Приветствую Вас, дорогие и уважаемые читатели сайта «world-engineer.ru». Итак, продолжим наш курс лекций. Теперь же затронем — центральное качественное регулирование отопительной тепловой нагрузки в водяных системах отопления зданий, виды систем отопления зданий и работу системы отопления зданий. Ниже представлена схема центрального качественного регулирования отопительной тепловой нагрузки в водяных системах отопления.

а) схема водяного отопления со струйным смешением

б) схема водяного отопления с насосным смешением

1 – отопительные приборы систем водяного отопления

2 – смешивающие устройства (элеваторы и центробежные насосы)

3 – регуляторы температуры

Системы отопления зданий состоят из:

1. Отопительные приборы – через эти устройства тепловая энергия отбирается от нагретой сетевой воды и передается потребителю теплоты, при этом воздух внутри помещений нагревается от температуры наружного воздуха (t_Н) до внутренней температуры (t_Н.ВР).

Можно разделить следующие типы отопительных приборов систем водяного отопления:

а) регистры – эти отопительные приборы выполняются из нескольких гладких стальных труб, которые располагаются горизонтально друг над другом. Эти приборы просты в изготовлении и легко очищаются от пыли и грязи, выдерживают давление сетевой воды до 1 МПа и температуру сетевой воды до 150 ⁰С. Однако, регистры дороги и занимают в помещении много места. Как правило, отопительные регистры широко используются в помещениях промышленных зданий при значительных выделениях пыли.

б) чугунные секционные и стальные панельные радиаторы – эти отопительные приборы выдерживают давление сетевой воды от 0,6 до 0,9 МПа и температуру нагретой сетевой воды на уровне 95-105 ⁰С. Такие приборы применяются, как правило, в помещениях жилых, административно-бытовых, общественных зданиях.

в) конвекторы – выполняются из стальных труб с диаметром от 15 до 25 мм. На эти трубы устанавливаю оребрение из стали с шагом ребер до 20 мм и высотой ребер от 80 до 200 мм. Отопительные приборы конвекторы выдерживают давление сетевой воды до 1 МПа и температуру до 150 ⁰С. Отопительные конвекторы могут устанавливаться в помещениях жилых, административно-бытовых, общественных зданиях, а также в промышленных зданиях с малым выделением пыли.

2. Разводка труб, стояк отопления, подводящие трубопроводы к отопительным приборам. Через эти элементы сетевая вода подводится к отопительным приборам и отводится от них.

3. Запорная арматура, регуляторы температуры и измерительные приборы.

Измерительные приборы фиксируют температуры сетевой воды в системе отопления (t, G, P), а также измеряют количество теплоты, которое передано в системе отопления (теплосчетчики), регуляторы температуры — осуществляют контроль за фактической температурой воздуха внутри помещения здания (t_В^Ф = t_В^Р + 1-1,5 ⁰С).

Регуляторы температуры работают следующим образом – в одном или нескольких контрольных помещениях устанавливаются датчики, которые фиксируют температуру внутреннего воздуха, когда значение внутренней температуры воздуха опускается ниже чем фактическая температура (t_В^Ф < t_В^Р — 1-1,5 ⁰С), подается сигнал на регулятор температуры и он полностью открывается и подается максимальный расход теплоты на здание, как только значение внутренней температуры t_ВНУТР становится больше чем температура наружного воздуха (t_В^Ф > t_В^Р + 1-1,5 ⁰С), от датчика снова подается сигнал на регулятор температуры и он полностью закрывается и, следовательно, прекращается подача теплоты в систему отопления здания. Раз прекращается подача теплоты, то здание начинает остывать, и внутренняя температура t_ВНУТР падает, таким образом осуществляется регулирование температуры отопительной тепловой нагрузки местными пропусками.

Недостатком этого метода регулирования является то обстоятельство, что требуется полностью оснащать системы отопления зданий автоматикой. Другим недостатком этого метода является тот фактор, что очень трудно подобрать контрольные помещения зданий, по температуре внутреннего воздуха t_ВНУТР которого можно судить обо всем здании в целом.

4. Смешивающие устройства (элеваторы или центробежные насосы).

Необходимость установки смешивающих устройств обусловлено тем обстоятельством, что очень часто температура сетевой воды, поступающей из наружной тепловой сети выше чем требуемая температура в отопительных приборах. Для того, чтобы понизить температуру сетевой воды до тех значений, которые требуются в отопительных приборах устанавливают элеваторы или центробежные насосы. Эти устройства к основному потоку сетевой воды подмешивают воду из обратного трубопровода системы отопления с температурой τ₀₂^Р <= 70⁰С. За счет подмешивания, температура сетевой воды снижается от значения τ₀₁^Р<=150 ⁰С до τ₀₃^Р <95⁰С и поступает в отопительные приборы, в них сетевая вода передает свою теплоту внутреннему воздуху, охлаждается до температуры τ₀₂^Р и поступает в обратный трубопровод. Затем часть воды идет на подмешивание в элеватор, а другая часть поступает в обратный трубопровод тепловой сети.

Функции элеватора:

1-я функция элеваторов – понижение температуры нагретой сетевой воды, которая подается из внешней тепловой сети до уровня допустимых температур в отопительных приборах.

2-я функция элеваторов – понижение давлений нагретой сетевой воды до уровня допустимых давлений в отопительных приборах.

Элеваторы просты в конструкции и надежны в работе, однако для нормальной работы элеватора и хорошей циркуляции сетевой воды необходимо выдерживать разность давлений между подающим и обратным трубопроводом системы отопления примерно на уровне 0,15-0,25 МПа, т.е. должно выполняться условие ΔР_Э = ΔР_О >=Р_О1 – Р_О2 >=0,15-0,25 МПа.

Очень часто у потребителей, которые находятся на конечных участках водяной тепловой сети и значительно удалены от источника теплоты эту разность давлений обеспечить не удается, в таких случаях вместо элеваторов используются центробежные насосы.

Недостатком схемы с насосным смешением является постоянный расход электроэнергии на привод центробежного насоса.

Основной характеристикой элеваторов и смешивающих центробежных насосов является коэффициент инжекции (смешения).

Коэффициент инжекции – это отношение расхода подмешивающей сетевой воды после системы отопления G_М к расходу сетевой воды, поступающей в систему отопления из внешней тепловой сети G_О.

И = G_М / G_О = (G_ОЗ – G_О) / G_О                      (*)

G_М – расход охлажденной сетевой воды подаваемой в элеватор из обратного трубопровода системы отопления

G_О = Q_О / (С_В (τ₀₁ – τ₀₂))

G_О – расход нагретой сетевой воды поступающее в систему отопления из подающего трубопровода внешней тепловой сети (кг/с).

G_ОЗ = G_О + G_М = Q_О / (С_В (τ₀₃ – τ₀₂))

G_ОЗ – расход смешивающей сетевой воды, поступающей в отопительные приборы здания (кг/с)

С_В – массовая теплоемкость воды.

Если в формулу (*) поставить выражения для расхода сетевой воды G_О и G_ОЗ, то эта формула преобразуется к виду:

И = (τ₀₁ – τ₀₃) / (τ₀₃ – τ₀₂) = const

Учитывая что ”И” является постоянной величиной и не зависит от температуры наружного воздуха, то очень часто его численное значение определяют при температуре наружного воздуха расчетной для проектирования отопления.

При t_Н = t_Н.РО. = t_НХ^Б:

И = (τ₀₁^Р – τ₀₃^Р) / (τ₀₃^Р – τ₀₂^Р) = const                         (**)

τ₀₁^Р – максимальное значение температуры сетевой воды на входе в систему отопления здания

τ₀₂^Р – максимальное значение температуры сетевой воды на выходе из системы отопления здания

τ₀₃^Р – максимальная температура сетевой воды на входе в отопительные приборы здания.

Значения температуры τ₀₁^Р, τ₀₂^Р, τ₀₃^Р определяются из температурного графика системы отопления. Температурным графиком называется зависимость температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети от температуры наружного воздуха, т.е. (τ₀₁ / τ₀₂) = f (t_Н^О, ⁰С).

Как правило, энергоснабжающие организации в чьем ведении находится котельная или ТЭЦ устанавливают максимальные значения температуры сетевой воды, т.е. (τ₀₁^Р / τ₀₂^Р) при t_Н.РО. = t_НХ^Б (⁰С) температура наружного воздуха расчетная для проектирования.

Существуют следующие стандартные температурные графики:

1) τ₀₁^Р / τ₀₂^Р = 150 / 70 ⁰С; И = 2,2

2) τ₀₁^Р / τ₀₂^Р = 140 / 70 ⁰С; И = 1,8

3) τ₀₁^Р / τ₀₂^Р = 130 / 70 ⁰С; И = 1,4

4) τ₀₁^Р / τ₀₂^Р = 120 / 70 ⁰С; И = 1

5) τ₀₁^Р / τ₀₂^Р = 110 / 70 ⁰С; И = 0,6

6) τ₀₁^Р / τ₀₂^Р = 105 / 70 ⁰С; И = 0,4

7) τ₀₁^Р / τ₀₂^Р = 95 / 70 ⁰С; И = 0

И тогда значение коэффициента инжекции, который рассчитывается по формуле (**) будет следующим:

τ₀₃^Р = 95

1) И = 2,2; 2) И = 1,8; 3) И = 1,4; 4) И = 1; 5) И = 0,6; 6) И =0,4; 7) И = 0

Принципиальная схема системы водяного отопления здания без смешивающих устройств

1 – отопительные приборы

2 – регулятор температуры

Для того, чтобы рассчитать температурный график и получить значения температуры τ₀₁, τ₀₂, τ₀₃ в течении всего отопительного периода и в интервале температур от t_Н.Ро. до t_Н.О. = +-8 ⁰С (+10⁰С) используют уравнение теплового баланса, которое составляется для системы отопления зданий.

Тепловой баланс составляется для температуры t_Н.РО. = t_НХ^Б (⁰С), когда система отопления работает в расчетном режиме и для любой произвольно взятой температуры наружного воздуха, t_Н ⁰С.

Тепловой баланс для жилых, общественных, административно-бытовых зданий записывается следующим образом:

Q_О^Р ≈ Q_ОГР^Р ≈ q_OV * V * (t_В^Р – t_Н.РО.) = G_О^Р * С_В *( τ₀₁^Р – τ₀₂^Р) = k_О^Р * F_О *Δt_О^Р                             (3)

При любой t_Н , ⁰С:

Q_О ≈ Q_ОГР ≈ q_OV * V * (t_В^Р – t_Н.) = G_О * С_В *( τ₀₁ – τ₀₂) = k_О * F_О *Δt_О                             (4)

Тепловой баланс для производственных зданий при t_Н = t_Н.РО. = t_НХ^Б, ⁰С:

Q_О^Р = Q_ОГР^Р + Q_ИНФ^Р – Q_ТВ = q_OV * V * [(1+М_ИНФ)*( t_В^Р – t_Н.РО.) – q_ТВ] = G_О^Р * С_В *( τ₀₁^Р – τ₀₂^Р) = k_О^Р * F_О *Δt_О^Р               (5)

При любой t_Н , ⁰С:

Q_О = Q_ОГР + Q_ИНФ – Q_ТВ = q_OV * V * [(1+М_ИНФ)*( t_В^Р – t_Н.) – q_ТВ] = G_О * С_В *( τ₀₁ – τ₀₂) = k_О * F_О *Δt_О                (6)

Q_ОГР – потери теплоты через ограждающие конструкции здания (кВт);

Q_ОГР^Р – максимальные потери теплоты через ограждающие конструкции здания (кВт);

Q_ИНФ – расход теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха (кВт);

Q_ИНФ^Р – максимальный расход теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха (кВт);

Q_ТВ – величина внутренних тепловыделений в самом здании

q_ОТ – удельная отопительная характеристика здания. Эта величина показывает какими будут потери теплоты с 1 м³ здания за 1 сек. при разности внутренней и наружной температуры в 1 ⁰С (кВт/м³*⁰С) удельной теплопотери здания.

М_ИНФ = Q_ИНФ / Q_ОГР = Q_ИНФ / Q_ИНФ^Р

М_ИНФ – коэффициент инфильтрации, учитывающий долю затрат на нагрев инфильтруемого наружного воздуха

q_ТВ = Q_ТВ / q_OV*V

q_ТВ – коэффициент тепловыделений, показывает на сколько градусов нагреется внутренний воздух в помещениях за счет внутренних тепловыделений (величина безразмерная).

V – объем здания по наружному обмеру (м³)

F_О – площадь поверхности нагрева отопительных приборов зданий

k_О и k_О^Р – коэффициенты теплопередачи отопительных приборов зданий (в расчетном режиме и при любой t_Н).

k_О = А*(Δt_О)^N

k_О^Р = А*(Δt_О^Р)^N

А – безразмерный коэффициент

n – показатель степени, который учитывает тип отопительных приборов, установленных в здании.

n = 0,25; n = 0,14-0,45

Для проектировочных систем отопления, когда точно не известно какие именно отопительные приборы будут установлены в здании принимаем n = 0,25.

Δt_О = [(τ₀₂ + τ₀₃) / 2] – t_В^Р – температурный напор отопительных приборов при любой t_Н.

Δt_О^Р = [(τ₀₂^Р + τ₀₃^Р) / 2] – t_В^Р – температурный напор отопительных приборов в расчетном режиме.

Разделив почленно выражение (3) на (4) и (5) на (6) получим следующие соотношения:

{Q_О} = Q_О / Q_О^Р = [q_OV*V*(t_В^Р – t_Н)] / [q_OV*V*(t_В^Р – t_Н.РО)] = [G_О*С_В *( τ₀₁ – τ₀₂)] / [G_О^Р*С_В *( τ₀₁^Р – τ₀₂^Р)] =

= (k_О*F_О*Δt_О) /(k_О^Р*F_О*Δt_О^Р);                     (+)

{Q_О} = Q_О / Q_О^Р = [q_OV*V*(1+М_ИНФ)* (t_В^Р – t_Н) – q_ТВ] / [q_OV*V*(1+М_ИНФ)* (t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ] =

=  [G_О*С_В *( τ₀₁ – τ₀₂)] / [G_О^Р*С_В *( τ₀₁^Р – τ₀₂^Р)] = (k_О*F_О*Δt_О) /(k_О^Р*F_О*Δt_О^Р);                          (++)

{Q_О} – относительная отопительная тепловая нагрузка

Приняты следующие допущения: k_О ≈ k_О^Р (т.к. не изменяется в широких пределах).

При центральном качественном регулировании отопительной тепловой нагрузки расходы сетевой воды постоянны, т.е. G_О = G_О^Р = const.

Проведя достаточно сложные и трудоемкие преобразования в формулах (+) и (++), получаем следующие соотношения для расчета температуры сетевой воды.

1. Для жилых, общественных и административно-бытовых зданий:

τ₀₁ = t_В^Р + [((τ₀₃^Р + τ₀₂^Р)/2) – t_В^Р] * {Q₀}^0,8 + [(τ₀₁^Р – τ₀₂^Р – (τ₀₃^Р — τ₀₂^Р)/2]*{Q₀}             (а)

τ₀₂ = t_В^Р + [((τ₀₃^Р + τ₀₂^Р)/2) – t_В^Р] * {Q₀}^0,8 – [(τ₀₃^Р – τ₀₂^Р) /2]*{Q₀} = τ₀₁ – (τ₀₁^Р — τ₀₂^Р)*{Q_О}                     (б)

τ₀₃ = t_В^Р + [((τ₀₃^Р + τ₀₂^Р)/2) – t_В^Р] * {Q₀}^0,8 + [(τ₀₃^Р – τ₀₂^Р) /2]*{Q₀} = τ₀₂ + (τ₀₃^Р + τ₀₂^Р)*{Q_О}                    (в)

Выражения (а), (б) и (в) можно существенно упростить, если ввести следующие постоянные значения:

O_О^Р = τ₀₃^Р – τ₀₂^Р – разность температур сетевой воды в отопительных приборах здания в расчетном режиме.

б τ₀^Р = τ₀₁^Р – τ₀₂^Р – температурный перепад в системе отопления здания в расчетном режиме

Δt_О^Р = [(τ₀₃^Р + τ₀₂^Р) / 2 – t_В^Р] – температурный напор

τ₀₁ = t_В^Р + Δt_О^Р*{Q_О}^0,8+[б τ₀^Р – (O_О^Р/2)]* {Q_О}      (г)

τ₀₂ = t_В^Р + Δt_О^Р*{Q_О}^0,8 – (O_О^Р/2)* {Q_О} = τ₀₁ – б τ₀^Р*{Q_О}  (д)

τ₀₃ = t_В^Р + Δt_О^Р*{Q_О}^0,8 + (O_О^Р/2)* {Q_О} = τ₀₂ + О₀^Р*{Q_О}     (е)

Выражения (а, б, в, г, д, е) – это кривые с небольшой выпуклостью вверх (из-за степени 0,8). При температуре наружного воздуха t_Н = t_Н.РО. = t_НХ^Б – эти температуры принимают максимальные значения τ₀₁ = τ₀₁^Р, τ₀₂ = τ₀₂^Р, τ₀₃ = τ₀₃^Р. А при t_Н = t_В^Р эти температуры сходятся в одну точку.

График изменения температур расхода сетевой воды при качественном регулировании отопительно-тепловой нагрузки для жилых, общественных, административно-бытовых и производственных зданий.

В зданиях, в которых температуры внутреннего воздуха отличается от принятого значения t_В^Р, как правило, применяют индивидуальное дополнительное регулирование отопительно-тепловой нагрузки непосредственно на отопительных приборах зданий. Также дополнительное индивидуальное регулирование необходимо в тех зданиях, где установлены отопительные приборы со значением n не равным 0,25.

2. Производственные здания

 τ₀₁ = t_В^Р + (И + 0,5)*( τ₀₃^Р – τ₀₂^Р)*[((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)] +

+ [0,5*( τ₀₃^Р + τ₀₂^Р) – t_В^Р]* [((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)]^0,8       (ж)

τ₀₂ = t_В^Р – 0,5*( τ₀₃^Р – τ₀₂^Р)*[((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)] +

+ [0,5*( τ₀₃^Р + τ₀₂^Р) – t_В^Р]* [((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)]^0,8       (з)

τ₀₃ = t_В^Р + 0,5*( τ₀₃^Р – τ₀₂^Р)*[((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)] +

+ [0,5*( τ₀₃^Р + τ₀₂^Р) – t_В^Р]* [((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)]^0,8       (и)

По аналогии с предыдущими выражениями (а, б, в, г, д, е) проводятся упрощения и преобразования этих формул:

τ₀₁ = t_В^Р + (И + 0,5)*O_О^Р *[((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)] +

+Δt_О^Р* [((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)]^0,8

τ₀₂ = t_В^Р – (О_О^Р/2) *[((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)] +

+ Δt_О^Р * [((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)]^0,8

τ₀₃ = t_В^Р + (О_О^Р/2) *[((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)] +

+ Δt_О^Р * [((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н) – q_ТВ) /((1+М_ИНФ)*(t_В^Р – t_Н.РО) – q_ТВ)]^0,8

Поделиться ссылкой: