Рис. 1. Вертикальный стояк двухтрубной системы отопления с верхней разводкой, разбитый на три зоны
Рис. 2. Двухтрубная система отопления с верхней разводкой, с байпасированием стояков и зон нагревательных приборов в стояках
Рис. 3. Двухтрубная система отопления с верхней разводкой, с байпасированием стояков и зон нагревательных приборов в стояках
Рис. 4. Нагревательный прибор с байпасом
В ранее опубликованной статье [1] рассмотрены технические возможности влияния на тепловую устойчивость вертикальных двухтрубных систем отопления, обусловленную переменной величиной гравитационного давления. Там же приведены некоторые принципиальные схемы, иллюстрирующие осуществимость таких решений.
В настоящей работе предполагается показать отдельные основные технические особенности предложенных новых систем отопления, позволяющие лучше понять их суть, еще раз подчеркнуть отличия этих систем от распространенных в настоящее время традиционных систем отопления, широко рассматриваемых в учебной и справочной литературе [2, 3]. Основная особенность рассматриваемых систем — это активное регулирование фактора, определяющего тепловую устойчивость вертикальных двухтрубных систем отопления, то есть естественного гравитационного давления.
Как было показано ранее, на величину постоянно меняющегося гравитационного давления можно влиять, в основном, следующими методами: уменьшением разности температур теплоносителей в подающем и обратном трубопроводах вертикального стояка, либо уменьшением высоты, на которой в подающем и обратном трубопроводах вертикального стояка наблюдается разность температур теплоносителя.
В последнем случае подразумевается изменение высоты, на которой наблюдается наибольшая разность температур теплоносителя в стояках (ограничение этажности зданий). Используя указанные методы влияния на величину гравитационного давления, а, следовательно, на тепловую устойчивость системы отопления, автором предложены конструктивные решения двухтрубных вертикальных систем отопления [1].
В этой публикации, в основном, уделяется внимание физической стороне изменения гравитационного давления. Автор попытается дать некоторые технические рекомендации по проектированию новых систем, провести первую их классификацию. Однако, прежде чем перейти непосредственно к изложению содержания, для лучшего восприятия существа вопроса ознакомимся с некоторыми положениями, используемыми автором, и в дальнейшем позволяющими понять сущность предлагаемых решений.
Необходимо в первую очередь отказаться от сложившегося традиционного представления, согласно которому: температура теплоносителя, выходящего из нагревательных приборов, соответствует температуре теплоносителя в обратном трубопроводе стояка; температура теплоносителя на выходе из нагревательного прибора может быть любой, но не выше температуры теплоносителя в трубопроводе подающего стояка.
И в тоже время необходимо принять следующие утверждения: температура теплоносителя в трубопроводе обратного стояка может быть любой, обусловленной смесью теплоносителя, протекающего по стояку и выходящего из нагревательных приборов; температура теплоносителя в трубопроводе обратного стояка может корректироваться любым методом, включая подмешивание теплоносителя из подающего трубопровода; перепад температур теплоносителя в нагревательных приборах может отличаться от перепада температур теплоносителя на входе в подающий и выходе из обратного трубопроводов стояка, и, соответственно, из подающего, и на входе в обратные магистральные трубопроводы.
Примем следующую терминологию: элементарный стояк — стояк в том виде, как его принято обозначать в существующих системах отопления; зонированный стояк — это элементарный стояк, нагревательные приборы которого разбиты на зоны (группы), с использованием частичного их байпасирования; групповой стояк — это несколько (группа) элементарных или зонированных стояков, соединенных последовательно по теплоносителю.
Наиболее подходящими для новых систем являются системы со стояками с попутным движением теплоносителя. Это обусловлено тем, что стояки с тупиковым движением теплоносителя, во-первых, не позволяют конструктивно разбить стояк на несколько зон и обеспечить промежуточный подогрев обратного теплоносителя перед зоной. Кроме того, как было показано в работе [1], этим стоякам характерны повышенные гидравлические сопротивления, что при их горизонтальном соединении нескольких элементарных стояков в один групповой стояк новой системы вызывает нежелательное увеличение гидравлического сопротивления всей системы отопления.
Следует отметить, что при использовании данных стояков все подающие и обратные трубопроводы стояков имеют повышенный диаметр. Их можно рекомендовать только при горизонтальном соединении нескольких вертикальных стояков в зданиях умеренной высоты. Стояки с попутным движением теплоносителя, сами по себе, имеют меньшее гидросопротивление. Конструктивно эти стояки можно разбить на зоны, каждая из которых характеризуется своим температурным режимом теплоносителя и достаточно легко конструктивно обеспечивать его (создать зонированный стояк).
Кроме того, этот тип стояка, в отличие от тупикового, позволяет уменьшить диаметры подающего трубопровода стояка. Обратный трубопровод стояка будет несколько большего диаметра. На рис. 1, 2 и 3 для примера представлены варианты схем осуществления новых систем отопления с байпасированием. Здесь и далее при указании на схемах температурных и расходных характеристик принималось, что все нагревательные приборы стояка одной и той же мощности, а, следовательно, зоны и тепловая мощность всех элементарных стояков одинакова.
Здесь G — расход теплоносителя на рассматриваемом участке, а Go — расход теплоносителя, определенный по суммарной тепловой мощности нагревательных приборов зоны для принятых температур теплоносителя в подающем и обратном магистральных трубопроводах системы отопления. В нагревательных приборах показаны температуры теплоносителя на входе и выходе из него.
Черным обозначены начальные и конечные температуры на соответствующих участках трубопровода. Красным определены средние значения температуры теплоносителя на соответствующем участке трубопровода зоны (стояка). На рис. 1 приведены схемы зонированных стояков. Расчетный перепад температур — 25 °C. Потребный расход теплоносителя на стояк G = Qст/25, а на зону — Go = G/3, но по схеме А мы весь потребный для стояка расход теплоносителя G пропускаем последовательно через нагревательные приборы каждой зоны.
еплоноситель в рассматриваемой системе при оговоренных выше условиях в нагревательных приборах охлаждается на 25/3 = 8,33 °C, однако температура теплоносителя на входе в нагревательные приборы каждой зоны будет различной. В принципе, данная схема по своей природе похожа на случай, когда мы в традиционной системе увеличиваем расход теплоносителя для уменьшения влияния естественного гравитационного давления, однако в рассматриваемом варианте такой же эффект достигается при стандартном расходе и перепаде температур теплоносителя.
В схеме В используется эффект байпасирования каждой зоны. Здесь в каждую зону нагревательных приборов подается стандартный расход теплоносителя, а два стандартных расхода теплоносителя байпасируют эту зону по обратной. Перепад температур теплоносителя в нагревательных приборах принят для всех температур в подающей одинаковым и равным 25 °C. Температура теплоносителя на входе в нагревательные приборы для разных зон будет различной.
Температуры, помеченные красным, так же как и в предыдущем случае отображают среднюю температуру теплоносителя на этом участке трубопровода рассматриваемой зоны. Поскольку температура теплоносителя в обратном трубопроводе после каждого нагревательного прибора изменяется, то, как видно, влияние температурной разности теплоносителей в вертикальных трубопроводах уменьшается в два раза.
По сравнению со схемой А, в рассматриваемой схеме подающие трубопроводы всех зон обусловливаются стандартными расходами теплоносителя и стандартной разностью температур теплоносителя 25 °C. В схеме Б иллюстрируется техническая возможность варьировать расходными и температурными параметрами в зонированных стояках. Так, в схеме Б принято по подающему трубопроводу каждой зоны пропускать уже не стандартный расход теплоносителя, а удвоенный.
Остальной расход (разность между стандартным расходом по всему стояку, и расходом, поданным в подающий трубопровод зоны) байпасируется. Температурная разность теплоносителя в нагревательных приборах будет определяться по установленному расходу теплоносителя, поступающего непосредственно в нагревательный прибор. Если отвлечься от ограничений, принятых выше, можно сказать, что зоны в стояках могут содержать разное количество нагревательных приборов, разной тепловой мощности и степени использования температурного потенциала теплоносителя (разности температур теплоносителя в нагревательных приборах).
Все, что сказано относительно температурных и расходных особенностей зонированных стояков, можно распространить и на температурные и расходные особенности групповых стояков, ассоциируя элементарные или зонированные стояки с зонами зонированных стояков. На рис. 2 и 3 приведены схемы двухтрубных систем отопления с байпасированием стояков и зон стояков. Двухтрубные системы отопления чаще всего конструктивно образуются, как правило, вертикальными стояками, размещенными между подающими и обратными магистральными трубопроводами. Магистральные трубопроводы могут располагаться по отношению к стоякам как по одну, так и по разные стороны.
Если это обстоятельство мало сказывается на структурной схеме традиционных систем, то совсем другое дело — для новых систем с повышенной тепловой устойчивостью. При необходимости расположения магистральных трубопроводов по одну сторону тупиковые элементарные стояки следует объединять в групповые стояки в новой системе, как с четным, так и нечетным количеством элементарных стояков.
В тоже время, элементарные стояки с попутным движением теплоносителя следует объединять в групповые стояки для новой системы только с четным количеством элементарных стояков, независимо от количества зон в элементарных стояках. При расположении магистральных трубопроводов по разные стороны тупиковые стояки следует объединять в групповые стояки новой системы с четным количеством элементарных стояков.
Стояки с попутным движением теплоносителя, независимо от количества зон в элементарных стояках, следует объединять в групповые стояки новой системы с нечетным количеством элементарных стояков. На рис. 2 и 3 показано, что групповые стояки образованы последовательным соединением единичных элементарных стояков, с одинаковым количеством зон по одному, однако возможна организация последовательного соединения одновременно по нескольку элементарных стояков (например, двух, трех и т.п.). Не исключается применение стояков различной высоты и с различным количеством зон. В последнем случае желательно, чтобы изменение высоты стояков согласовывалось с количеством зон элементарных стояков.
Отметим некоторые особенности подхода к автоматическому регулированию двухтрубных систем отопления с байпасированием. Поскольку характер влияния естественного гидравлического давления в новых системах, в основном, оценивается на стадии проектирования (выбора количеств зон в стояках и элементарных стояков, объединяемых в групповые стояки) и может быть незначительным, то поддержание постоянства расхода теплоносителя в групповом стояке при качественной системе обеспечения температуры подающего теплоносителя во всей системе может оказаться достаточным.
В пределах любого элементарного стояка (вернее, зоны стояка), образующего групповой стояк, изменение расхода теплоносителя через нагревательные приборы, расположенных на верхних и нижних этажах при изменении естественного гидравлического давления может оказаться меньше изменения, обусловленного дискретностью диаметров трубопроводов, подобранных при гидравлическом расчете.
Для распространенных в настоящее время двухтрубных систем поддержание постоянства расхода теплоносителя в стояке не исключает ощутимого изменения количеств теплоносителя, поступающего на разных этажах в нагревательные приборы при годовом изменении его температуры [1, 5]. Используя возможность целенаправленного изменения количеств теплоносителя, поступающего в нагревательный прибор, проиллюстрированную на рис. 1б, представляется реальным обеспечить постоянство расходов теплоносителя у каждого потребителя.
Это предопределяет создание систем с гарантированным постоянным распределением теплоносителя, независимо от характера возмущения от естественного гравитационного давления или от трудностей гидравлической увязки циркуляционных колец. Дело в том, что указанный технический прием позволяет подобрать такой режим работы нагревательных приборов, при котором расход теплоносителя в подводящих к ним трубопроводах будет соответствовать регламентируемому диапазону работоспособности регулирующего устройства.
Существующие системы [5] обеспечить это не в состоянии. Но здесь мы вступаем в противоречие с существующим регулирующим оборудованием — клапанами и терморегуляторами. Рекламируемые качественные характеристики этого оборудования следует рассмотреть самостоятельно, но здесь важно то, что регулирование теплоотдачи нагревательных приборов они осуществляют изменением количества проходящего теплоносителя.
Противоречие заключается в том, что, с одной стороны, мы вынуждены стабилизировать расход теплоносителя через нагревательный прибор, а с другой — его изменять. На данном техническом уровне устранить эти противоречия можно, оборудовав нагревательные приборы обводными трубопроводами с регулирующими клапанами (рис. 4). Это можно обеспечить отдельным трубопроводом или специально предусмотренным в нагревательном приборе канале.
Последнее предпочтительнее, поскольку в настоящее время нагревательные приборы поставляются с регулирующими клапанами. При применении трехпроходных клапанов имеется следующая картина: с понижением регулируемой температуры увеличивается пропуск теплоносителя через нагревательный прибор; а с повышением регулируемой температуры увеличивается количество теплоносителя, поступающего в обвод нагревательного прибора.
Если используются проходные клапаны на байпасе, то, соответственно, при понижении регулируемой температуры обвод уменьшается, а при повышении регулируемой температуры он увеличивается. Учитывая наблюдаемую тенденцию в развитии систем отопления [4] — переход от вертикальных стояковых систем к горизонтальным системам, изображенные на рисунках нагревательные приборы можно трактовать как систему горизонтальной разводки, а вертикальные стояки — как вертикальные разводящие магистральные трубопроводы.
Все изложенное выше, в основном, рассматривалось для двухтрубных систем отопления. Обратимся вновь к рис. 1а. При образовании в данном стояке зоны из одного нагревательного прибора стояк превращается во всем известный проточный стояк однотрубной системы отопления. Аналогичная трансформация стояков (рис. 1б–в) вырождаются в однотрубные системы с замыкающими участками (температурные и расходные характеристики, указанные на рисунке, во внимание не принимать).
В отличие от распространенных однотрубных систем, системы по схемам рис. 1б–в отличаются тем, что количество теплоносителя, поступающего в нагревательные приборы, обусловливается не количеством естественно затекающего теплоносителя, а определяется теплотехническим и гидравлическими расчетами (правда, в некоторых случаях, возможно использовать эффект естественного затекания). Это позволяет охлаждать теплоноситель в нагревательном приборе на любую выбранную проектировщиком разность температур.
Не исключается, если это технически возможно, использовать эффект затекания. При необходимости автоматического регулирования температуры воздуха в обслуживаемом помещении изменением количества протекающего через прибор теплоносителя могут использоваться схемы рис. 4. В этом случае, вероятно, появится помимо основного замыкающего участка и второй участок — байпасный трубопровод 2 (рис. 4). Последовательное соединение в групповые стояки элементарных известных и новых однотрубных стояков способно обеспечить, как и в двухтрубных системах, повышенную тепловую стабильность однотрубной системы отопления.
Описанные выше приемы повышения тепловой стабильности систем отопления из-за постоянно меняющегося естественного гравитационного давления ставят на повестку дня вопрос об устранении гидравлической невязки циркуляционных колец, обусловленной дискретностью диаметров трубопроводов. Избежать этого можно, стабилизировав общий расход теплоносителя по стояку (зоне), и определением действительных расходов теплоносителя по нагревательным приборам с учетом гидравлического (расчетного) сопротивления циркуляционного кольца через данный прибор.
Все изложенное выше дает полное основание считать, что, отказавшись от некоторых сложившихся традиционных технических решений и приемов, используя эффект воздействия на температуру теплоносителя в обратном трубопроводе, описанные новые конструктивные решения систем отопления позволяют обеспечить заданную тепловую и гидравлическую устойчивость. Наличие данных технических решения позволяет ввести в нормативную и справочную литературу величины допустимой тепловой и гидравлической устойчивости.
