Статья ВАК: О рациональности применения термостатов в системах водяного отопления

Инженеры всегда должны руководствоваться рациональностью и комплексным подходом к выбору основных материалов и технических решений. Однако при этом необходимо соблюдать требования, предъявляемые государственными строительными нормативными документами. К системе отопления, как к одной из основных инженерных систем здания, предъявляются свои особые требования:

1. Санитарно-гигиенические и эксплуатационно-физические (поддержание заданной температуры воздуха и внутренних поверхностей ограждений помещений, ограничение температуры на поверхности отопительных приборов, предотвращение образования конденсата на стенах и их промерзания).

2. Экономические (оптимальные капитальные вложения, экономный расход тепловой энергии при эксплуатации).

3. Архитектурно-строительные (соответствие интерьеру помещения, компактность, увязка со строительными конструкциями и пр.).

4. Производственно-монтажные (сокращение трудовых затрат и ручного труда и пр.).

5. Эксплуатационные (эффективность действия в течение всего периода работы, надёжность, безопасность, бесшумность при переменных нагрузках).

Система отопления должна полностью удовлетворять этим требованиям, как в комплексном подходе, так и в отдельных её элементах, которые не должны снижать общее качество её работы.

Согласно обязательному требованию Свода Правил 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», пункт 6.4.9, в жилых и общественных зданиях у отопительных приборов необходимо устанавливать автоматические терморегуляторы. Это и есть термостатические клапаны (ТСК) с термостатическими головками (ТСГ). Таким образом, данные устройства становятся необходимым элементом в центральных системах водяного отопления для каждого отопительного прибора.

Чтобы оценить рациональность применения данных устройств, следует обратиться к приведённому выше перечню требований, предъявляемых к системе отопления.

Оценка рациональности применения ТСК с ТСГ по всем пяти пунктам является достаточно долгой и кропотливой работой, поэтому в данной статье рассматривается только экономическая целесообразность их применения.

Описание объекта исследования

Для проведения исследования в качестве рассматриваемого объекта был выбран жилой девятиэтажный дом на 72 квартиры, общей жилой площадью 3952 м², расположенный в городе Москве. Проектная мощность системы отопления жилой части здания составляет 224 104 Вт. Температура воздуха, согласно техническому заданию, принята в жилых помещениях равной 21 °C (в угловых — 23 °C), в кухнях — 19 °C.

В здании предусмотрена горизонтальная коллекторная поквартирная двухтрубная система водяного отопления. У отопительных приборов установлены термостатические клапаны типа RA-N Ду 15 мм с термостатическими головками фирмы Danfoss типа RA 2994.

Исходные данные и результаты расчёта

Основной задачей ТСГ является изменение проходного сечения ТСК с целью увеличения, или уменьшения потока теплоносителя, поступающего в отопительный прибор, вследствие чего изменяется теплоотдача отопительного прибора. Если подробно не вдаваться в конструкцию самой ТСГ, то можно сказать, что ТСГ реагирует на температуру воздуха в отапливаемом помещении, и при выходе её значения из заданного диапазона начинает в автоматическом режиме изменять теплоотдачу отопительного прибора способом индивидуального количественного регулирования, тем самым возвращая значение температуры воздуха помещения в требуемый диапазон.

Соответственно, в процессе автоматического регулирования ТСГ может компенсировать теплоизбытки в помещении, например, полностью «отключая» отопительный прибор (то есть полностью перекрывая поток теплоносителя, протекающего в нём), таким образом используя дополнительные теплопоступления и снижая потребление тепловой энергии системой отопления.

Среди таких теплопоступлений стоит отдельно отметить следующие:

• от солнечной радиации;
• от электрооборудования (компьютеры, телевизоры, стиральные машины, электроплиты, утюги, пылесосы);
• от людей;
• от освещения.

Данные теплопоступления в помещение могут поступать единовременно, либо по отдельности. Вполне вероятен и такой случай, что теплопоступления могут покрывать теплопотребность помещения, и тогда отопительный прибор полностью «отключится» от циркуляции теплоносителя, но в помещении всё равно будет продолжаться рост температуры. Наиболее продуктивно экономия тепловой энергии при использовании ТСК с ТСГ будет наблюдаться при разновременном поступлении приведённых выше видов теплопоступлений. Далее приведены основные положения по определению величин данных теплопоступлений на рассматриваемом объекте.

Солнечная радиация

Для определения поступления теплоты от солнечной в нашем примере радиации был использованы данные о среднемесячном облучении вертикальных и горизонтальных поверхностей, согласно [1]. Общая поверхность остекления жилой части рассматриваемого здания составляет 468 м² (220 м² ориентировано на восток, 248 м² на запад). Теплопоступление через несветопрозрачные ограждения и кровлю в данной работе учтены не были, поскольку тепловая волна от теплопринимающей поверхности приходит в помещение с таким запозданием, что её учёт становится нецелесообразным.

Итак, согласно расчёту, в отапливаемые помещения жилой части дома может ежегодно поступать около 178 ГДж/год тепловой энергии от солнечной радиации.

От электрооборудования

Пусть в каждой квартире в течение четырёх часов работает один персональный компьютер (средней мощностью 210 Вт) и один телевизор (средней мощностью 120 Вт). Электроплита на кухне также при работе будет выделять значительное количество теплоты. Предположим, что она будет работать раз в сутки в течение получаса, с использованием двух конфорок (общей мощностью 2 кВт). Теплопоступление от остального оборудования условно не учитываем, считая их включение кратковременным (медленнее времени срабатывания ТСГ — 40 минут [2]).

Если учесть, что вся электрическая энергия данного оборудования переходит в тепловую, то общие теплопоступления в жилой части здания в течение отопительного сезона составят 123 ГДж/год.

От людей

Пусть в каждой однокомнатной квартире проживает один человек, который присутствует в ней только 12 часов и всё это время отдыхает. Предположим, что в каждой двухкомнатной квартире проживают двое человек разного пола, один из которых находится в квартире круглосуточно, выполняя лёгкую работу в течение 14 часов и 10 часов отдыхает, а второй присутствует в квартире только 12 часов и все это время отдыхает. В трёхкомнатных квартирах, предположим, проживает двое взрослых людей разного пола и ребёнок школьного возраста.

Расчёт теплопоступлений от человека выполнен согласно [3]. Общие теплопоступления от людей в течение года, таким образом, составят 124 ГДж/год.

От освещения

В силу активного распространения энергосберегающих светодиодных или люминесцентных ламп тепловыделение от освещения значительно уменьшилось и в данном исследовании не учитывается. Согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» бытовые тепловыделения могут быть определены исходя из удельной величины бытовых тепловыделений на 1 м² площади жилых помещений. Исходя из предложенной величины, при жилой площади здания в 2400 м² в здании за отопительный сезон выделяется порядка 345 ГДж/год тепловой энергии.

Предположим, что при проектировании бытовые тепловыделения не были учтены в тепловом балансе здания, а все теплопоступления в квартирах могут быть скомпенсированы изменением теплогидравлического режима системы отопления с помощью автоматического регулирования ТСГ. Тогда общая экономия тепловой энергии за отопительный сезон составит 425 ГДж/год.

Во всей жилой части здания установлены ТСК с ТСГ в количестве 192 шт. Средняя рыночная стоимость в настоящее время (апрель 2017 года) составляет 1300 руб. за ТСК RA-N и 1130 руб. за ТСГ RA 2994. Средняя рыночная стоимость классического латунного крана двойной регулировки КРДП составляет 162 руб.

Срок окупаемости применения ТСК с ТСГ по энергосбережению T_ок [год], определяемый с применением топливного эквивалента [4], составит:

где G_т — количество топлива, которое можно закупить на ту сумму денег, что предполагается потратить на энергосберегающее оборудование и материалы, м³ (при стоимость газа 4,14 руб/м³ составит 98 498 м³); Q_р.н — низшая теплота сгорания газа, кДж/м³ (принята 38 000 кДж/ нм³); η_п.д.т — коэффициент эффективности производства и доставки тепла потребителю (в первом приближении принимаем для современных условий 0,75); Q_г.эк — годовая экономия теплоты, достигнутая исходя из полной компенсации непредвиденных расчётом теплопоступлений в помещения, с помощью установки ТСК с ТСГ (425 млн кДж/м³).

Стоит отметить, что если в проекте были учтены бытовые тепловыделения, при расчёте тепловой нагрузки системы отопления, то общая экономия тепловой энергии за отопительный сезон может составить всего 80 ГДж/год. Срок окупаемости в таком случае составит 35 лет.

По результатам расчёта видно, что срок окупаемости установки терморегуляторов составляет более пяти лет даже с учётом того, что проектировщик не учёл бытовые тепловыделения, заложенные в нормативах. В случае учёта данной величины срок окупаемости данных применения ТСК с ТСГ становится сравним со сроком эксплуатации системы отопления при её качественном обслуживании (25–40 лет).

Стоит учесть, что в исследовании выбраны такие условия теплового баланса помещений, что теплопоступления в помещения поступают разновременно, и применение регуляторов позволяет полностью их компенсировать снижением теплоотдачи отопительных приборов. В действительности данные теплопоступления могут поступать единовременно, и тогда даже полное отключение отопительного прибора не позволит скомпенсировать весь избыток теплоты.

Кроме того, термостатические головки имеют определённую характеристику — зону пропорциональности, которая для выбранного типа ТСГ составляет 2 °C. Это означает, что клапан терморегулятора закроется полностью, когда температура в помещении превысит поддерживаемую температуру на 2 °C. Такая точность регулирования ТСГ может привести также к неполной компенсации теплоизбытков.

Отметим, что процессы реагирования ТСГ на изменение температуры воздуха, регулирования теплоотдачи отопительных приборов и изменения температуры воздуха в помещении обладают большой инерционностью [5]. В дальнейшем следует изучить это подробнее, чтобы точно определить способность такого решения своевременно и эффективно экономить тепловую энергию и поддерживать комфортную температуру в помещении.

Таким образом, если говорить об энергоэффективности применения ТСК с ТСГ, то она должна быть подтверждена для каждой конкретной конструкции системы отопления. Возможно, обязательное требование пункта 6.4.9 Свода Правил 60.13330.2016 о необходимости применения терморегуляторов предусматривает не только энергосберегающую функцию, но и заботится о комфорте пребывания людей в отапливаемых помещениях. Однако, как указывалось, в связи с большой инерционностью процесса регулирования и изменения температуры воздуха это следует дополнительно изучить.

Кроме того, согласно пункту 6.4.9 Свода Правил 60.13330.2016, допускается не устанавливать терморегуляторы при техническом обосновании. Это говорит о том, что есть необходимость создания методики «технического обоснования необязательности применения терморегуляторов».

Однако авторы статьи считают, что навязывание применения того или иного оборудования проектировщикам недопустимо, а применение его должно быть всегда конкретно технически обоснованным. Следовательно, есть необходимость создания методики «технического обоснования применения терморегуляторов», а в первом допущении конструкции системы не навязывать их в качестве дополнительного оборудования.

Нельзя не заметить и важный эксплуатационный недостаток, приводящий в ряде случаев к потере экономической эффективности применения ТСК с ТСГ.

В летний период все клапаны будут автоматически закрыты. В то же время требуется ежегодная промывка систем отопления. Чтоб промыть систему, термостатические головки необходимо снимать и ставить заглушку. А после промывки — всё восстанавливать. Эти трудозатраты необходимо учесть при расчёте техникоэкономических расчётов. Кроме трудозатрат при обходе квартир сотрудниками управляющих компаний, неизбежно возникнут юридические вопросы их проникновения в квартиры для работы. Эти вопросы на практике не решены.

На основании исследования можно сделать следующие выводы:

1. В каждом конкретном случае, при проектировании системы отопления следует учитывать рациональность применения любого технического решения с точки зрений пяти основных требований к системе отопления.

2. Срок окупаемости применения ТСК с ТСГ по энергосбережению может быть ориентировочно определён исходя из величины теплоизбытков, которые потенциально можно скомпенсировать снижением теплоотдачи отопительных приборов в помещении.

3. Справедливость требования пункт 6.4.9 СП 60.13330.2016 о необходимости применения терморегуляторов должна ещё раз быть осмыслена и подтверждена исследованиями.

4. Есть необходимость продолжения изучения процесса регулирования теплоотдачи отопительного прибора терморегуляторами с учётом теплового баланса здания в целом, конструкций ограждающих конструкций, процессов жизнедеятельности в помещениях и типа отопительных приборов.