4.6.3. Регулирование насосов и вентиляторов в системах отопления, теплоснабжения и вентиляции

Выбор метода регулирования входит в комплекс решения задачи оптимизации систем климатизации, конечная цель которой ̶ поддержание в помещениях требуемого климата при минимальных затратах. При этом встречаются два рода задач регулирования.

1. Регулируется объем подаваемого воздуха (воды). Здесь тип регулирования (плавный, ступенчатый, с постоянной или прерывистой подачей) определяется технологическим процессом, назначением зданий (жилые, общественные, административные, промышленные и т.д.).

2. Регулируется количество подаваемой теплоты (холода). В этом случае характер регулирования определяется не только технологическими процессами, но и климатическими условиями (температурой, влажностью наружного воздуха, интенсивностью солнечной радиации, направлением и скоростью ветра), а также тепловой аккумуляцией ограждающих конструкций и оборудования. И если изменение потребности в теплоте (холоде) носит всегда плавный характер, то тип регулирования нагнетателей может быть различным. Изменение подачи производится и в течение суток, и по сезонам (зима, лето, весна, осень), и на протяжении самих сезонов.

Рассмотрим некоторые характерные случаи регулирования.

1. Регулирование воздухообмена в помещении.

Регулирование воздухообмена в помещения большого объема путем отключения части вентиляторов может привести к созданию зон с нарушением санитарных (технологических, противопожарных) норм из-за неравномерного воздухораспределения. Применение этого метода должно обосновываться специальным расчетом полей скоростей, температур воздуха, концентрацией вредных веществ. Учитывая приближенный характер расчетных методик изменение воздухообмена надежнее производить регулированием вентиляторов.

1. Помещения с избытками теплоты. Требуемый тепловой режим поддерживается средствами вентиляции без охлаждения воздуха.

Необходимая степень регулирования может быть найдена расчетным путем. На рис. 4.54 показаны результаты расчета воздухообмена промышленного здания, расположенного в г.Москва, в теплый период при трехсменной работе¹⁾.

Минимальная кратность воздухообмена n, рассчитанная из условия ассимиляции токсичных веществ, 3.

Из рис.4.54 напрашивается вывод о целесообразности применения ступенчатого регулирования. Однако в течении теплого периода изменяются интенсивность солнечной радиации, температура наружного воздуха и его суточная амплитуда, а, следовательно, и избытки теплоты и необходимый воздухообмен. Поэтому в данном случае следует применять плавное регулирование.

Рис. 4.54

В метрополитенах регулирование воздухообмена осуществляется путем изменения угла поворота лопаток осевых вентиляторов. В последнее время проводится модернизация вентиляции путем установки на электродвигателях частотных регуляторов, работающих от датчиков температуры воздуха в метрополитене.

2. Совмещение приточной вентиляции с отоплением (охлаждением) помещения.

В этом случае при регулировании объема подаваемого воздуха изменяется соотношение инерционных и архимедовых сил в приточной струе, и возможно создание дискомфортных зон. Поэтому необходимо производить расчет воздухораспределения не только при максимальных, но и при минимальных объемах подаваемого воздуха.

3. Помещения с токсичными выделениями.

При известном характере динамики выделения вредностей необходимая степень регулирования может быть установлена на стадии проектирования. Однако в процессе эксплуатации регулирование должно осуществляться только по сигналам датчиков концентраций удаляемых из помещения веществ. Изменение концентраций чаще всего бывает плавным, но возможны случаи и ступенчатого изменения.

2. Регулирование подачи воды в системы теплоснабжения и отопления.

Рассмотрим следующий пример (рис. 4.55)

Рис. 4.55

Насос 3 подает воду от теплового генератора, насос 1 в систему отопления, насос 2 в систему теплоснабжения калориферов. Так как законы изменения потребности в тепловой энергии системами отопления и калориферными установками не совпадают, то и степени регулирования подачи воды насосами 1 и 2 будут разными. Как показано в разделе 4.6.3, в этом случае следует применять комбинированное регулирование, которое тем выгоднее, чем доля регулирования дросселированием будет меньше. Значит, наиболее экономичным будет вариант с насосами, снабженными плавными регуляторами.

Рассмотрим теперь регулирование насоса 3. Пусть в расчет-ном режиме его подача L=40 м³/ч; напор Н=48 м вод.ст. (рис.4.56, точка 3). Потери давления на участке вса ΔН=42 м вод.ст. (точка 2).

ΔН_3-2=Н₃-Н₂=48-42=6 м вод.ст. Разница ΔН_3-2 расходуется на компенсацию потерь давления на участках а1в, а2в. В результате регулирования подача насоса 3 должна уменьшиться в 2 раза. L₃'=20 м³/ч, соответствующий напор без регулирования Н₁=59 м вод.ст. (точка 1). Потери напора на участке вса

ΔН_вса'=ΔН_вса= 42·0,5²=10,5 м вод.ст.

Потери напора на участках а1в и а2в также уменьшатся в квадрате. Тогда ΔН_3-2'=ΔН_3-2·0,5²=6·0,25=1,5 м вод.ст.

Следовательно, потери напора в системе, которые должен компенсировать насос 3, Н₃'=10,5+1,5=12 м вод.ст.

При регулировании дросселем потери напора в нем ΔН_др =59-12=47 м вод.ст., то есть около 80% энергии будет расходоваться в регулирующем устройстве. Значит, энергетически наивыгоднейший вариант работы насоса 3 после регулирования будет при параметрах: L=20 м³/ч, Н=12 м вод.ст, что может быть обеспечено только частотным регулированием.

Рис. 4.56

Одним из возможных способов регулирования в тепловых сетях является применение параллельной работы насосов. Целесообразность такого метода рассмотрим на примере схемы, изображенной на рис. 4.57

Рис.4.57

Наличие трех параллельно работающих насосов позволяет осуществлять трехступенчатое регулирование. Примем, что потери напора на участках раздельной работы и изменение характеристики сети при отключении некоторых насосов пренебрежимо малы. Анализ работы приведен на рис. 4.58.

При работе трех насосов подача системы (точка 3) L₃=84 м³/ч, напор Н₃=53,5 м вод.ст. При этом каждый насос создает подачу L₃'=28 м³/ч, потребляет мощность N₃'=8,3 кВт (точка 3'). Суммарная мощность системы N₃=24,9 кВт.

Рис. 4.58

При работе двух насосов (точка 2) L₂=68 м³/ч , Н₂=52 м вод.ст. Один насос создает подачу L₂'=34 м³/ч , потребляет мощность N₂'=9 кВт (точка 2'). Суммарная мощность системы N₂=18 кВт.

При работе одного насоса (точка 1) L₁=42 м³/ч , Н₁=46 м вод.ст., N₁=9,5 кВт.

Соотношение подачи при регулировании:

L₃: L₂: L₁=84:68:42=1:0,81:0,5

Соотношение потребляемой мощности:

N₃: N₂: N₁=24,9:18:9,5=1:0,72:0,38

В случае применения частотного регулирования мощность уменьшилась бы по кубическому закону¹⁾.Тогда соотношение мощностей было быN₃:N₂:N₁=1³:0,81³:0,5³=1:0,53:0,125. Таким образом, регулирование с помощью параллельной работы энергетически невыгодно. При наличии такой системы в эксплуатации следует оборудовать электродвигатели частотными регуляторами, отказавшись от периодического отключения части насосов.

Установка ступенчатых регуляторов с применением схемы: регулятор + отключение одного (двух) параллельных насосов-приблизит регулирование к плавному. Однако система с плавными регуляторами (без отключения некоторых насосов) экономичнее и проще в управлении.