2.2.3. Автоматическое регулирование теплового потока

2.2.3.1. Регулирование посредством РТК

Радиаторные термостатические клапаны (РТК) предназначены для полного или частичного перекрывания потока теплоносителя, подаваемого системой отопления в отопительный прибор, при повышении температуры воздуха в помещении выше заданной. Правильно подобранный и осознанно эксплуатирующийся РТК способен сократить годовое потребление тепловой энергии на 10-20 %.  Правила подбора РТК различного типа, иллюстрированные практическими примерами, подробно изложены применительно к различным системам отопления в Альбоме рекомендаций [5]. Вместе с тем, вероятность того, что в конкретной системе отопления жилого дома РТК будут установлены правильно, и их работа будет эффективна, невелика. Такое суждение опирается на ряд факторов, значение которых нельзя недооценивать, а именно: Правильно подобранный РТК в двухтрубной системе отопления многоквартирного жилого дома должен быть настроен таким образом, чтобы его пропускная способность соответствовала тепловой мощности радиатора, а клапан при этом работал в зоне пропорциональности 2 К, то есть регулирующий орган клапана должен постоянно находиться в положении близком к закрытому. При этом его гидравлическое сопротивление не должно превышать 25 кПа, чтобы клапан не шумел, а его так называемый «внешний авторитет», которым регламентируется соотношение гидравлических сопротивлений клапана и трубопроводной системы, должен находиться в интервале от 0,5 до 0,7. Все эти жесткие требования возможно выполнить только теоретически при условии, что на каждом ответвлении трубопроводной системы будут установлены автоматические регуляторы перепада давления, которые в свою очередь должны быть настроены должным образом, и эта настройка ни при каких условиях не должна нарушаться при эксплуатации. Жесткими правилами подбора РТК не всегда руководствуются даже в странах, откуда эта продукция поставляется в комплекте с радиаторами. Наш потребитель, покупая в свою квартиру такой импортный комплект, собранный из случайных изделий, получает устройство, которое физически не может вписаться в проект системы отопления, как бы хорошо этот проект ни был разработан. В реальных условиях строительства и дооборудования жителями многоэтажных жилых домов предусмотренные проектом РТК часто демонтируют, заменяя их шаровыми кранами, которые способствуют полной гидравлической разбалансировке отопительной системы. Для того чтобы разбалансированная система работала удовлетворительно, в нее приходится подавать расход воды, превышающий проектное значение в 1,4-1,6 раза при соответствующем перерасходе тепловой энергии [6]. Значительно меньше жестких требований предъявляется к РТК однотрубных отопительных систем, и разбалансировка таких систем вследствие замены РТК менее вероятна. Вместе с тем, возможность экономии тепловой энергии посредством РТК в любом случае нельзя переоценивать из-за влияния субъективных факторов на эту возможность при не вполне сформировавшемся энергосберегающем поведении жителей. Проектировщики систем отопления обязаны применять РТК в своих проектах, и относиться к этому нужно с высокой ответственностью, строго соблюдая правила подбора, изложенные в приложении 1, потому что правильный выбор РТК является совершенно необходимым, хотя, к сожалению, и совершенно недостаточным условием их эффективной работы. Применив РТК, проектировщик может записать в свой актив, бесспорно принимаемый любой экспертизой или инспекцией факт использования в проекте прогрессивной энергосберегающей техники. Но, если проектировщик действительно озабочен проблемой рационального использования тепловой энергии в здании, то он должен сосредоточить свое внимание на регулировании в тепловом пункте.

2.2.3.2. Регулирование в тепловом пункте

Если бы радиаторные термостаты были способны четко выполнять свое назначение: поддерживать нужную температуру в помещениях, предотвращая их перегрев, то регулировать в тепловых пунктах ничего не нужно было бы, потому что РТК теоретически способны реализовать самое совершенное регулирование — «по отклонению» температуры помещения. Но, как выяснилось, практически это в полной мере не происходит, и потому требуется еще и регулирование в тепловом пункте. В зданиях с многокомнатной планировкой центральное регулирование «по отклонению», как правило, не применяется, потому что регулировать теплопотребление здания по одной или нескольким контрольным комнатам, в которых можно было бы установить датчики температуры, было бы неточно, какими бы представительными эти комнаты ни были. В таких зданиях температуру в помещениях приходится регулировать косвенно. Если согласно расчету для удовлетворительного отопления температура теплоносителя t1 должна соответствовать температуре наружного воздуха tH, то регулятор должен обеспечивать это соответствие, и как только соответствие это нарушится, по факту «возмущения» будет подана команда исполнительному органу на восстановление удовлетворительного режима отопления. Регулирование «по возмущению» не способно реагировать на внутренние тепловыделения в помещениях. Ни на солнечное излучение, ни на поступление тепла от работающих компьютеров, ни на бытовые источники тепла регулятор не среагирует. Наиболее отчетливо регулятор среагирует на изменение погодных условий, и поэтому такое регулирование называют «погодным». В качестве управляющего прибора центрального регулирования отопительной системы служит электронный регулятор (контроллер), способный воспринимать информацию от датчиков температуры и от встроенного таймера и преобразовывать ее в команды для электрических исполнительных механизмов, воздействующих на тепловые потоки. Регуляторы систем отопления должны выполнять погодное и программное регулирование. Погодное регулирование обеспечивается температурным графиком, который задается углом наклона линии изменения температуры в координатах t = f(t_H), где t — температура теплоносителя в подающем или обратном трубопроводах, а t_H — текущая температура наружного воздуха. Программное регулирование позволяет в нужное время перевести систему отопления на погодное регулирование по пониженному температурному графику. При выборе регулятора рекомендуется исходить из реальной потребности объекта. Оптимальный для объекта регулятор — это такой прибор, функциональные возможности которого не превышают функциональных потребностей регулируемой системы. Чем регулятор проще, тем он надежнее в работе. Функцию погодного регулирования применительно к системам отопления, присоединенным к тепловым сетям с расчетными температурами теплоносителя 150-70°C, можно упростить, если поддерживать нужную температуру воды в обратном трубопроводе, которая зафиксирована тепловыми сетями, и никто не имеет право ее ни завышать (теплосети не позволят), ни занижать (потребитель замерзнет). Температура воды t₂, °C, в обратном трубопроводе для всех зданий, строящихся на территории, где расчетные наружные температуры tHP, °C, находятся в интервале значений от -15 до -30 °C, должна поддерживаться на уровне:

где t_H — текущая температура наружного воздуха, °C. Для каждого конкретного района формула (1) упрощается. Например, для Киева, где t_HP = -22 °C, формула приобретает вид:

Эффективно управлять системой по столь простому алгоритму можно при помощи простых регуляторов, формирующих команды на основе двух датчиков температур (рис. 6) и способных ночью менять по команде таймера цифру «48» на меньшую, определяемую уставкой, например, на 44.

Этот логичный и простой алгоритм поддержания температуры обратной воды заложен в программу отечественных производителей регуляторов тепловой автоматики (КИАРМ, Семпал), которые применены и эффективно эксплуатируются на многих объектах. При использовании этих регуляторов возможна гибкая корректировка постоянных величин в формуле 2 в зависимости от степени тепловой защиты здания и приоритетов потребителей, часть которых более озабочена экономией средств, расходуемых на отопление, в то время как другая часть боится замерзнуть. Возможность ночного понижения температуры теплоносителя в жилых домах долгое время считалась спорной, но выполненные исследования не оставляют сомнений в целесообразности и эффективности такого понижения в переходный период. В отдельных случаях даже после шестичасового сокращения теплопотребления никаких изменений температуры в помещениях зафиксировать не удалось, что связано с высокой инерционностью водяных отопительных систем и строительных конструкций здания. Продолжительность работы в ночном режиме и допустимая глубина регулирования должны определяться для каждого дома индивидуально с тем, чтобы избежать недовольства жителей. Высокая тепловая инерционность обогреваемого отопительной системой жилого дома обусловила возможность вполне эффективного регулирования пропусками, которое может быть реализовано посредством использования позиционных клапанов. Такая многократно проверенная практикой возможность открывает благоприятные перспективы для оборудования системами автоматики абонентских вводов, где нет циркуляционных насосов с электроприводом, которые по европейским стандартам являются непременной деталью регулируемого теплового пункта (рис. 7, а).

Оказалось, что системы отопления с элеваторным присоединением к тепловой сети, прежде несправедливо отнесенные к устройствам, тепловую мощность которых регулировать невозможно, могут эффективно экономить тепловую энергию, если оборудовать их позиционным регулятором (рис. 7, б). Сопоставление двух схем (а и б на рис. 7) автоматизированного приготовления теплоносителя не оставляет сомнений в рациональности второй схемы при реконструкции существующих тепловых пунктов жилых домов. Особенностью водоструйного насоса (элеватора) является его неспособность изменять коэффициент смешения при уменьшении расхода сетевой воды, поступающей в сопло. Если бы на месте клапана 4 стоял пропорциональный регулятор, то при его частичном закрытии соответственно изменился бы расход воды в системе отопления, что привело бы ее к разбалансированию. Но никаких проблем с гидравлической балансировкой не возникает при кратковременном закрытии позиционного клапана 4. Клапан 4 выполняется со встроенным байпасом, через который проходит около 10 % воды при закрытом клапане. Это необходимо для того, чтобы контроллер отслеживал изменение температуры обратной воды. При отсутствии встроенного байпаса нужно предусмотреть в проекте обводную линию с балансировочным клапаном. Исследования, выполненные на абонентских вводах, оборудованных приборами тепловой автоматики КИАРМ, подтвердили не только возможность, но и эффективность позиционного регулирования. Высокие потребительские качества систем отопления, оборудованных позиционными регуляторами, объясняются тем, что дискретность срабатывания исполнительных механизмов совершенно нивелируется инерционностью системы, в результате чего потребитель этой дискретности не ощущает вовсе. Опыт применения позиционных регуляторов КИАРМ свидетельствует об уменьшении годового потребления тепла в жилых домах на 15-20 %, а в пристроенных помещениях общественного назначения — до 40 %. Это означает, что регулируемая система отопления жилого дома тепловой мощностью 1 Гкал/ч сэкономит около 500 Гкал в год, что равносильно годовой экономии около 70 тыс. м3 природного газа. При выборе схемы теплового пункта в проектах новых жилых домов следует иметь ввиду, что элеватор не может применяться в качестве побудителя циркуляции в двухтрубных системах отопления с термостатическими клапанами.  Здания, имеющие четко выраженную ориентацию фасадных стен рекомендуется проектировать с фасадными ветвями отопительных систем, каждая из которых должна иметь свой регулятор теплового потока. При этом датчики температуры t_H наружного воздуха (рис. 6) должны быть установлены на том фасаде, который обогревается системой отопления, регулирующейся при помощи этого датчика. Эффективность регулирования при этом будет весьма высокой, потому что такая система чувствительна к воздействию солнечного излучения на фасад, что обычно свойственно лишь регуляторам «по отклонению», к которым относятся термостатические клапаны. По этой причине нормы допускают при проектировании социального жилища выполнять однотрубные системы отопления с полнопроходными шаровыми кранами вместо термостатических клапанов при условии, что эти системы запроектированы с пофасадным регулированием. Рациональные проектные решения не обязательно создают реальную экономию тепла. Многое зависит от эксплуатации. Но вероятность того, что экономия состоится, намного выше там, где используются приборы тепловой автоматики, доступные только профессионалам, в то время как самые совершенные приборы, находящиеся во власти большого количества неквалифицированных потребителей, имеют мало шансов достойно выполнить свою работу.