Принципы построения эффективной системы автономного отопления. Погодозависимое регулирование для тепловых пунктов

⁰

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)

На сегодняшний день потенциал развития традиционных систем теплоснабжения в части увеличения теплопередачи без существенных материальных затрат практически исчерпан. В них достаточно полно выбран максимум эффективности путём применения современного теплоиспользующего оборудования, электронных средств регулирования и контроля потребления и распределения тепловой энергии и теплоносителя. Замена кожухотрубных водоподогревателей на пластинчатые была существенным шагом на пути увеличения турбулизации потока теплоносителя, а, следовательно, увеличении теплопередачи. С одной стороны, это позволило увеличить коэффициент теплопередачи в пределах 10 %, а с другой - возросла склонность к зарастанию, образованию накипи, шлама и прочих отложений, что со временем ведет к снижению коэффициента теплопередачи и повышенным затратам на транспорт теплоносителя. Опрос управленческих компаний региона показал, что на промывку систем теплоснабжения с пластинчатыми теплообменниками ГВС затрачивается до 200 тыс. рублей ежегодно. А в бюджетных организациях из-за ненадлежащей эксплуатации в силу дальнейшей непригодности теплообменники заменяются на новые даже не отработав регламентированный ресурс.

Одним из кардинальных путей решения данной проблемы является перевод циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения из стационарного режима в импульсный. При этом можно использовать несколько эффектов. Во-первых, увеличивается коэффициент теплоотдачи (от 10 до 150 %) движущегося потока в зависимости от частоты и амплитуды пульсаций скорости его истечения, во-вторых, реализуется самоочищение теплопередающих поверхностей оборудования и, в-третьих, появляется возможность использования импульса количества движения теплоносителя, например, для трансформации части располагаемого напора греющего теплоносителя в напор нагреваемого в случае независимого присоединения отопительных установок или для циркуляции воды в системе горячего водоснабжения.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что использование технологии импульсной подачи теплоносителя позволит гарантированно получить:

Снижение удельного расхода топлива на источнике теплоты за счет наиболее улучшенного теплосъема на 5 – 30%;
Увеличение срока службы теплоиспользующего оборудования теплового пункта не мене в 2 раза;
Снижение требований к качеству сетевой воды;
Уменьшение теплопередающих поверхностей теплоиспользующего оборудования за счет возрастания коэффициента теплопередачи при пульсирующем режиме в 1,3 - 2 и более раза;
Снижение материальных затрат на проектирование и монтаж теплового пункта и системы теплоснабжения в целом за счет снижения её общей металлоемкости.
Снижение затрат на транспорт теплоносителя и тепловой энергии в системе теплопотребления при трансформации располагаемого напора высокотемпературного теплоносителя тепловой сети в напор низкотемпературного теплоносителя системы теплопотребления.
Относительная простота реализации пульсирующего режима.

Возможность создания значительного (10 атм и более) располагаемого напора, что необходимо для высотных зданий, без применения повысительных насосов.

В результате реализации проекта предполагается увеличение энергетической эффективности теплоэнергетического оборудования систем теплоснабжения не менее чем в 1,5 раза в традиционной системе теплоснабжения и более чем в 2,5 раза при использовании новых теплоэнергетических устройств, адаптированных применительно к импульсному способу подачи теплоносителя.

Если отключить систему отопления нетеплоемкого здания в 17 часов

при нулевой наружной температуре, то температура в помещениях понизится до + 10 ОС только к двум часам ночи. К этому времени в систему нужно подать на 10 - 15 минут расчетное количество теплоносителя, чтобы поднять температуру до 10,5 -11 ОС, после чего система должна быть снова отключена на 45 - 55 минут. В таком режиме прерывистого отопления система должна работать примерно до 6 часов утра, когда ее нужно включить для непрерывной работы с целью повышения температуры внутреннего воздуха к началу рабочего дня. Вначале эта температура будет повышаться быстро при подаче в систему расчетного количества теплоносителя, потому что тепловая мощность отопительных приборов будет превышать расчетное значение из-за более низкой температуры воздуха, однако с повышением температуры скорость возрастания температуры будет уменьшаться, и до расчетного (18 ОС) значения эта температура теоретически будет возрастать бесконечно долго, если процесс нагревания искусственно не форсировать, подав в систему, начиная с 7 часов 30 минут, увеличенный по сравнению с расчетным значением расход теплоносителя. К 9 часам утра, то есть к началу рабочего дня температура внутреннего воздуха достигнет 18 ОС, и расход теплоносителя должен быть вновь понижен до расчетного значения.

Характер относительного (в долях от расчетных значений) изменения расхода теплоносителя и теплопотребления по часам суток приведен на рис. 6.

Практически полностью прекращать подачу теплоносителя в ночное время было бы неправильно, потому что в этом случае температура воды в обратном трубопроводе системы отопления никак не отражала бы фактическое ее состояние, а это не позволило бы использовать этот важный параметр в качестве сигнала управления работой автоматики. Поэтому минимальный расход теплоносителя должен быть на уровне от 5 до 10% от расчетного значения. Тогда кратковременный максимальный, в период активного натопа расход воды не превысит 140% расчетной величины.

Относительные величины часового теплопотребления будут близкими величинам расхода, однако они не будут в точности равны им из-за того, что температура воды в обратном трубопроводе будет изменяться вместе с изменением расхода. Так, если минимальный расход теплоносителя будет установлен на уровне 5% от расчетного значения, то минимальное теплопотребление составит около 8%. С учетом этой разницы уменьшение суточного теплопотребления при минимальной ночной температуре внутреннего воздуха 10 ОС оценивается величиной 18-20%.

Тепловой пункт

Основным и бесспорным критерием качества современной отопительной системы является ее способность адекватно реагировать средствами автоматического регулирования на изменяющиеся потребности в тепловой энергии отапливаемого здания независимо от того, меняется ли потребность в результате внешних воздействий на здание или в последствие внутренних факторов. В современных тепловых пунктах адекватное реагирование обеспечивается средствами пропорционального качественного регулирования, при котором плавно меняется температура теплоносителя, в то время как расход воды в системе отопления остается неизменным.

Для реализации пропорционального регулирования в тепловом пункте устанавливают циркуляционные насосы, а смешение воды из подающего трубопровода тепловой сети с водой из обратного трубопровода системы отопления обеспечивается регулирующим клапаном, устанавливаемом на подающем трубопроводе, или трехходовым регулирующим клапаном, устанавливаемом в точке смешения. При применении микропроцессорной автоматики можно обеспечить таким способом достаточно эффективное центральное регулирование отопительных систем, хотя, следовало бы отметить, любое центральное регулирование многокомнатного здания не способно в полной мере решить задачу экономного расходования энергии столь же эффективно, как это можно было бы реализовать средствами регулирования местного.

На Украине бесшумные циркуляционные насосы, которые могли бы устанавливаться в тепловых пунктах зданий, не производятся, и потому практически все существующие здания, присоединенные к системам централизованного теплоснабжения, оборудованы элеваторным тепловым вводом. В отличие от электрического циркуляционного насоса насос водоструйный (элеватор) не способен обеспечить пропорциональное регулирование тепловой мощности, потому что при неизменяющемся сопле в нем происходит смешение при неизменной пропорции смешивающихся сред, в то время как процесс регулирования предполагает возможность изменения этой пропорции или, как принято называть, коэффициента смешения. По этой причине на Западе элеватор напрочь отвергнут как устройство для тепловых пунктов. Быть может это произошло еще и потому, что с бесшумными насосами там уже давно проблем никаких не возникает.

Несмотря на то, что современные бесшумные насосы сегодня свободно предлагаются иностранными фирмами на внутреннем рынке Украины, у нас проблем с этим оборудованием будет немало, если оценивать эти проблемы, глядя из темных подвалов и непролазных технических подполий миллионов построенных за последнее десятилетие жилых домов, детских садов, школ и других зданий. Поэтому стоит внимательнее присмотреться к знакомому всем элеватору, которому иногда приписывают недостатки, вовсе не свойственные.

Говорят, что у элеватора низкий КПД, и это было бы справедливо, если бы для его работы необходимо было бы расходовать энергию. На самом деле для работы смешения используют имеющуюся разность давлений в трубопроводах теплоснабжения. Если бы не элеватор, то пришлось бы дросселировать поток теплоносителя, а дросселирование, как известно, - это чистая потеря энергии. Поэтому применительно к тепловым вводам элеватор - это не насос с низким КПД, а устройство для вторичного использования энергии, затраченной на привод циркуляционных насосов ТЭЦ или районной котельной.

Говорят, что элеватор - это устройство, не способное обеспечить заданный коэффициент смешения, потому что сопло должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление в трубопроводах тепловой сети, а коэффициент смешения при этом будет такой, какой получится. К сожалению, на практике часто так и поступают, но это неправильная практика. Сопло не должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление. Избыточное давление должно устраняться регулятором перепада давления или дроссельной шайбой, а сопло элеватора должно подбираться таким образом, чтобы обеспечивался заданный расход воды в системе отопления. Хуже, когда на вводе нет достаточного для работы элеватора располагаемого давления. Так иногда бывает, но тогда и применять элеватор не следует.

Неспособность обеспечить пропорциональное регулирование - это единственный недостаток элеватора, устройства, в целом, очень простого, надежного и непритязательного в эксплуатации.

Посмотрим теперь вновь на характер изменения расхода теплоносителя при программном регулировании тепловой мощности (рис. 6). Здесь не нужно никакого пропорционального изменения расхода сетевой воды, то есть не нужно ничего такого, с чем бы не справился элеватор. Это сразу открывает реальные возможности уменьшить теплопотребление в общественных зданиях, не прибегая к полной и дорогостоящей реконструкции имеющихся тепловых пунктов, которые могли бы быть оснащены так, как показано на рис. 7.

На тепловом вводе устанавливается теплосчетчик (поз. 1-3). Сопло существующего элеватора 4 рассчитывается на обеспечение проектного смешения, а дроссельная шайба 5 -на погашение избыточного давления. В конце рабочего дня должен закрыться электромагнитный клапан 6, имеющий калиброванное отверстие для пропуска 5% теплоносителя при закрытом положении клапана. Одновременно закроется электромагнитный клапан 7, отключающий на часы нерабочего времени систему горячего водоснабжения от источника тепла. Электромагнитный клапан 8 откроется на короткое время перед началом рабочего дня для того, чтобы интенсивно нагреть помещения,

остывшие за ночь. Проток теплоносителя через открытый клапан 8 лимитируется установленной рядом с ним дроссельной шайбой.

Датчики температуры теплоносителя 9 и воздуха 10 дают информацию для электронного регулятора 11, имеющего встроенные часы (таймер). Регулятор командует открытием и закрытием электромагнитных клапанов 6, 7 и 8. Команды могут формироваться на основе информации, полученной от датчиков температуры, установленных в двух контрольных помещениях, расположенных на различных фасадах здания, причем должна приниматься во внимание информация о температуре в самом холодном контрольном помещении, что весьма важно для тех случаев, когда один из фасадов обдувается сильным ветром. Можно воспользоваться также информацией о температуре воды в обратном трубопроводе, с тем, чтобы вычислять продолжительность возможного отключения системы отопления. Например, при температурах наружного воздуха выше +5 ОС регулятор может отключить систему отопления на всю ночь, а при температурах -15 ОС и ниже режим ночного программного регулирования можно отключить.

Тепловой пункт включает в себя также обычные устройства (поз. 12-17) для горячего водоснабжения. К числу этих устройств отнесен также воздухосборник 15 с краном 16 для автоматического выпуска воздуха.

Известно, что в системах горячего водоснабжения большую опасность представляет собой кислородная коррозия. Применяется много устройств, способных подавить эту коррозию (напр. катодная защита, силикатная обработка воды и др.), однако простейшим из таких устройств является воздухосборник с краном, установленные непосредственно после водоподогревателя. Кислород, выделившийся из подогретой воды, выходит в атмосферу до того, как он поступит в трубопроводы.

| скачать бесплатно О возможности практической реализации регулирования теплопотребления зданий методом периодического прерывания потока теплоносителя (страница 2 из 3) , Гершкович В.Ф,

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.

Оснащение дополнительным оборудованием традиционных систем отопления позволяет существенно повысить их эффективность без радикальной реконструкции в ходе модернизации жилого фонда.

Потенциал систем отопления

Для системы водяного отопления энергоэффективный уровень теплопотребления может быть обеспечен при следующем наборе функций и возможностей:
- автоматическое поддержание температурного графика на вводе в здание;
- регулирование теплоотдачи системы, включая термо-регулирование на отопительных приборах и стояках;
- автоматическое поддержание требуемого/расчетного распределения потока теплоносителя по всем участкам системы;
- индивидуальный учет тепла, мотивированный оплатой по фактическому потреблению.

По конструктивному исполнению можно представить следующие основные варианты энергоэффективных систем отопления:
- система с горизонтальной поквартирной разводкой трубопроводов с различными конструктивными вариантами поквартирных тепловых пунктов или распределительных щитов, включающими комбинации автоматики регулирования, теплообменники для контуров отопления и/или ГВС и др.;
- традиционная система отопления с вертикальными внутриквартирными стояками — однотрубная и двухтрубная, комплексно оснащенная приборами автоматического регулирования и учета тепла.

Возможны и другие конструктивные варианты систем и их комбинации.
Для систем с горизонтальной разводкой потенциал энерго-эффективности и набор оборудования, обеспечивающий нормативный уровень теплопотребления, очевидны и описаны в работах многих специалистов. В то же время потенциал повышения энергоэффективности традиционных вертикальных систем отопления для многих специалистов пока не очевиден. Однако он весьма значительный, и возможность модернизации таких систем следует рассмотреть более подробно, поскольку:
- данные системы являются наиболее массовыми в применении, особенно в существующем жилом фонде;
- радикальная конструктивная трансформация таких систем в горизонтальные в ходе модернизации здания слишком затратная.

Модернизация узла ввода теплоносителя в здание

Важнейшим элементом системы отопления любого конструктивного исполнения является узел ввода теплоносителя в здание. Наиболее энергоэффективными решениями ввода являются автоматизированный узел управления (АУУ, вариант зависимой схемы присоединения системы отопления) или индивидуальный тепловой пункт (ИТП, вариант независимой схемы присоединения с теплообменниками контура отопления и ГВС). В этих устройствах обеспечивается соблюдение температурного графика, адекватного температуре наружного воздуха и текущему теплопотреблению здания, а также надежная насосная циркуляция теплоносителя в системе отопления.

Экономический эффект от применения указанных устройств составляет от 10 до 30% в зависимости от соответствия состояния здания проектным решениям и от условий его эксплуатации.

Известен ряд альтернативных АУУ технических решений узла ввода, таких, как:
- узел смешения теплоносителя с элеваторами с постоянным или изменяющимся коэффициентом смешения;
- узел без смешения теплоносителя — применяется при подаче в здание теплоносителя с температурой, равной расчетной температуре в системе отопления.

На наш взгляд, применение этих устройств и технических решений в энергоэффективных системах отопления неприемлемо. Техническая аргументация, квалифицированно обосновывающая неадекватность таких решений для современных систем отопления, давно известна. Однако по разным причинам критика не всегда принимается во внимание.

Разовое применение таких решений приводит к возникновению проблем в одном конкретном здании. Но когда допущение о применении элеватора включается в нормативы, в частности, в актуализированный СНиП ОВК, как сделано сейчас, — это уже более серьезная ошибка, которая приведет к массовым превышениям нормируемого уровня энергоэффективности во вновь возводимых и модернизируемых зданиях.

В подтверждение этих слов можно сослаться на работу коллег из ВТИ , в которой проанализирован ряд возможных схем автоматизированных элеваторных узлов смешения. В работе детально рассмотрены основные недостатки каждой из схем. Общим недочетом всех схем является то обстоятельство, что для обеспечения адекватной работоспособности таких устройств необходимо поддержание в системе отопления постоянного и малого по своей величине гидравлического сопротивления. Однако эти требования практически невыполнимы при наличии в системе отопления терморегуляторов и другой арматуры автоматического регулирования.

Следует также отметить негативную эксплуатационную практику применения таких элеваторов.

Поддержание расчетного распределения потока теплоносителя

Данное мероприятие позволяет исключить перетопы или дефицит тепла на отдельных стояках традиционных вертикальных систем отопления. Такая возможность обеспечивается установкой на стояках автоматических балансировочных клапанов, поддерживающих постоянство перепада давления в стояках двухтрубных систем или постоянства расхода в стояках однотрубных систем отопления.

Для вертикальных двухтрубных систем отопления это мероприятие не вызывает вопросов у специалистов, однако относительно однотрубной системы ряд специалистов высказывают сомнения в его актуальности.

Эти сомнения базируются на следующем:
- значительное количество вертикальных однотрубных систем, особенно в типовом домостроении, рассчитано по методу переменных (скользящих) перепадов температур, что теоретически должно обеспечивать гидравлическую сбалансированность стояков;
- в однотрубных системах отопления, даже при срабатывании термостатов, поддерживается постоянный расход теплоносителя, т. е. автоматизированный контроль и регулировка стояков не требуются.

По каждому из этих утверждений есть достаточно простая контраргументация. В частности, по первому утверждению: из литературы известны расчетные ограничения этого метода, не позволяющие достаточно точно сбалансировать стояки. Также некорректно утверждение о постоянстве расхода при коэффициенте затекания порядка 0,25 и при изменении расхода теплоносителя, связанного с изменением гравитационного давления в стояках. Все это достаточно убедительно показано в детальных расчетах, выполненных украинскими специалистами .

Однако все эти расчетные эффекты перекрываются влиянием ошибок и допущений, вносимых в систему отопления в массовом порядке при ее проектировании и монтаже, а также изменениями в конструкции системы, вносимыми жильцами в пределах квартиры.

Результаты обследования типовых секционных зданий показали разброс расхода теплоносителя на контрольных стояках в пределах ±30% относительно проектных значений. После установки балансировочных клапанов и их настройки на проектные значения дисбаланс не превышал ±3%.

В результате теплопотребление зданий снизилось на 7-12% за счет сокращения необоснованного проветривания в помещениях на «перегретых» стояках и корректировки настроек автоматики узла ввода, защищающих «отстающие» стояки (рис. 1).

Рис. 1. Различия в работе терморегуляторов

Терморегулирование стояков как средство качественного регулирования теплоотдачи

Следующий шаг в повышении энергоэффективности традиционной однотрубной системы отопления — обеспечить количественное регулирование теплоотдачи системы не только на уровне отопительных приборов с помощью термостатов, но также на стояках посредством установки терморегуляторов в корне стояков, совместив их конструктивно с балансировочными клапанами (рис. 2). Эффект достигается путем сокращения расхода теплоносителя через конкретный стояк, температура теплоносителя в котором повышается в результате закрытия термостатов при избытке тепла в отдельных помещениях.

Рис. 2. Терморегулирование стояков однотрубных систем отопления

Результаты функционирования терморегулятора на одном из контрольных стояков представлены на рисунке 3. Из графиков видно сокращение расхода теплоносителя в стояке как следствие повышения в нем температуры теплоносителя в результате закрытия термостатов на отдельных отопительных приборах. При этом температура воздуха в контрольном помещении не изменяется.

Рис. 3. Энергоэффективность автоматической балансировки стояков

Значения настройки данных устройств определяются в ходе обследования здания и выявления потенциала источников избыточного тепла. Наиболее эффективны «постоячные» терморегуляторы с электроприводом и системой автоматического контроля температуры теплоносителя в стояках.

Экономический эффект от применения терморегулирования стояков зависит от величины неучтенных в проекте избыточных теплопоступлений в здание, в том числе от избыточной поверхности нагрева отопительных приборов. По результатам обследования экспериментальных зданий эффект составил от 8 до 12% в зависимости от состояния здания.

Индивидуальный (поквартирный) учет тепла

Индивидуальный (поквартирный) учет тепла с оплатой по фактическому его потреблению является важнейшим фактором, мотивирующим жильцов к энергосбережению. Без этого мероприятия система энергосберегающих мероприятий остается «разомкнутой», базирующейся только на административных рычагах.

Известны следующие основные типы систем индивидуального учета тепла, применяемых для традиционных вертикальных однотрубных систем отопления.
Система с аллокаторами (heatcostallocator — распределитель стоимости потребленной теплоты) на каждом отопительном приборе регистрирует разницу температур (tалл) между поверхностью отопительного прибора и воздухом помещения. Расход теплоносителя регистрируется на домовом счетчике и участвует только в расчете подомового теплопотребления.

Система с датчиками температур теплоносителя, установленными в стояке на каждом этаже, регистрирует разницу температур (tэт) теплоносителя в стояке в пределах каждого этажа. Расход теплоносителя регистрируется на каждом стояке и в подомовом теплосчетчике.

Для вертикальных двухтрубных систем отопления применяется только система с аллокаторами.

Обе указанные выше системы распределительные, принцип их работы достаточно подробно описан в литературе.

В настоящей статье рассматривается только один аспект — точность расчета теплопотребления. Данная информация должна позволить проектировщику сделать выбор между системами, адекватный задачам энергосбережения и защиты прав жильца на справедливую оплату за потребленное тепло.

В таблице представлены изменения перепадов температур tалл и tэт и соответствующие им погрешности измерений в рассматриваемых системах индивидуального учета в зависимости от этажности здания и температуры теплоносителя в течение отопительного сезона. При этом погрешность определения tэт рассчитана с учетом погрешности измерения датчика температур tдат = 0,05 °С.

Табл. 1. Перепады температур tалл и tэт и соответствующие им погрешности измерений

В ходе эксплуатации системы, в силу ряда причин, возможно снижение точности измерения датчика. Для иллюстрации в таблице в скобках представлены данные, рассчитанные для tдат =0,1 °С для варианта с наибольшей погрешностью.

Как видно из таблицы, tалл >> tэт, при этом абсолютные значения tэт весьма малы. Оба эти обстоятельства существенно влияют на точность начисления платежей. Так, при среднем ежемесячном начислении за потребленное тепло, например, 2 000 руб. необоснованная переплата или недоплата отдельных жильцов может составить:
- 450-550 руб./мес. — для системы с датчиками на стояках при tдат = 0,05 °С;
- 650-1 050 руб./мес. — для системы с датчиками на стояках при tдат = 0,1 °С;
- 60-100 руб./мес. — для системы учета с аллокаторами.

Как видно из примера, погрешность начисления платежей для системы с датчиками на стояках в несколько раз превышает погрешность системы с аллокаторами. Очевидно, что ошибка начислений возможна в обе стороны — как в пользу жильца, так и в пользу поставщика ресурсов. В обоих случаях невозможно свести баланс по показаниям поквартирных и подомового счетчика, а также исключить жалобы со стороны жильцов или поставщика тепла вплоть до судебных разбирательств.

В любом случае, при коммерческом расчете за тепло следует рекомендовать к применению систему индивидуального учета с наименьшей возможной погрешностью.

Заключение

Рассмотренные выше мероприятия по модернизации существующих вертикальных однотрубных и двухтрубных систем отопления показывают, что для существенного повышения их энергоэффективности нет необходимости производить радикальную реконструкцию традиционных систем в ходе модернизации, достаточно лишь дооснастить их соответствующим оборудованием.

Литература
1. Байбаков С. А., Филатов К. В. «О возможности регулирования элеваторных узлов систем отопления». // «Новости теплоснабжения». № 7, 2010 г.
2. Богословский В. Н., Сканави А. Н. «Отопление». — М.: Стройиздат, 1991 г.
3. Милейковский В. А. «Математическое моделирование переменного гидравлического и теплового режимов приборных узлов однотрубных вертикальных систем отопления». // Данфосс Info. № 1-2, 2012 г.
4. Стандарт АВОК «Распределители стоимости потребленной теплоты от комнатных отопительных приборов». СТО НП «АВОК» 4.3-2007 (EN 834:1994).

Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!