Понятие микроклимата в жилом помещении в первую очередь связано с поддержанием комфортной температуры. В автономных системах отопления индивидуальных домов или квартир понятие «комфортная температура» определяется самим пользователем. Система управления отоплением в холодный период времени года должна поддерживать установленные уровни температуры воздуха с точностью не менее ±0,5°C. Эта условная величина соответствует минимальному порогу чувствительности изменения температуры человеком в 1°C при командах на включение и отключение отопительных приборов.

Теплогенераторы (отопительные котлы) для поддержания температуры внутри помещения должны компенсировать его тепловые потери через ограждающие конструкции дома в окружающую среду. Для расчёта теплопотерь важно знать коэффициент сопротивления теплопередачи R [ м²·К/Вт] элементов дома. При стационарном расчёте задаются наружная температура воздуха (температура окружающей среды), внутренняя температура воздуха в помещении, площади всех ограждающих конструкций (стен, окон пола, потолка) и их коэффициенты сопротивления теплопередаче.

Однако наружная температура изменяется, как в течение суток, так и в более длительном промежутке времени. В общем виде изменение температуры окружающей среды представляет собой волновой, то есть колебательный процесс. Для полного описания работы системы отопления и оптимизации затрат на эксплуатацию отопительного оборудования указанных выше параметров (наружная и внутренняя температуры воздуха, площадь помещений, коэффициенты сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций) недостаточно. И особенно важно знать, как колебания наружной температуры влияют на температуру внутри отапливаемого помещения.

Массовое распространение «поквартирного отопления» порождает повышенный интерес пользователей к современным системам управления работой главного агрегата автономной системы отопления — котла, поскольку эффективность его работы непосредственно связана с финансовыми затратами.

Среди наиболее продвигаемых энерго- и ресурсосберегающих технологий на рынке отопительного оборудования присутствуют «погодозависимые» автоматические системы управления мощностью теплогенерирующих устройств, предназначенные для поддержания комфортной температуры воздуха внутри отапливаемых помещений. Идея экономии газа подобными системами связана с возможностью корректировки мощности котла в зависимости от показаний внешней температуры воздуха даже при суточных колебаниях наружной температуры. Некоторые компании стремятся возвести эти системы управления в ранг стандарта или критерия инноваций.

Рассмотрим процессы изменений температуры именно внутренней поверхности стен квартир многоэтажного многоквартирного дома с автономной системой теплоснабжения («поквартирное» теплоснабжение).

При решении задачи управления системой отопления, кроме указанных выше параметров дома, требуется учитывать массу ограждающих конструкций, массу внутренних стен и перегородок, поскольку они являются своеобразными аккумуляторами тепловой энергии. То есть нужно знать их тепловую инерционность. Для управления системой отопления надо понимать, как быстро стены отдают своё тепло, знать скорость остывания и понимать, когда изменение температуры на внешней поверхности стен отразится на внутренней поверхности помещения.

Тепловой инерцией ограждающих конструкций здания называется их способность сохранять неизменным тепловое состояние внутренних слоёв стен жилых помещений при суточных атмосферных колебаниях температуры воздуха.

Если тепловые волны «угасают» в теле стены настолько, что амплитуда колебаний на внутренней поверхности стен незначительна, это значит, что ограждающие конструкции дома обладают большой тепловой инерционностью. На рис. 1 изображена тепловая волна, распространяемая в однослойном ограждении.


Рис. 1. Распространение тепловой волны в однослойном ограждении (а — динамический процесс распространения тепловой волны, б — статический процесс теплопередачи через однослойную ограждающую конструкцию)

Тепловая инерция определяется как D = RS, где R — термическое сопротивление слоёв ограждения; S — коэффициент теплоусвоения материалов ограждения за 24 часа. При D = 8,9 в ограждении располагается одна температурная волна длительностью 24 часа. Условно, конструкции делятся на:

  • безынерционные D < 1,5;
  • малой инерционности 4 > D > 1,5;
  • средней инерционности 4 < D < 7;
  • большой инерционности D > 7.

Слой резких колебаний температуры характеризуется показателем D = 1. Этому слою соответствует толщина стены, при которой амплитуда колебаний температуры уменьшается в два раза.

Очень лёгкие ограждения (например, сэндвич-панели) при резком похолодании полностью охлаждаются в течение сравнительно короткого периода времени (несколько часов). Массивные стены из бетона или кирпича полностью охлаждаются в течение нескольких суток, и резкое похолодание практически не изменит температуру на внутренней поверхности стен. Из условия тепловой устойчивости в многослойной конструкции аккумулирующий слой (с большим значением S) следует располагать изнутри, а теплоизоляционный (с малым S) — с наружной стороны. При увеличении температуры в помещении «лишнее» тепло будет аккумулироваться внутренним слоем, а затем возвращаться в помещение при понижении температуры. Таким образом будет смягчаться тепловая обстановка, улучшая комфортные ощущения человека.

Расчёт тепловой инерционности ограждающих конструкций и теплофизические свойства строительных материалов представлены в стандарте СНиП II-3–79* «Строительная теплотехника». Например, ограждающая конструкция из минеральной ваты толщиной 10 см имеет значение инерции около 0,8. Это значит, что ограждающая конструкция безынерционная, и температура на внутренней поверхности стен отапливаемого помещения имеет амплитуду колебания, равную около 0,6 от амплитуды изменения внешней температуры. При величине инерционности, равной единице, амплитуда колебания температур уменьшается в два раза.

Сосновая стена толщиной 10 см имеет показатель инерционности 2,25, следовательно, амплитуда колебаний температуры при суточных изменениях на внутренней поверхности стен будет составлять около 20% от внешних колебаний. Кирпичная кладка из обычного кирпича толщиной 36 см имеет показатель инерционности 6,5, значит на внутренней поверхности стены амплитуда колебаний составит около 2% от амплитуды изменения наружной температуры.

Встаёт вопрос о необходимости и эффективности отслеживания суточных колебаний температуры окружающей среды в системах управления работой котла, если ограждающие конструкции в доме имеют показатель инерционности более 4,0. А это практически все современные многоквартирные дома, строящиеся в РФ. Вопрос учёта тепловой инерционности ограждающих конструкций перестал обсуждаться с середины 1970-х годов, поскольку главным средством экономии энергии на отопление в многоквартирном доме является снижение теплопроводности стен и других ограждающих конструкций.

Вероятно, мода на «погодозависимую» автоматику управления работой автономных отопительных систем идёт из стран с более мягким климатом. В центральной и южной частях Европы стены многоквартирных домов имеют минимальный нормативный показатель инерционности, равный 1,5. В этом случае изменение амплитуды суточных колебаний температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет около 30% от внешней. И учитывать данные колебания температуры имеет смысл именно в Европе, но не в России, где строительство многоквартирных домов с такими показателями инерционности запрещено нормативными документами.

Определённый интерес, с точки зрения управляемости процессом отопления помещений и работы систем регулирования отопительных приборов, представляет понятие «сдвига фаз» или запаздывание реакции температуры на внутренней поверхности стен отапливаемого помещения на изменение температуры внешней поверхности стены как следствие колебаний температуры окружающей среды. Этот параметр зависит от инерционности ограждающей конструкции D и периода колебаний температуры T. Показатель запаздывания температурных колебаний определяется как ε = (0,113D — 0,017)Т.

При рассмотрении суточных колебаний внешней температуры (Т = 24 часа) для стены толщиной 10 см время запаздывания составит около 1,8 часа, а для стены толщиной 36 см кирпича — 16 часов.

То есть изменение температуры на внутренних поверхностях ограждающих конструкций происходит с запаздыванием, величина которого зависит от проекта здания и использованных строительных материалов. Назначать изменение работы отопительной установки автономной системы теплоснабжения по данным внешней температуры без учёта сдвига фазы изменения температуры не имеет смысла.

Рассмотрим работу «погодозависимой» системы управления автономной системы теплоснабжения квартиры в многоэтажном доме («поквартирное» отопление), в котором в качестве теплогенератора установлен настенный газовый конвекционный котёл. Минимальная мощность котла в режиме модуляции равна 40% от максимальной и составляет 8 кВт [1].

Второй вариант — когда в качестве теплогенератора установлен настенный газовый конденсационный котёл номинальной тепловой мощностью 24 кВт и минимальной мощностью в режиме модуляции 3 кВт [2]. Начальная внешняя температура атмосферы составляет 0°C, температура в помещении — 20°C, теплопотери ограждающих конструкций в стационарном режиме — 2 кВт·ч, ограждающие конструкции имеют инерционность, равную 4,0. Происходит суточное похолодание с амплитудой 10°C. В системе управления работой котлов установлен воздушный термостат с базовой температурой 20°C и гистерезисом 1°C.

Рассмотрим вариант конвекционного котла (любой вариант теплогенератора со значительным превышением минимальной мощности работы котла над величиной теплопотерь помещения). Система отопления работает в режиме «тактование» (периодическое включение и выключение котла). Корректировка (увеличение) мощности теплогенератора в зависимости от внешних значений температуры приведёт к «перегреву» температуры внутри отапливаемого помещения и прекращению работы котла по нагреву теплоносителя. После чего произойдёт постепенное снижение температуры в помещении при выключенном теплогенераторе.

Таким образом, вместо добавления мощности в период понижения внешней температуры получаем снижение произведённой тепловой энергии. То есть применение «погодозависимой» автоматики для управления работой энергетической установки не имеет смысла.

Вариант конденсационного котла (любой вариант теплогенератора с показателями минимальной мощности работы близкой к величине стационарных теплопотерь помещений) — система отопления работает либо в режиме «тактование», либо в режиме модуляции. При изменении внешней температуры на 10°C в сторону похолодания «погодозависимая» автоматика даст сигнал на увеличение мощности теплогенератора. Но, в силу тепловой инерционности ограждающих конструкций, на внутренней поверхности стен отапливаемого помещения температура не изменилась. Увеличение мощности отопительных приборов приведёт к нагреву воздуха внутри помещения, продолжающемуся около двух-трёх часов, и к отключению теплогенератора по команде комнатного воздушного термостата. После чего начинается остывание помещения.

Продолжительность отключения при гистерезисе автоматики 1°C составляет один-два часа. После чего котёл включается, но за продолжительное время (пять часов с момента начала снижения внешней температуры воздуха) наружная температура станет повышаться, и «погодозависимый» алгоритм даст команду на снижение мощности теплоагрегата. К этому моменту тепловая волна «похолодания» внутри ограждающей конструкции подходит к внутренней поверхности, но вместо команды «работа котла на повышенной мощности» контроллер даст команду «работа на пониженной мощности», что способно привести к понижению температуры в помещении от комфортной до некомфортной. Итак, применение «погодозависимой» автоматики управления работой энергетической установки для ограждающих конструкций с высокой инерционностью, с целью минимизации затрат на газ и создания комфортной температуры внутри помещения, при суточных колебаниях температуры атмосферы не имеет смысла.

Выводы

В многоквартирных домах с ограждающими конструкциями, имеющими показатели инерционности более 4,0, учитывать суточные колебания температуры атмосферы для оптимизации энергопотребления и комфорта человека посредством команд, управляющих работой системы теплоснабжения, неэффективно для любых теплогенераторов, поскольку:

  • колебания температуры внутренней поверхности ограждающих конструкций составляют менее 5% от амплитуды колебаний температуры атмосферы;
  • запаздывание изменения температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции зависит от многих факторов и составляет более половины суточных колебаний температуры, отсюда применение систем управления с жёсткой обратной связью по значению суточных колебаний температуры атмосферного воздуха неэффективно.