Одним из существенных недостатков центральных систем водяного отопления до недавнего времени считалась тепловая неустойчивость, представляющая собой нарушение при эксплуатации теплового режима помещений вследствие изменения температур теплоносителя. Это вызывает необходимость центрального регулирования температуры теплоносителя с ориентацией на помещения, находящиеся в неблагоприятных тепловых условиях. В результате происходит перегревание большинства помещений и перерасход теплоты на обогревание сооружений [1].
Борьба за повышение тепловой устойчивости систем является извечной проблемой повышения тепловой экономичности систем отопления. Предлагается много технических решений задачи её повышения. Приведём их: ограничение этажности зданий; производить расчёт систем отопления по способу характеристик сопротивлений; учитывать при гидравлическом расчёте только часть возникающего в системе естественного давления и т.п.
В настоящее время не без помощи нормативного эффекта широко применяются терморегулирующие краны. Эти устройства на отопительных приборах (несмотря на то, что производители рекламируют их пропорциональными, правда, в узком диапазоне), при существующей эксплуатации систем отопления, по своей сути, работают как двухпозиционные регуляторы, что, безусловно, существенно влияет на ожидаемый тепловой эффект. Чтобы краны соответствовали рекламируемым производителями качествам, необходимо реализовать серьёзные технические решения в системе, которые ни производителем, ни нормами не оговариваются.
Борьба за повышение тепловой устойчивости систем является проблемой повышения тепловой экономичности систем отопления. Для её решения предлагается много технических приёмов: ограничение этажности зданий; производить расчёт систем отопления по способу характеристик сопротивлений; учитывать при гидравлическом расчёте только часть возникающего в системе естественного давления и т.п.
Самой неблагополучной с точки зрения тепловой устойчивости системой отопления являлась двухтрубная система. Однако автору удалось найти техническое решение [2, 3], которое позволяет специалистам создавать двухтрубные системы практически с любой заданной величиной теплового разрегулирования — за счёт повышения гидравлической устойчивости. В связи с этим возник вопрос: «А можно ли, используя применённые технические решения, ещё более повысить тепловую (гидравлическую) устойчивость однотрубной системы отопления (и без того достаточно устойчивой)?».
В данной работе предполагается показать отдельные основные технические приёмы предложенных новых технических решений для однотрубных систем отопления, позволяющие понять суть и подчеркнуть отличия предлагаемых однотрубных от традиционных систем отопления, распространённых в настоящее время и широко представленных в учебной и справочной литературе [4, 5].
Основная особенность рассматриваемых однотрубных систем — возможность регулирования фактора, определяющего тепловую устойчивость вертикальных систем отопления, а именно — естественного гравитационного давления в системе.
Известно, что на величину постоянно меняющегося гравитационного давления можно влиять в основном в двух направлениях: разностью температур теплоносителей в циркуляционном кольце трубопроводов вертикального стояка и высотой трубопровода циркуляционного кольца, на которой имеется разность температур теплоносителя. В последнем случае, для известных систем отопления, подразумевается высота здания (ограничение этажности зданий). Используя указанные особенности, определяющие величину гравитационного давления, а, следовательно, и тепловую устойчивость системы отопления, автором предложены конструктивные решения двухтрубных вертикальных систем отопления [2].
В данной публикации уделяется внимание физической стороне изменения гравитационного давления в вертикальных однотрубных системах, а также даются некоторые технические рекомендации по внесению конструктивных изменений в известные однотрубные системы для повышения их тепловой устойчивости.
Для изложения существа предложения и облегчения его восприятия оговорим некоторые, используемые в дальнейшем в данной статье положения.
Температура теплоносителя на выходе из нагревательного прибора может быть любой, но не выше температуры теплоносителя в трубопроводе стояка, и должна определяться теплотехническими условиями подбора отопительных приборов. В то же время следует принять следующие аксиомы:
- температура теплоносителя в трубопроводе стояка обусловлена смесью теплоносителей, протекающей по стояку и выходящей из отопительных приборов;
- температура теплоносителя на выходе из отопительных приборов определяется исходя из условий теплотехнического расчёта (с использованием эффекта естественного затекания теплоносителя или его регулирования, или выбора однотипности устанавливаемых отопительных приборов и т.п.);
- степень остывания (перепад температур) теплоносителя в отопительных приборах может отличаться от перепада температур теплоносителя в магистральных трубопроводах системы отопления.
Примем следующую терминологию, аналогичную изложенной в работе [3]: одиночный стояк — это обычный стояк существующих однотрубных систем отопления; групповой стояк — это несколько (группа) одиночных стояков, соединённых между собой последовательно по теплоносителю в группу и подключённых к магистральным разводящим трубопроводам системы отопления.
Кроме того, как было показано в работе [1], одиночным стоякам однотрубных систем характерны повышенные гидравлические сопротивления, а при их горизонтальном соединении нескольких одиночных стояков в один групповой стояк в новой системе может вызвать нежелательное увеличение гидравлического сопротивления всей системы отопления.
На рис. 1-3 представлены для примера варианты схем осуществления новых систем отопления. Здесь и далее при указании на схемах температурных и расходных характеристик принималось, что все нагревательные приборы каждого стояка имеют одну и ту же мощность, и, следовательно, тепловая мощность одиночных стояков равна сумме мощностей нагревательных приборов этого стояка.
Примем следующие обозначения: G — расход теплоносителя на рассматриваемом участке; Go — расход теплоносителя, определённый по тепловой мощности одиночного стояка для принятых температур теплоносителя в подающем и обратном магистральных трубопроводах системы отопления; Qo — тепловая нагрузка одиночного стояка. В нагревательных приборах показаны температуры теплоносителя на входе и выходе из него. Чёрным обозначены температуры на соответствующих участках трубопровода. Красным определены средние значения температуры теплоносителя на трубопроводе одиночного стояка.
На рис. 1 приведена схема группового стояка, образованного соединением одиночных стояков по типу П-образных стояков. Расчётный перепад температур по групповому стояку 25 °C. Потребный расход теплоносителя на групповой стояк G = Qcт/25, а на одиночный стояк — Go = G/4. По данной схеме весь потребный для группового стояка расход теплоносителя G пропускается последовательно через соединённые одиночные стояки. Теплоноситель (далее по тексту он будет именоваться именно так) в нагревательных приборах охлаждается условно на 20 °C. В действительности степень охлаждения теплоносителя в нагревательном приборе зависит от многих факторов, в том числе от принятых условий их теплотехнического подбора.
На рис. 2 показана схема группового стояка, образованного простым последовательным соединением одиночных стояков (выход с входом). Обозначения аналогичны принятым для рис. 1. Очевидно, что данное конструктивное выполнение стояка уступает варианту, изображённому на рис. 1. Однако это не исключает возможности её использования. Так, на рис. 3 представлена схема группового стояка, представляющего собой одновременное соединение одиночных стояков по схемам на рис. 1 и 2.
Отметим, что представленные конструктивные исполнения однотрубных систем отопления, вообще говоря, не влияют на общую величину гравитационного давления: оно, как в стояке обычной однотрубной системы, так и в групповом стояке предлагаемой системы, — одно и тоже. Только в последнем случае, применительно к одиночному стояку, составляющему групповой стояк, гравитационное давление будет меньше. Это и обусловливает уменьшение влияния гравитационного давления на распределение теплоносителя по нагревательным приборам в каждом одиночным стояке, составляющим групповой стояк. Особенно это важно при фиксации расхода теплоносителя по групповому стояку.
Характерной особенностью модернизированных однотрубных систем отопления является то, что по каждому одиночному стояку транспортируется повышенный расход теплоносителя, обусловливающий необходимость использования трубопроводов большего диаметра, чем диаметр одиночных стояков привычных систем. Увеличение диаметра трубопровода, проходящего через отапливаемое помещение, вызывает увеличение теплоты, поступающей в помещение от трубопроводов, и сокращение тепловой нагрузки на отопительный прибор. Кроме того, как видно из данных, приведённых на рисунках, возрастает и температура теплоносителя, проходящего по стояку. Это может привести к тому, что теплопоступления от трубопроводов стояков позволят отказаться от установки в помещении нагревательных приборов.
Представленные конструктивные исполнения однотрубных систем отопления, вообще говоря, не влияют на общую величину гравитационного давления: оно, как в стояке обычной однотрубной системы, так и в групповом стояке предлагаемой системы, одно и тоже
Используя данное свойство, при определённых условиях возможно в каждом помещении подбирать диаметр трубопровода (или части) из условия компенсации теплопотерь, но при этом обеспечивать нормальную работу системы. Определяющим является исходный диаметр группового стояка, и только после его определения можно приступать к выбору варианта обогрева помещения. При выборе диаметра из условия достижения максимально допустимой скорости теплоносителя диаметр стояка будет минимален, а при определении диаметра стояка по минимально допустимой скорости теплоносителя диаметр будет максимален. В пределах этих диаметров и следует принимать к установке диаметр одиночного стояка. В табл. 1 и 2 указаны данные, с помощью которых можно приближённо оценить, насколько возможен отказ от нагревательных приборов.
При определённых условиях возможно в каждом помещении подбирать диаметр трубопровода (или части) из условия компенсации теплопотерь, но при этом обеспечивать нормальную работу системы
Например, если теплопотери помещения составляют 500 Вт, то минимальная теплоотдача 1 п.м. этажа стояка должна быть не менее 500/2,5 = 200 Вт. Из табл. 2 следует, что это возможно при температуре теплоносителя в системе 115/70 °C при стояках условного диаметра Ду32 и на этажах, у которых разность температур теплоносителя и температуры воздуха обслуживаемого помещения находится в диапазоне 98-93,24 °C:
98 - 20 × [(215 - 200)/(215 - 152)] = 93,24 °C, то есть при расходе теплоносителя в групповом стоке не более 3500 кг/ч (табл. 1).
Если принять условный диметр этажного стояка равным величине, например, 50 мм, то отказаться от нагревательных приборов будет возможно на этажах, у которых разность температур теплоносителя и температуры воздуха обслуживаемого помещения находится в диапазоне 98-83,33 °C:
98 - 20 × [(255 - 200)/(255 - 180)] = 83,33 °C, то есть при расходе теплоносителя в групповом стоке величиной не более 11 700 кг/ч (табл. 1).
При температурах теплоносителя в системе отопления 95/70 °C отказаться от нагревательных приборов возможно при условном диаметре этажного стояка 70 мм и на этажах, у которых разность температур теплоносителя и температуры воздуха обслуживаемого помещения находится в диапазоне 78-68,39 °C:
78 - 20 × [(237 - 200)/(237 - 160)] = 68,39 °C, то есть при расходе теплоносителя в групповом стоке не более 20 100 кг/ч (табл. 1). На рисунках условно принято, что тепловые нагрузки одиночных стояков одинаковы и расход теплоносителя по ним постоянен (он равен суммарному расходу всех стояков, определённых из условия разности температур теплоносителя в магистральных трубопроводах). Однако этот идеальный вариант редко встречается на практике. Как правило, тепловая нагрузка одиночных стояков различна.
В табл. 3 приведены возможные (максимальная и минимальная) пропускные способности [кВт] групповых стояков при различных их диаметрах и расчётных разностях температур теплоносителя в системе отопления. Цветом выделены наиболее приемлемые, по нашему мнению, для использования значения условных диаметров групповых стояков и расчётных разностей температур теплоносителя систем отопления. Так, из табл. 3 имеем, что, выбрав трубопровод группового стояка условным диаметром 40 мм, через него можно обеспечить теплом помещения суммарной тепловой мощности 27-201 кВт. Отметим, что секция девятиэтажного панельного дома постройки 1970 года имеет теплопотери порядка 100 кВт и около 15-18 одиночных стояков, которые вполне могут быть объединены в один групповой стояк.
На рис. 4 представлен вариант однотрубной системы отопления повышенной тепловой устойчивости с одиночными стояками различной тепловой нагрузкой и пропуском через них постоянного суммарного расхода теплоносителя. Здесь за единицу сравнения расходов теплоносителя принят расход теплоносителя, определённый по температурному графику системы отопления по стояку с минимальной тепловой нагрузкой (Q1; G1).
Из данных рис. 4 следует, что температура теплоносителя в малозагруженных стояках изменяется незначительно и имеет достаточно высокое значение, что не может не сказаться на поверхности нагрева отопительных приборов (или, как говорилось выше, можно использовать трубопровод стояка). Другим вариантом повышения эффективности использования температурного потенциала теплоносителя может быть рекомендация группировать соединения одиночных стояков, начиная с наиболее нагруженных.
При возникновении потребности уменьшить диаметр каких-либо одиночных стояков (при сохранении возможности управления тепловой устойчивостью системы) можно воспользоваться схемой, приведённой на рис. 5. Данный технический приём можно применить при необходимости достижения одинаковой тепловой устойчивости в части одиночных стояков группового стояка. Во всех указанных случаях суммарный расход группового стояка необходимо распределить между рассматриваемыми одиночными стояками пропорционально их тепловым нагрузкам. При использовании данного приёма и существенной разности в тепловых нагрузках одиночных стояков может возникнуть некоторое перераспределение теплоносителя.
В этом случае для исключения данного явления целесообразно на этих одиночных стояках установить регуляторы расхода. Следует отметить, что использование в новых системах отопления групповых стояков, помимо повышения тепловой устойчивости, обусловливает увеличение эффективности использования температурного потенциала теплоносителя. Так, недоиспользованный в результате регулирования теплоотдачи отопительных приборов температурный потенциал теплоносителя в одном одиночном стояке используется в другом одиночном стояке, также являющимся частью группового стояка.
Во всех случаях суммарный расход группового стояка нужно распределить между рассматриваемыми одиночными стояками пропорционально их тепловым нагрузкам. При этом может возникнуть некоторое перераспределение теплоносителя
На рис. 6 представлен пример организации группового стояка при обслуживании им зданий различной этажности. Температурный режим теплоносителя в таком стояке определяется методом, аналогичным изложенному выше, и на рис. 6 не приводится.
Также представляет интерес компоновка группового стояка с центральным подающим стояком и двумя по обе стороны от центрального стояка. Такая компоновка позволит сократить магистральные разводящие трубопроводы, а в ряде случаев полностью отказаться от них, например, когда количество предполагаемых одиночных стояков не превышает 10-12 шт. Таким образом, в данной статье рассмотрены принципиальные технические вопросы, позволяющие проектировать однотрубные систем отопления повышенной тепловой устойчивостью.
