносителя на автоматизированного потребителя 2, что приводит к увеличению расхода на неавтоматизированного потребителя 3 за счет увеличения напора в теплосети. Снижение расхода на автоматизированного потребителя производится до тех пор, пока расход на неавтоматизированного потребителя 3 не достигнет минимального необходимого значения.

При помощи датчика расхода 7 ТЭП 4 отслеживает изменение расхода на неавтоматизированного потребителя, после достижения минимального необходимого значения расхода, ТЭП 4 перестает подавать сигнал на регулятор расхода 8, тем самым стабилизируя систему, после чего начинается прогрев неавтоматизированного потребителя 3, а автоматизированный потребитель 2 постепенно охлаждается, расходуя аккумулированное тепло. Как только температура внутреннего воздуха неавтоматизированного потребителя 3 достигнет верхнего установленного предела, или температура внутреннего воздуха автоматизированного потребителя 2 опустится до нижнего установленного предела, ТЭП 4 возвращает систему в исходное состояние.

Таким образом, циклы перераспределения расходов позволяют соблюсти температурный режим подключенных к тепловым сетям потребителей без установки дополнительных устройств регулирования, что позволяет экономить капитальные затраты на установку устройств автоматики и затраты на их обслуживание.

Поскольку принцип работы схемы основан на гидравлических зависимостях в тепловых сетях, то на нее накладывается ряд ограничений в использовании, так для сетей с «хорошей» гидравликой данный метод будет малоэффективным в связи с незначительной зависимостью между расходом теплоносителя и перепадом давления в теплосети. Но, несмотря на это, особую актуальность схема принимает для тупиковых сетей с ухудшенными гидравлическими показателями, что можно показать на примере зданий Забайкальского государственного университета.

В составе Забайкальского государственного университета имеются два здания, расположенные на одном ответвлении от магистральной тепловой сети, с нагрузками 1,2 и 0,3 Гкал/ч соответственно для первого и второго здания. После проведения мероприятий по автоматизации первого здания было замечено, что при увеличении нагрузки на первом здании, второе здание начинает испытывать дефицит тепловой энергии, в связи с чем был предложен проект автоматизации второго здания для сокращения полученного дефицита, стоимость которого составляет порядка 900 тыс. руб.

В ходе ряда экспериментов было установлено, что при существующих гидравлических условиях и при расчетных параметрах изменение расхода теплоносителя у первого потребителя на 8 т/ч приводит к изменению расхода у второго потребителя в среднем на 1 т/ч, что при соответствующих нагрузках дает большой диапазон для регулирования, тем самым позволяя внедрить вышеизложенную схему. Причем стоимость модернизации существующей схемы, при которой первое здание уже имеет полный комплекс автоматики, до вышеизложенной составляет около 20 тыс. руб. Таким образом, внедрение данной автоматизированной системы регулирования позволит сократить капитальные затраты на 97,7% от первоначальной стоимости проекта.

Помимо локального использования системы для конкретных зданий, вышеизложенный принцип регулирования может быть осуществлен и в более широких рамках. Так, в условиях современной городской застройки, к сетям централизованного теплоснабжения присоединяются не только единичные здания с автоматизированной системой отопления, но и микрорайоны, состоящие из десятков зданий, обладающих современной автоматикой. Работа автоматики таких микрорайонов во многих случаях оказывает достаточно сильное гидравлическое влияние на остальных потребителей системы, находящихся на большом расстоянии друг от друга, что может приводить к дефициту тепла в некоторых районах города. Принцип регулирования в подобном случае можно продемонстрировать на примере теплосетей города Читы.

К городским теплосетям (рис. 2), источником тепла в которых является , подключен микрорайон «Октябрьский» с общей тепловой нагрузкой 14 Гкал/ч, обладающий комплексной системой автоматики с единым центром управления для всего микрорайона. При регулировании нагрузки в масштабах микрорайона неизбежно значительное изменение расходов в теплосетях города, а с учетом их протяженности такое регулирование приводит к изменению располагаемого напора у остальных потребителей (особенно у концевых, с недостаточными напорами).

Первым этапом, перед применением принципа автоматического регулирования групп потребителей, является определение района, на который будет оказываться наибольшее влияние вследствие изменения нагрузки в микрорайоне «Октябрьский». Влияние микрорайона «Октябрьский» определяется на основании гидравлического расчета теплосети ТЭЦ-1 - Город при переменной нагрузке на микрорайон. Имея значительное количество потребителей в системе теплоснабжения, гидравлический расчет целесообразно проводить с применением современных систем математического моделирования теплосетей. Создание максимально приближенной к реально существующим гидравлическим условиям математической модели теплосети ТЭЦ-1 - Город позволило оценить и сравнить влияние изменения нагрузки микрорайона для всех потребителей системы. Согласно расчетам, наибольшее влияние «Октябрьский» оказывает на микрорайон «Сосновый бор» с общей тепловой нагрузкой 26,5 Гкал/ч, находящийся на удалении порядка восьми километров от «Октябрьского». Причем изменение нагрузки «Октябрьского» на 50% в сторону уменьшения или увеличения приводит к изменению располагаемого напора перед микрорайоном «Сосновый бор» в среднем на 20% от расчетного значения, что говорит о сильной гидравлической зависимости микрорайонов.

Следующим этапом является установка датчика расхода перед микрорайоном «Сосновый бор», а также установка датчиков температуры внутреннего воздуха в контролируемых зданиях, и обеспечение связи между датчиками в «Сосновом бору» и единым контроллером в «Октябрьском». Установка датчиков температуры внутреннего воздуха необязательна для всех зданий микрорайона, достаточно установить датчики на зданиях, находящихся в наихудших условиях, таким образом, обеспечив теплом эти здания, мы заведомо обеспечиваем теплом остальные здания микрорайона. Выбор контролируемых зданий можно осуществить также исходя из расчетов в математической модели.

После установки датчиков и создания связи между ними и контроллером, становится возможным осуществление процесса регулирования расхода теплоносителя, аналогично методу, описанному выше для группы зданий.

Использование взаимосвязей удаленных потребителей (автоматизированного и неавтоматизированного) позволяет осуществлять качественное теплоснабжение «проблемного» района теплопотребления. Применение периодического натопа с учетом неравномерности в течение суток влияния автоматики мкр. «Октябрьский» на режим работы тепловой сети (6 часов вместо 24) позволяет экономить порядка 3,4 млн руб. за отопительный период.

В заключение можно отметить, что использование данной гидравлической зависимости на практике для таких крупных районов теплопотребления являлось вынужденной мерой (хотя и характеризовалось значительным экономическим эффектом). На основе выявленных тонких мест системы централизованного теплоснабжения, был разработан ряд мероприятий для сокращения столь сильного влияния, в итоге в «Сосновом бору» (ТК-2-27) была установлена дополнительная насосная, а также произведена модернизация уже имеющейся. Таким образом, автоматизированная система регулирования расхода теплоносителя для теплоснабжения групп потребителей, являясь альтернативным решением, позволяет значительно экономить не только капитальные затраты, но и затраты на дальнейшее обслуживание.

Работа по разработке энергоэффективных систем централизованного теплоснабжения проводится в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, а также гранта Президента РФ по поддержке молодых ученых, кандидатов наук.

Литература

1. Батухтин А.Г. Оптимизация отпуска теплоты от ТЭЦ на основе математического моделирования с учетом функционирования различных типов потребителей: автореф. дис. канд. техн. наук/ А.Г. Батухтин. - Улан-Удэ: ВСГТУ, 2005. - 16 с.

2. Маккавеев В. В. Практическое применение некоторых методик оптимизации режимов отпуска теплоты / В.В. Маккавеев, О.Е. Куприянов, А.Г. Батухтин// Промышленная энергетика. 2008. - № 10 - С. 23-27.

3. Батухтин А.Г. Применение оптимизационных моделей функционирования систем теплоснабжения для снижения себестоимости тепловой энергии и увеличения располагаемой мощности станции/А.Г. Батухтин, В.В. Маккавеев // Промышленная энергетика, 2010. - № 3. С. 7-8.

4. Маккавеев В.В. Математическая модель ряда абонентских вводов закрытых систем теплоснабжения / В.В. Маккавеев, А.Г. Батухтин//Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2009, № 3. - Спб. - С. 200-207.

5. Басс М.С. Комплексный подход к оптимизации функционирования современных систем теплоснабжения / М.С. Басс, А.Г. Батухтин//Теплоэнергетика, 2011, № 8. - С. 55-57.

6. Батухтин А.Г. Методы повышения эффективности и увеличения располагаемой мощности систем централизованного теплоснабжения/А.Г. Батухтин//Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, 2010. - № 1. - С. 189-192.

7. Батухтин А.Г., Кобылкин М.В., Кубряков К.А. Автоматизированная система регулирования расхода теплоносителя для теплоснабжения группы потребителей // Патент России № 2516114. 2014. Бюл. № 14.

B Системe KAN-therm Tacker (мокрый метод), трубы крепятся к пенополистиролу KAN-therm с пленкой, специальными шпильками при помощи оснастки для монтажа шпилек (анг. tacker). Новинки - пенополистирольные плиты толщиной 50 мм, а также обоймы шпилек, сваренных между собой, значительно облегчающих работу с помощью оснастки для монтажа шпилек и сокращающих время монтажа системы.

Система отопления и водоснабжения KAN-therm

Система KAN-therm предназначена для внутреннего оборудования холодного и горячего водоснабжения, а также центрального и подпольного отопления из труб LPE, PE-Xc, PE-Xc/AL/PE-Xc.

Регулирование теплопотребления зданий - реальная экономия тепла

1. От чего зависит потребление энергии?

Потребление энергии, прежде всего, обусловлено потерями зданием тепла и направлено на их компенсацию, чтобы поддержать желаемый уровень комфорта.

Теплопотери зависят:
от климатических условий окружающей среды;

от конструкции здания и от материалов, из которых они изготовлены;

от условий комфортной среды.

Часть потерь компенсируется внутренними источниками энергии (в жилых зданиях это работа кухни, бытовых приборов, освещения). Остальная часть потерь энергии покрывается системой отопления. Какие потенциальные действия можно предпринять по уменьшению потребления энергии?

• ограничение потерь тепла путем снижения теплопроводности ограждающих конструкций здания (герметизация окон, утепление стен, крыш);
• поддержание подходящей постоянной, комфортной температуры в помещении только тогда, когда там находятся люди;
• снижение температуры в ночное время или в период, когда в помещении нет людей;
• улучшение использования «свободной энергии» или внутренних источников тепла.

2. Что такое благоприятная комнатная температура?

По оценкам специалистов, ощущение «удобной температуры» связано с возможностью тела избавиться от энергии, производимой им.

При нормальной влажности ощущение «удобной теплоты» соответствует температуре около +20°С. Это среднее между температурой воздуха и температурой внутренней поверхности окружающих стен. В плохо изолированном здании, стены которого на внутренней поверхности имеют температуру +16°С, воздух должен быть нагрет до температуры +24°С, чтобы получить благоприятную температуру в комнате.

Ткомф = (16 + 24) / 2 = 20°C

3. Системы отопления подразделяются на:

Закрытые, когда теплоноситель проходит в здании только через приборы отопления и используется только на нужды нагрева; открытые, когда теплоноситель используется для отопления и для нужд горячего водоснабжения. Как правило, в закрытых системах отбор теплоносителя на какие-либо нужды запрещен.

4. Система радиаторов

Системы радиаторов бывают однотрубные, двухтрубные и трехтрубные. Однотрубные - используются, в основном, в бывших республиках СССР и в Восточной Европе. Разработаны для упрощения системы труб. Существует великое множество однотрубных систем (с верхней и нижней разводкой), с перемычками или без них. Двухтрубные - уже появились в России, а ранее имели распространение в странах Западной Европы. Система имеет одну подающую и одну отводящую трубу, а каждый радиатор снабжается теплоносителем с одинаковой температурой. Двухтрубные системы легко регулировать.

5. Качественное регулирование

Существующие в России системы теплоснабжения проектируются на постоянный расход (так называемое качественное регулирование). Отопление базируется на системе с зависимым присоединением к магистралям с постоянным расходом и гидроэлеватором, который уменьшает статическое давление и температуру в трубопроводе к радиаторам путем смешения обратной воды (в 1,8 - 2,2 раза) с первичным потоком в подающем трубопроводе.
Недостатки:
невозможность учета реальной потребности в тепле конкретного здания в условиях колебания давления (или перепада давления между подачей и обраткой);
управление по температуре идет из одного источника (тепловая станция), что приводит к перекосам при распределении тепла во всей системе;
большая инерционность систем при центральном регулировании температуры в подающем трубопроводе;
в условиях нестабильности давления в поквартальной сети гидроэлеватор не обеспечивает надежную циркуляцию теплоносителя в системе отопления.

6. Модернизация систем отопления

Модернизация систем отопления включает в себя следующие мероприятия:
Автоматическое регулирование температуры теплоносителя на вводе в здание, в зависимости от температуры наружного воздуха с обеспечением насосной циркуляции теплоносителя в системе отопления.
Учет количества потребленного тепла.
Индивидуальное автоматическое регулирование теплоотдачи отопительных приборов путем установки на них термостатических вентилей.

Рассмотрим подробно первый пункт мероприятий.

Автоматическое регулирование температуры теплоносителя реализуется в автоматизированном узле управления. Принципиальная схема одного из возможных вариантов построения узла представлена на рисунке 1. Существует достаточно много разновидностей схем построения узла. Это обусловлено конкретными конструкциями здания, системы отопления, различными условиями эксплуатации.

В отличие от элеваторных узлов, устанавливаемых на каждой секции здания, автоматизированный узел целесообразно устанавливать один на здание. С целью минимизации капитальных затрат и удобства размещения узла в здании, максимальная рекомендуемая нагрузка на автоматизированный узел не должна превышать 1,2 - 1,5 Гкал/час . При большей нагрузке рекомендуется устанавливать сдвоенные, симметричные или несимметричные по нагрузке узлы.

Принципиально, автоматизированный узел состоит из трех частей: сетевой, циркуляционной и электронной.
Сетевая часть узла включает в себя клапан регулятора расхода теплоносителя, клапан регулятора перепада давления с пружинным регулирующим элементом (устанавливается по необходимости) и фильтры.
Циркуляционная часть состоит из циркуляционного насоса и обратного клапана (если клапан необходим).
Электронная часть узла включает регулятор температур (погодный компенсатор), обеспечивающий поддержание температурного графика в системе отопления здания, датчик температуры наружного воздуха, датчики температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах и редукторный электропривод клапана регулирования расхода теплоносителя.

Контроллеры отопления были разработаны в конце 40-х годов XX века и, с тех пор, принципиально отличается лишь их исполнение (от гидравлических, с механическими часами, до полностью электронных микропроцессорных устройств).

Основная идея, заложенная в автоматизированный узел - поддержание отопительного графика температуры теплоносителя, на который рассчитана система отопления здания, независимо от температуры наружного воздуха. Поддержание температурного графика наряду с устойчивой циркуляцией теплоносителя в системе отопления осуществляется путем подмеса необходимого количества холодного теплоносителя из обратного трубопровода в подающий с помощью клапана с одновременным контролем температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах внутреннего контура системы отопления.

Совместная деятельность сотрудников ЗАО «ПромCервис» и ПКО «Прамер» (г. Самара) в области разработки контроллеров отопления привела к созданию прототипа специализированного контроллера , на базе которого в 2002 году был создан узел регулирования теплоснабжения административного здания ЗАО «ПромСервис» для отработки алгоритмической, программной и аппаратной частей управляющего системой контроллера.

Контроллер представляет собой микропроцессорный прибор, способный автоматически управлять тепловыми узлами, содержащими до 4 контуров отопления и горячего водоснабжения.

Контроллер обеспечивает:

Счет времени работы прибора с момента включения (с учетом сбоя питания не более двух суток);
преобразование сигналов подключенных преобразователей температуры (термометров сопротивления или термопар) в значения температуры воздуха и теплоносителя;
ввод дискретных сигналов;
генерацию управляющих сигналов для управления частотными преобразователями;
генерацию дискретных сигналов для управления реле (0 - 36 В; 1 А);
генерацию дискретных сигналов для управления силовой автоматикой (220 В; 4 А);
отображение на встроенном индикаторе значений параметров системы, а также значений текущих и архивных значений измеренных параметров;
выбор и настройку системных параметров управления;
передачу и настройку системных параметров работы по удаленным линиям связи.

Измеряя параметры системы, контроллер обеспечивает управление тепловым режимом здания, воздействуя на электропривод регулирующего клапана (клапанов) и, если это предусмотрено системой, на циркуляционный насос.

Регулирование реализуется по заданному температурному графику отопления с учетом реальных измеренных значений температур наружного воздуха и воздуха в контрольном помещении здания. При этом система автоматически производит коррекцию выбранного графика с учетом отклонения температуры воздуха в контрольном помещении от заданного значения. Контроллер обеспечивает снижение на заданную глубину тепловой нагрузки здания в заданный промежуток времени (режим выходного дня и ночной режим). Возможность ввода аддитивных поправок к измеряемым значениям температур позволяет адаптировать режимы работы системы регулирования к каждому объекту с учетом его индивидуальных характеристик. Встроенный двустрочный индикатор обеспечивает просмотр измеренных и заданных параметров посредством простого и понятного пользовательского меню. Архивные значения параметров можно просматривать как на индикаторе, так и передавать их на компьютер по стандартному интерфейсу. Предусмотрены функции самодиагностики системы и калибровки каналов измерения.

Узел учета и регулирования теплоснабжения административного здания ЗАО «ПромСервис» спроектирован и смонтирован летом 2002 года на закрытой системе отопления с нагрузкой до 0,1 Гкал/час с однотрубной системой радиаторов. Несмотря на относительно небольшие габариты и этажность здания, система отопления содержит некоторые особенности. На выходе из теплового узла система имеет несколько петель горизонтальной разводки на этажах. При этом существует разделение системы отопления на контуры по фасадам здания. Коммерческий учет потребленного тепла обеспечивается теплосчетчиком СПТ-941К, в составе которого: термометры сопротивления типа ТСП-100П; преобразователи расхода ВЭПС-ПБ-2; тепловычислитель СПТ-941. Для визуального контроля температуры и давления теплоносителя используются комбинированные стрелочные приборы Р/Т.

Система регулирования состоит из следующих элементов:
контроллера К;
поворотного клапана с электроприводом ПКЭ;
циркуляционного насоса Н;
датчиков температуры теплоносителя в подающем Т3 и обратном Т4 трубопроводах;
датчика температуры наружного воздуха Тн;
датчика температуры воздуха в контрольном помещении Тк;
фильтра Ф.

Датчики температуры необходимы для определения реальных текущих значений температур для принятия решения контроллером об управлении клапаном ПКЭ на их основе. Насос обеспечивает устойчивую циркуляцию теплоносителя в системе отопления здания при любом положении регулирующего клапана.

Ориентируясь на теплотехнические параметры системы отопления (температурный график, давление в системе, условия работы) в качестве регулирующего элемента был выбран поворотный трехходовой клапан HFE с электроприводом АМВ162 производства фирмы «Данфосс». Клапан обеспечивает смешение двух потоков теплоносителя и работает при условиях: давление - до 6 бар, температура - до 110°С, что вполне соответствует условиям использования. Применение трехходового регулирующего клапана позволило отказаться от установки обратного клапана, традиционно устанавливаемого на перемычку в системах регулирования. В качестве циркуляционного насоса используется бессальниковый насос UPS-100 фирмы «Грундфос». Датчики температуры - стандартные термометры сопротивления ТСП. Для защиты клапана и насоса от воздействия механических примесей используется магнитно-механический фильтр ФММ. Выбор импортного оборудования обусловлен тем, что перечисленные элементы системы (клапан и насос) зарекомендовали себя как надежное и неприхотливое в эксплуатации оборудование в достаточно тяжелых условиях. Несомненным преимуществом разработанного контроллера является то, что он способен работать и электрически стыкуется как с достаточно дорогим импортным оборудованием, так и позволяет использовать широко распространенные отечественные приборы и элементы (например, недорогие, по сравнению с импортными аналогами, термометры сопротивления).

7. Некоторые результаты эксплуатации

Во-первых . За период эксплуатации узла регулирования с октября 2002 г. по март 2003 г. не зафиксировано ни одного отказа какого-либо элемента системы. Во-вторых . Температура в рабочих помещениях административного здания поддерживалась на комфортном уровне и составила 21 ± 1 °С при колебаниях температуры наружного воздуха от +7°С до -35°С. Уровень температуры в помещениях соответствовал заданной, даже при условии подачи из теплосети теплоносителя с заниженной относительно температурного графика температурой (до 15°С). Температура теплоносителя в подающем трубопроводе менялась за это время в пределах от +57°С до +80°С. В-третьих . Применение циркуляционного насоса и балансировки контуров системы позволило достичь более равномерного теплоснабжения помещений здания. В-четвертых . Система регулирования позволила при соблюдении комфортных условий в помещениях здания снизить общее количество потребленного тепла.

Если рассмотреть изменение режима теплоснабжения в течение суток и недели при активированных функциях контроллера понижения температуры теплоносителя на подаче в ночные часы и выходные дни, то получается следующее. Контроллер позволяет эксплуатирующему персоналу выбирать длительность ночного режима и его «глубину», то есть величину понижения температуры теплоносителя относительно заданного температурного графика в заданный период времени исходя из особенностей здания, графика работы персонала и т.д. Например, эмпирическим путем нам удалось подобрать следующий ночной режим. Начало в 16 часов, окончание в 02 часа.

Понижение температуры теплоносителя на 10°С. Какие же получились результаты? Снижение потребления тепла в ночной режим составляет 40 - 55% (зависит от температуры наружного воздуха). При этом температура теплоносителя в обратном трубопроводе снижается на 10 - 20 °С, а температура воздуха в помещениях - всего на 2-3°С. В первый час после окончания ночного режима начинается режим повышенного теплоснабжения «натоп», при котором потребление тепла относительно стационарного значения достигает 189%. Во второй час - 114%. С третьего часа - режим стационарный, 100%. Эффект экономии значительно зависит от температуры наружного воздуха: чем выше температура, тем сильнее выражен эффект экономии. Например, снижение теплопотребления при введении «ночного» режима при температуре наружного воздуха около -20°С составляет 12,5%. При повышении среднесуточной температуры эффект может достигать и 25%. Аналогичная, но еще более выгодная ситуация возникает при реализации режимов «выходного дня», когда задается понижение температуры теплоносителя на подаче в выходные дни. Нет необходимости поддерживать комфортную температуру во всем здании, если в нем никого нет.

Выводы

Полученный опыт эксплуатации системы регулирования показал, что экономия потребляемого тепла при регулировании теплоснабжения, даже при несоблюдении температурного графика теплоснабжающей организацией, реальна и может достигать при определенных погодных условиях до 45% в месяц.
Использование разработанного прототипа контроллера позволило упростить систему регулирования и снизить ее стоимость.
В системах отопления с нагрузкой до 0,5 Гкал/час возможно использование достаточно простой и надежной семиэлементной системы регулирования, способной обеспечить реальную экономию средств, при сохранении комфортных условий в здании.

Простота работы с контроллером и возможность задания с клавиатуры многих параметров позволяет оптимально настроить систему регулирования, исходя из реальных теплофизических характеристик здания и желаемых условий в помещениях.
Эксплуатация системы регулирования в течение 4,5 месяцев показала надежную, устойчивую работу всех элементов системы.

ЛИТЕРАТУРА
Контроллер РАНК-Э. Паспорт.
Каталог автоматических регуляторов для систем теплоснабжения зданий. ЗАО «Данфосс». М., 2001 г., с.85.
Каталог «Бессальниковые циркуляционные насосы». «Грундфосс», 2001 г.

С. Н. Ещенко, к.т.н., технический директор ЗАО «ПромСервис», г. Димитровград. Контакты: [email protected]

Уважаемые читатели! С момента публикации этой статьи в ассортименте нашей компании, практике применения оборудования, нормативных документах могли произойти изменения. Предлагаемая вам информация полезна, однако носит исключительно ознакомительный характер.

Достоинства отопления помещений водяными теплыми полами неоднократно рассмотрены в многочисленных публикациях, и лишний раз ломиться в открытые ворота смысла нет.

Однако почему-то, когда речь заходит о необходимости погодного регулирования температуры теплоносителя в контуре напольного отопления, большинство хозяев относится к этому мероприятию как к модному, но совершенно ненужному «навороту». «Зачем мне нужен ваш контроллер? Обычные комнатные термостаты прекрасно справятся с задачей регулирования температуры воздуха в помещениях!» - такие возражения, как правило, выдвигает заказчик, когда проектировщик пытается включить в проект отопления погодозависимое управление контурами теплого пола. И дело вовсе не в прижимистости и скупости - просто люди толком не понимают, что делает контроллер, и каково основное отличие его работы от управления обычными комнатными термостатами. Давайте попробуем разобраться в этом вопросе.

Для примера рассмотрим абстрактный проект системы встроенного обогрева «теплый пол». Расчетные удельные теплопотери отапливаемых помещений примем равными 80 Вт/м 2 площади пола. Здесь следует напомнить, что расчетные теплопотери определяются по температуре наружного воздуха для наиболее холодной пятидневки отопительного периода. В частности, для Санкт-Петербурга теплопотери будут рассчитываться для температуры наружного воздуха -26 °С.

Конструкцию пола примем такой, как показано на рис. 1 : по многопустотной плите перекрытия (1 ) толщиной 22 см уложен слой теплоизоляции из пенополистирола (2 ) толщиной 5 см. Трубы теплого пола расположены в стяжке (3 ) общей толщиной 70 мм, по которой устроен чистый пол из керамической плитки (4 ) толщиной 15 мм.

Рис. 1. Расчетная конструкция теплого пола

Для определения требуемой температуры теплоносителя воспользуемся расчетным модулем программы VALTEC.PRG 3.1.0 (рис. 2 ).

Рис. 2. Копия экрана расчетного модуля программы V ALTEC .PRG 3.1.0

На основании выполненного расчета среднюю температуру теплоносителя примем 35 °С. При расчетном перепаде температур в контуре теплого пола 10 °С смесительный узел будет настроен на температуру теплоносителя 40 °С.

При температуре наружного воздуха -26 °С данная настройка обеспечит требуемые теплопоступления в помещение в количестве q расч = 80 Вт/м 2 и поддержание температуры воздуха в помещении на уровне 20 °С.

Допустим, температура наружного воздуха повысилась c -26 до -3°С. Удельные теплопотери помещения составили бы в этом случае 40 Вт/м 2 . Однако это было бы справедливо, если бы температура внутреннего воздуха поддерживалась на уровне 20 °С. Фактически же с учетом избыточного теплопритока от теплого пола температура внутреннего воздуха будет значительно выше. Решая уравнение теплового баланса, можно определить, что при отсутствии комнатных термостатов и контроллеров внутренний воздух в помещении прогреется до 26 °С, а фактические удельные теплопотери и удельный тепловой поток от теплого пола составят 50 Вт/м 2 .

Посмотрим, что произойдет в межсезонье, то есть при температуре наружного воздуха +8 °С. Теоретические удельные теплопотери снизятся до 21 Вт/м 2 . Температура внутреннего воздуха прогреется до 28 °С. Фактический тепловой поток от теплого пола составит 35 Вт/м 2 (см. табл. и рис. 3 ).

Таблица. Параметры системы теплого пола при отсутствии автоматического регулирования

Температура наружного воздуха, °С	Теоретические удельные теплопотери, Вт/м2	Фактический тепловой поток от теплого пола, Вт/м2	Температура внутреннего воздуха при отсутствии автоматического регулирования, °С

Рис. 3. График зависимости требуемой температуры теплоносителя от температуры наружного воздуха

Как видим, без автоматического регулирования работой петель теплого пола, говорить о каком-то комфорте просто смешно.

Допустим, мы решили поставить комнатные термостаты , которые управляют электротермическими сервоприводами клапанов на коллекторе теплого пола (рис. 4 ).

Рис. 4. Комнатный электронный термостат VT.AC.701

Работают термостаты по элементарному принципу: при превышении заданной температуры на 1 °С термостат подает команду на термоэлектрический сервопривод термостатического клапана (рис. 5 ), прекращая подачу теплоносителя в конкретную петлю теплого пола.

Рис. 5. Термоэлектрический сервопривод термостатического клапана

Когда температура воздуха в помещении снова понизится до значения уставки, термостат даст команду на открытие клапана. Как мы выяснили, в межсезонье тепловой поток от пола должен составлять 21 Вт/м 2 , что почти в четыре раза меньше расчетного. Это значит, что мы будем иметь дело с режимом прерывистого отопления.

При прекращении подачи теплоносителя в петли теплого пола, скорость остывания помещения описывается экспонентой, из которой следует, что время остывания τ , ч, определяется выражением:

где t x - температура помещения после остывания, °С; t в - температура помещения до начала остывания, °С; t н - температура наружного воздуха, °С; β - коэффициент аккумуляции теплоты помещением (постоянная времени), ч. Этот коэффициент представляет из себя произведение теплоемкости расчетных слоев ограждающих конструкций С , участвующих в теплообмене, на их приведенное сопротивление теплопередаче R пр. Коэффициент аккумуляции численно равен времени остывания, при котором отношение температурных напоров между внутренней и наружной температурами до начала охлаждения и после охлаждения равно числу «e» (2,72).

В предложенном примере комнатный термостат даст команду на закрытие клапана при превышении уставки на 1 °С. Если термостат настроен на значение внутренней температуры 20 °С, то он перекроет петли при температуре 21 °С.

Если принять для рассматриваемого примера, что здание выполнено с кирпичными наружными стенами толщиной 640 мм и коэффициентом остекления 0,2 (β = 100 ч), то можно рассчитать время, за которое температура в данном помещении снизится на 1 °С при наружной температуре +8 °С:

При этом температуры воздуха и пола практически уравниваются.

Через это время термостат даст команду на открытие клапана, и теплый пол снова начнет нагреваться. Время, за которое пол снова нагреется с 20 до 26 °С можно (с определенными допущениями) рассчитать по формуле:

τ пол = Δt · (с cт · S cт · δ ст · γ ст + с п · S п · δ п · γ п + с т · (1/b) · v т · γ т)/q расч =

6 · (880 · 1·0,07 · 1800 + 840 · 1 · 0,015 · 2000 + 4187 · (1/0,15) · 0,000113 · 1000)/80 = 2,9 ч.

В приведенной формуле с ст, с п, с т - удельная теплоемкость стяжки, плиточного покрытия и воды, Дж/кг · °С; S ст, S п - расчетная площадь стяжки и плиточного покрытия, м 2 ; δ ст, δ п - расчетная толщина стяжки и плиточного покрытия, м; γ ст, γ п, γ т - удельный вес материала стяжки, плиточного покрытия и воды, кг/м 3 ; v т - объем теплоносителя в 1 пог. м трубы, м 3 ; b - шаг трубы, м.

Таким образом, очевидно, что при использовании комнатных термостатов температура поверхности пола становится заметно изменяющейся величиной и большую часть времени будет лежать вне комфортных пределов. То есть, потратив средства на создание теплого пола, именно полноценного теплого пола-то пользователь в итоге и не получит (рис. 6 ).

Рис. 6. График изменения во времени температуры пола и помещения при прерывистом отоплении

Постоянные знакопеременные нагрузки, вызванные циклическими температурными деформациями трубопроводов, снижают срок службы самих труб, и могут вызвать ослабление трубных соединений. Циклический режим нагрева и охлаждения постепенно снижает прочность цементно-песчаной стяжки и неблагоприятно сказывается на качестве финишных напольных покрытий.

Кроме того, существенным недостатком прерывистого режима отопления является то, что циркуляционный насос основную долю рабочего времени будет гонять теплоноситель по малому кругу - через байпас и перепускной клапан. Это приведет к перерасходу электроэнергии, поскольку перепускной клапан настраивается на перепад давления больший, чем потери давления в расчетной петле, и значит, рабочая точка насоса сдвинется в сторону большей потребляемой мощности. Этого можно избежать, если подключать термостаты к сервоприводам клапанов коллектора через коммуникаторы, имеющие функцию отключения насоса при отсутствии запроса на отопление. Но это лишь полумера.

Если потребитель хочет получить действительно эффективную систему встроенного обогрева, адекватно и оперативно реагирующую на изменение климатических факторов, то в этом случае не обойтись без контроллера с погодозависимой автоматикой.