Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002

Для установления связи между расходом воды в элементе системы и естественным циркуляционным давлением воспользуемся так называемым показателем гидравлической характеристики системы отопления [15]

где р'е - расчетное для системы отопления естественное циркуляционное давление; рн - насосное циркуляционное давление.

Показатель Г выражает существующее в расчетных условиях соотношение естественного и суммарного циркуляционного давления, обеспечивающего движение воды в системе отопления. Этот показатель в различных системах отопления может изменяться от 0 (в, горизонтальной однотрубной системе одноэтажного здания) до 1 (в системе с естественной циркуляцией). Например, в насосной однотрубной системе 5-этажного здания при рн=10 кПа, расчетной температуре воды t'r=105 °С и t’о =70 °С гидравлическая характеристика составляет около 0,15. С увеличением высоты здания показатель Г (при незначительном изменении рн) растет, что объясняется повышением условного среднего центра охлаждения в однотрубной системе отопления над центром нагревания.

Степень изменения расхода G=G/G' в насосной системе отопления под влиянием естественного циркуляционного давления определяют по формуле

Выразим соотношение текущего ре и расчетного р'е значений естественного циркуляционного давления в системе через температуру теплоносителя

где β'= (ρ’о - ρ'r) / (t'r - tо) - среднее увеличение плотности воды в расчетных условиях при понижении температуры теплоносителя на 1 °С, кг/(м3·°С) (см. § 7.4).

451

Относительная разность температуры

По формуле (17.11) находим

По рис. 17.5 определяем (ход решения по стрелке) G = 0,86. Это означает, что в данной системе при значительном снижении температуры расход воды уменьшится на 14 %.

Ввертикальных однотрубных системах водяного отопления с их последовательным соединением отопительных приборов изменение температуры и расхода по-разному сказывается на теплоотдаче первых и последних приборов по ходу движения воды в стояках.

Воднотрубной системе с верхней разводкой и насосной циркуляцией (показатель Г мал) понижение температуры воды сопровождается относительным ростом теплопередачи отопительных приборов на нижних этажах по сравнению с верхними приборами (до 40 %). Это необходимо учитывать при выборе способа регулирования таких систем.

Снижение расхода воды в стояке, прежде всего, сказывается на снижении теплоотдачи нижних приборов. Сказанное свидетельствует о том, что для равномерного изменения теплоотдачи всех отопительных приборов однотрубного стояка требуется проведение смешанного (количественно-качественного) регулирования (см. рис. 7.25).

Всистеме с естественной циркуляцией (Г=1) одновременно с понижением температуры уменьшаются расход воды в стояках и относительная теплоотдача приборов на нижних этажах (до 30 %). Опасность недогрева помещений нижних этажей возникает в стояках с высоко расположенными (например, при разной высоте стояков или при существенной неравномерности распределения между ними тепловой нагрузки) центрами охлаждения и увеличенным по сравнению с принятым для системы температурным перепадом.

Внасосной системе с верхней подачей воды допускается снижение расхода до 11 ...38 % при допустимом снижении теплоотдачи приборов соответственно до 2,5...11 %. Для такой системы, особенно с высоким значением Г, характерно явление саморегулирования (см. § 6.2). Оно происходит, когда при снижении по какой-либо причине температуры воздуха около одного или нескольких отопительных приборов из-за некоторого увеличения их теплоотдачи и снижения температуры воды на выходе из стояка повышается ее плотность, растет естественное циркуляционное давление и расход воды в стояке. Это, в свою очередь, приводит к еще большему увеличению теплоотдачи и частичному восстановлению температурной обстановки в обогреваемых помещениях.

При повышении температуры воздуха явление саморегулирования протекает в обратном порядке, но с тем же результатом. В таких системах применимо пофасадно-вертикальное регулирование при увеличении температуры tr до 110 °С и расхода воды в системе 0,5≤G≤1,9. Однако в стояках такой системы с пониженным центром охлаждения и малым температурным перепадом возникает опасность существенного снижения теплоотдачи приборов нижних этажей при уменьшении расхода, особенно при больших значениях Г.

В однотрубной системе отопления с нижней разводкой обеих магистралей при расположении отопительных приборов как на подъемной, так и на опускной частях стояка в рядом расположенных помещениях из-за указанного выше различия в теплоотдаче первых и последних в стояке приборов может создаваться неравномерный тепловой режим. Допу-

453

стимо снижение расхода воды, как и в системе с верхней разводкой, за исключением стояков с замыкающими участками из-за ухудшения прогревания отопительных приборов на подъемной части стояков. Пофасадно-вертикальное регулирование практически неосуществимо. Явление саморегулирования аналогично системе с верхней разводкой, но протекает менее интенсивно.

В однотрубной системе отопления с "опрокинутой" насосной циркуляцией (показатель Г мал) понижение температуры воды приводит к увеличению до 40 % относительной теплоотдачи отопительных приборов на верхних этажах. В такой системе недопустимы естественная циркуляция воды из-за возможного прекращения циркуляции в отдельных стояках, а также применение приборных узлов с замыкающими участками. Допустимое снижение расхода такое же, как и в системе с верхней разводкой. Применение пофасадного регулирования определяется возможностью повышения температуры воды до 110 °С и относительного расхода в пределах 0,3 ≤ G ≤ 2,8.

Для бифилярной системы водяного отопления характерно пропорциональное измене-

ние суммарной теплоотдачи приборов, обслуживающих помещения на разных этажах, при изменении температуры подаваемой воды. Допустимы большие колебания расхода, чем в других однотрубных системах (18...52 %). Саморегулирующее влияние естественного циркуляционного давления такое же, как и в однотрубной системе отопления. Допустимо пофасадное регулирование, но вертикальное регулирование практически неосуществимо.

Вгоризонтальной однотрубной системе с насосной циркуляцией при малом значении

показателя Г снижение температуры tr сопровождается относительным увеличением теплоотдачи последних по ходу воды приборов (до 40 %). При естественной циркуляции в системе многоэтажного здания одновременно со снижением температуры теплоносителя снижается и расход воды, что приводит к уменьшению относительной теплоотдачи последних по ходу воды приборов (до 30 %). Допустимое понижение расхода и саморегулирующее влияние естественного циркуляционного давления такие же, как в вертикальной однотрубной системе. Допустимо пофасадное регулирование системы.

Ввертикальной двухтрубной системе водяного отопления при равных расчетных пе-

репадах температуры в приборах понижение температуры воды tr сопровождается значительно большим снижением теплоотдачи отопительных приборов на верхних этажах по сравнению с теплоотдачей приборов на нижних. Исключение составляет крайний случай при Г=1 (система с естественной циркуляцией воды), когда происходит пропорциональное изменение теплоотдачи приборов. Понижение расхода воды в двухтрубной вертикальной системе вызывает существенное уменьшение теплоотдачи приборов на нижних этажах.

Нарушение структуры системы заметно сказывается на изменении теплоотдачи приборов

воднотрубной (в отличие от двухтрубной) системе. Относится это, прежде всего, к приборам, непосредственно расположенным после прибора с умышленно увеличенной пло-

щадью теплоотдающей поверхности (после прибора понижается to) или с уменьшенным расходом воды при регулировании краном на подводке (повышение to). В системе водяного отопления с тупиковым движением воды в магистралях отключение отдельных стояков заметно изменяет расход воды по другим стоякам. Однако, чем больше стояков в тупиковой ветви системы, тем больше ее гидравлическая устойчивость при отключении стояков

впроцессе эксплуатации системы.

В системе местного воздушного отопления эксплуатационное регулирование осуществляется достаточно легко рассмотренными выше способами. Системы центрального воз-

454

душного отопления многоэтажных зданий также подвержены тепловому и аэродинамическому разрегулированию. Как и в системе водяного отопления, это объясняется действием переменного естественного циркуляционного давления. Высокая температура воздуха в воздушной системе определяет высокую долю этого давления в общем циркуляционном давлении.

Добиться стабильности работы системы в течение всего отопительного сезона, особенно в разветвленной многоканальной сети, достаточно сложно. Достигается это обычно значительным увеличением потерь давления в воздухораздающих устройствах (см. § 10.10). Эффекта можно достичь при использовании ступенчатого нагревания, когда температура воздуха в каналах системы близка к температуре воздуха в помещениях, а до нужной температуры воздух догревается в специальных доводчиках, установленных непосредственно в обогреваемых помещениях (§ 18.4).

Особенности работы систем парового отопления определяются, как уже отмечалось, невозможностью качественного регулирования систем и необходимостью осуществлять регулирование "пропусками" (см. § 17.2).

Пусконаладочные работы в системах отопления проводят при строгом соблюдении обеспечивающих безопасность правил. Особенно опасаются воздействия на работающих высокотемпературного теплоносителя, находящегося под высоким давлением в оборудовании, арматуре и трубах систем. Такого воздействия следует ожидать, прежде всего, в тепловых пунктах систем с их оборудованием, запорно-регулирующей арматурой, контроль- но-измерительными приборами, имеющими резьбовые и фланцевые соединения.

Под особым контролем осуществляют заполнение и пуск систем водяного отопления с зависимым присоединением к тепловой сети. В такие системы теплоноситель подают постепенно путем плавного открывания первой со стороны тепловой сети задвижки на обратном теплопроводе. Воздушные краны в верхних точках держат открытыми до заполнения системы водой. Открывают краны на импульсных линиях автоматических регуляторов. Только после этого открывают входную задвижку на наружном подающем теплопроводе для создания циркуляции воды. После пуска системы автоматические регуляторы настраивают на поддержание расчетных параметров.

Тщательно следят за исправностью контрольно-измерительных приборов, прежде всего, манометров. Осторожно обращаются с приборами, в которых в качестве рабочей жидкости используется ртуть (термометры, дифманометры).

Ремонтно-восстановительные работы проводят только после отключения части или системы отопления в целом и полного спуска теплоносителя. После монтажных и ремонтных работ системы отопления "спрессовывают", т.е. заполняют водой и выдерживают под определенным давлением в течение заданного времени. При опрессовке части системы (например, труб и оборудования теплового пункта) отключение дополняют заглушками, устанавливаемыми между фланцами задвижек. Давление при испытании системы зависит от рабочего давления, установленного для элементов систем отопления (например, для отопительных приборов). Система или ее часть считается выдержавшей испытания, если в течение не менее 15 мин падение давления не превышает 0,01 ...0,02 МПа.

455

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Объясните причины различия теплопотерь на нагревание поступающего наружного воздуха в однотипные помещения, находящиеся на нижних и верхних этажах многоэтажных зданий.

2.Выведите формулу для определения тепловой характеристики элемента (см. формулу (17.8)) применительно к системе парового отопления.

3.Используя исходные данные примера 17.1, решите обратную задачу: на сколько должен быть сокращен расход воды в отопительном приборе для снижения его теплоотдачи на 25 %.

4.Определите текущее теплопотребление здания при зависимом присоединении системы водяного отопления к тепловой сети с помощью водоструйного элеватора, если разность давления воды в наружных теплопроводах 100 КПа, температура воды в подающей и обратной магистралях системы отопления, соответственно, 82 и 48 °С, диаметр сопла элеватора 11 мм.

5.Какие факторы, влияющие на теплопотребность системы водяного отопления здания, можно будет учесть при переходе от группового в ЦТП к пофасадному регулированию?

6.Объясните связь между температурой внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях и температурой теплоносителя на выходе из системы отопления.

7.Изобразите технологическую схему автоматического регулирования теплового потока, поступающего в систему водяного отопления здания в течение отопительного сезона.

8.Предложите схему системы водяного отопления с автоматическим регулированием теплового потока для крупного помещения, работа в котором характеризуется неравномерным поступлением теплоты.

9.Перечислите факторы, вызывающие гидравлическое и тепловое разрегулирование насосных систем водяного отопления многоэтажных зданий.

10.Укажите признаки вертикального разрегулирования однотрубной и двухтрубной насосных систем водяного отопления многоэтажного здания.

11.Назовите мероприятия по повышению вертикальной устойчивости действия центральной системы воздушного отопления многоэтажного здания.

12.Дайте определение свойству системы отопления - гидравлическая устойчивость системы.

ГЛАВА 18. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

§ 18.1. Реконструкция системы отопления

Реконструкция системы отопления, т.е. частичная или полная замена ее элементов, их конструктивная модернизация, осуществляется в связи с физическим износом системы, различного рода технологическими изменениями, вызванными назначением и объемом здания или условиями работы системы, ее моральным старением и другими причинами.

Износ системы водяного и парового отопления при длительной эксплуатации происходит под воздействием внутренней, а иногда и внешней коррозии. Вследствие отложения взвешенных частиц и образования накипи повышается гидравлическое сопротивление теплопроводов, отопительных приборов, ухудшаются их теплотехнические свойства. Этим же процессам подвержены оборудование систем (теплообменники, баки, воздухосборники, грязевики и пр.) и запорно-регулирующая арматура.

456

Исследованиями систем водяного отопления, проведенными в условиях их эксплуатации, установлено заметное различие в изменении потерь давления в системах в течение многолетней эксплуатации в зависимости от качества теплоносителя. Оценить это изменение можно по формуле

где р2, рр - потери давления в системе отопления, соответственно, через z лет эксплуатации и расчетные; а - коэффициент, зависящий от качества теплоносителя (а=0,17 для деаэрированной воды при содержании кислорода в ней до 0,1 мг/л и а=0,65 для не деаэрированной и смешанной воды при содержании кислорода 10 мг/л).

В начале эксплуатации потери давления в новой системе водяного отопления составляют около 60 % расчетных. Расчетные потери давления достигаются в системах, питаемых не деаэрированной водой, практически в первый год эксплуатации, а в системах, работающих на деаэрированной воде, через 8... 10 лет эксплуатации.

Повышение потерь давления в системе приводит к уменьшению расхода теплоносителя (см. рис. 3.11), к гидравлической и тепловой разрегулировке системы отопления и снижению теплоотдачи ее элементов.

Срок службы отдельных элементов системы отопления не одинаков (см. § 15.2). Долговечность систем зависит от вида и качества используемого теплоносителя, условий их работы. Срок службы систем водяного отопления возрастает при их теплоснабжении от ТЭЦ и тепловых станций, когда проводятся умягчение и деаэрация воды, по сравнению с теплоснабжением от местных котельных. Особенности работы системы парового отопления, более интенсивные процессы коррозии, происходящие в ней, ставят ее на последнее место по долговечности среди других систем. Наиболее долговечной считают систему воздушного отопления (за исключением воздухонагревателей).

Срок службы системы отопления зависит и от материала, из которого сделаны ее элементы, его качества. Например, коррозионные процессы, особенно в стальных отопительных приборах и деталях, быстро понижают их прочность. Важно и качество изготовления самих элементов, проведения сборочных и монтажных работ.

Решение о частичной или полной замене элементов системы отопления принимают после специального обследования, в ходе которого проводят гидравлическое и тепловое испытания системы, определяют расход теплоносителя в системе в целом и ее отдельных узлах, соответствие теплоотдачи элементов расчетной. Состояние металла в системе оценивают путем исследования образцов, извлеченных путем частичной разборки или вырезки.

Проектируя реконструкцию системы отопления, стремятся сохранить те ее элементы, которые мало изменили свои свойства в процессе эксплуатации. К ним относятся чугунные радиаторы и ребристые трубы, которые при качественной ежегодной промывке практически не подвержены коррозии. Относительно долго служат и те элементы системы, которые выполнены из медных сплавов и неметаллических материалов.

При реконструкции систем отопления с использованием существующих стальных труб эквивалентную шероховатость их внутренней поверхности принимают: для воды и пара - 0,5, конденсата - 1,0 мм.

457

Реконструкцию системы отопления часто проводят по причинам, не связанным непосредственно с ее состоянием. Так, полную замену системы осуществляют при капитальном ремонте, связанном с перепланировкой здания. При этом иногда принимают принципиально новое схемное решение системы с заменой устаревших конструкций, использованием нового оборудования, обеспечением автоматизации. В новом проекте учитывают возможные изменения теплозатрат на отопление помещений.

В производственных и коммунальных зданиях конструкция системы отопления может изменяться вследствие изменения технологических процессов, теплового режима помещений, а также назначения здания в целом.

Полная реконструкция системы отопления требуется при замене теплоносителя, например, при переходе от пара к воде.

Изменение условий теплоснабжения здания (изменение температуры, давления теплоносителя) вызывает реконструкцию тепловою ввода и местного теплового пункта. Больших затрат требует, в частности, перевод системы водяного отопления с зависимой на независимую схему присосдинения к тепловой сети (см. § 3.1). При этом дополнительно устанавливают теплообменники, циркуляционные и подпиточные насосы, расширительный бак, новые контрольно-измерительные приборы, приборы автоматизации, запорнорегулирующую арматуру. Каких-либо дополнительных изменений непосредственно в системе отопления обычно не требуется.

Повышение требований к тепловому комфорту в зданиях, качеству работы инженерно-

го оборудования со снижением эксплуатационных затрат, в том числе экономией тепловой энергии, также вызывает необходимость реконструкции системы отопления. Неспособность системы отопления удовлетворять возросшим требованиям называют ее моральным старением. Качество устаревшей системы повышают путем частичной модернизации отдельных узлов и деталей, оснащения ее средствами управления и диспетчерского контроля.

Одной из причин реконструкции может быть изменение условий эксплуатации системы отопления. Например, переход от постоянного теплового режима помещений здания к переменному с прерывистым отоплением. При этом изменяют мощность системы отопления, ее конструкцию, схемное решение, вводят новое оборудование.

Новую систему отопления в настоящее время проектируют, предусматривая возможность ее реконструкции или модернизации в будущем. Например, разделяют систему водяного отопления на пофасадные части для оснащения в будущем приборами автоматического регулирования. Предусматривают возможность замены обычного элеватора элеватором с регулируемым соплом или смесительным насосом, перехода к независимой схеме присоединения к тепловой сети.

Всистемах воздушного отопления автоматизируют действие отопительных агрегатов и воздушно-тепловых завес, центральных систем, в том числе регулирование распределения воздуха по каналам и воздуховодам.

Взданиях старой постройки реконструкция системы отопления, как правило, связана с конструктивными изменениями (например, с перекладкой магистральных труб). Учет этих затрат, а также стоимости нового автоматизированного оборудования часто приводит к выводу об экономической нецелесообразности реконструкции морально устаревшей си-

458

стемы. Окончательное решение и выбор варианта реконструкции в этом случае увязывают с экономической целесообразностью реконструкции всего здания в целом.

Частичную реконструкцию системы отопления может вызвать какой-либо внутренний дефект, который нельзя устранить путем ремонта. Например, при выходе из строя замоноличенных в строительные конструкции греющих элементов приходится устанавливать новые отопительные приборы непосредственно в обогреваемых помещениях, присоединяя их к существующей системе.

В редких случаях, в условиях особенно суровых зим, реконструкция вызывается последствиями аварий, особенно при неправильной эксплуатации систем отопления.

§ 18.2. Двухтрубная система водяного отопления повышенной тепловой устойчивости

Достаточно распространенная в городской застройке однотрубная насосная система водяного отопления не лишена недостатков. При ее эксплуатации тепловой режим в отдельных помещениях отклоняется от заданного вследствие нарушений расчетных условий в системе, вызываемых несоответствием фактической площади нагревательной поверхности приборов расчетной площади и непланомерным изменением температуры и расхода воды. Эти нарушения усугубляются своеобразной цепной реакцией, возникающей при продвижении воды через последовательно соединенные приборы каждого стояка или ветви. В результате при эксплуатации вынужденно проводят центральное регулирование температуры горячей воды, ориентируясь на помещения, находящиеся в неблагоприятных тепловых условиях. Это вызывает перегревание большинства помещений и перерасход теплоты на обогревание зданий.

Тепловой комфорт во всех помещениях и экономия теплоты, расходуемой на отопление, скорее могут быть обеспечены при независимой теплоподаче в каждый отопительный прибор. При этом упрощается индивидуальное регулирование теплоотдачи приборов с учетом теплопоступлений в помещения от других источников. Возможно даже использование приборов для охлаждения помещений в летнее время. Таким образом, по эксплуатационным соображениям систему отопления желательно выполнять по схеме не только с двухтрубными магистралями, но и с двухтрубными стояками. Двухтрубная система водяного отопления была заменена в нашей стране однотрубной в целях экономии металла на теплопроводах, уменьшения затрат труда при производстве заготовительных и монтажных работ, устранения пусконаладочного регулирования, т.е. для улучшения заготови- тельно-монтажных показателей. При этом была также достигнута повышенная эксплуатационная гидравлическая устойчивость.

Следовательно, если систему отопления для придания ей дополнительных эксплуатационных достоинств нужно сделать двухтрубной, то такая система, прежде всего, должна быть равноценна однотрубной по достигнутым показателям.

Равноценность может быть обеспечена при использовании двухтрубных стояков в системе с нижней разводкой. В таких стояках увеличение естественного циркуляционного давления вследствие охлаждения воды в трубах и приборах сопровождается увеличением длины циркуляционных колец. Двухтрубная система с верхним расположением подающей магистрали для этой цели непригодна.

Традиционная вертикальная двухтрубная система отопления (даже с нижней разводкой) отличается при эксплуатации от однотрубной неустойчивостью распределения теплоносителя воды между отопительными приборами по высоте стояков. Неустойчивость рас-

459

пределения воды под воздействием непропорционально изменяющегося естественного циркуляционного давления приводит к значительному вертикальному тепловому разрегулированию в течение отопительного сезона. Этот недостаток насосной двухтрубной системы уже отмечался: в теплый период отопительного сезона перегреваются помещения на нижних этажах, а в холодный период, наоборот, перегреваются помещения на верхних этажах, и недогреваются нижние помещения.

Ранее для преодоления этого недостатка в двухтрубной системе многоэтажного здания предлагалось повысить потери давления в подводках к отопительным приборам за счет установки на них дроссельных кранов повышенного гидравлического сопротивления с дросселирующим устройством (см. рис. 5.13). В настоящее время эта задача решается путем установки на подающей подводке к прибору термостатического клапана с автоматическим количественным регулированием (см. рис. 5.16), с помощью которого можно провести требуемую гидравлическую (монтажную) регулировку системы отопления. Последнее можно осуществить и с помощью специального отключающего крана, установленного на обратной подводке прибора (см. рис. 5.17).

Исследованиями установлено, что потери давления в таких кранах ркр должны быть не меньше максимального естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды, протекающей через отопительные приборы на верхнем этаже обогреваемого здания:

где ре.макс - максимальное естественное циркуляционное давление в двухтрубном стояке, Па, определяемое по формуле (7.35).

При выполнении этого условия двухтрубная система с кранами повышенного гидравлического сопротивления у приборов будет действовать в течение отопительного сезона устойчиво, т.е. без значительного вертикального теплового разрегулирования.

Монтажная настройка термостатического клапана и (или) отключающего крана на обратной подводке к отопительному прибору осуществляется с применением специальных диаграмм по методике, предоставляемой их фирмами-изготовителями.

Диаметр диафрагмы dд, мм, в дроссельном кране можно выбрать как средний после проведения оценочных расчетов по формуле

где Gпр - расход воды, кг/ч, в отопительном приборе, который определяют по тепловым нагрузкам приборов, находящихся в средней зоне (по высоте) трех характерных для системы стояков.

Желательно для всех дроссельных кранов системы принимать один и тот же диаметр диафрагмы. Однако при выборе ее диаметра учитывают возможность возникновения шума при протекании через кран воды, хотя для улучшения акустической характеристики дросселирующую диафрагму делают конусной (со скошенной кромкой отверстия). Диаметр диафрагмы выбирают по расчету в пределах 3...6 мм и проверяют скорость движения воды w, м/с, в подводке перед дроссельным краном вентильного типа по эмпирической формуле

460