Особенности расчета систем отопления и охлаждения с регулирующими клапанами

Наиболее энергоемкий сектор большинства государств занимают системы обеспечения комфортной жизнедеятельности человека. Эти системы обладают огромным резервом повышения эффективности, который предстоит выявить и рационально использовать в повседневной практике. Достижение теплового комфорта в помещении при минимальном энергопотреблении — требование сегодняшнего дня. Реализовать его возможно при более глубоком изучении процессов регулирования современных систем. Теория регулирования имеет уже солидный возраст и воплощена во множестве инструкций, справочников и научных работ [1, 2, 3].Однако за последние десятилетия существенно изменилось конструктивное исполнение регулирующего оборудования и степень оснащения им систем, что потребовало проверки существующей теории регулирования на соответствие современным условиям. Идеализированная модель регулирования теплообменного оборудования представлена на рис. 1 [2].В ее основу положено обеспечение линейного управления теплогидравлическим процессом, позволяющее системе адекватно реагировать на внешние условия. Например, при изменении температуры воздуха в помещении терморегулятор должен соответственно подкорректировать тепловой поток отопительного прибора. Для реализации такой работы необходимо состыковать расходную характеристику терморегулятора с характеристикой отопительного прибора: обеспечить 10%-е увеличение относительного расхода теплоносителя G/G_расч (где индексом расч обозначена расчетная величина при проектировании системы) на терморегуляторе при подъеме его штока h/h₁₀₀ на 50% (где h₁₀₀— максимальная высота подъема). В результате достигают увеличения теплового потока отопительного прибора Q/Q_ном на 50% (индексом ном обозначена номинальная величина теплового потока отопительного прибора при расчете системы), обеспечивая его линейное регулирование. Аналогичный подход применяют для регулирования фанкойлов, калориферов, теплообменников и другого теплообменного оборудования систем обеспечения микроклимата. Рассмотренная модель идеализированного взаимодействия теплообменного прибора и регулирующего клапана в реальности существенно видоизменяется: происходит искажение характеристики теплообменного прибора (кривая на рис. 1, а) под воздействием качественного регулирования теплоносителя и происходит искажение расходной характеристики регулирующего клапана (кривая на рис. 1, б) в зависимости от предоставляемой клапану возможности управления располагаемым давлением на регулируемом участке. Остановимся подробнее на видоизменении кривой на рис. 1,б. Традиционная теория регулирования основана на том, что искажение расходной характеристики регулирующего клапана зависит от соотношения потерь давления на клапане в максимально открытом положении к располагаемому перепаду давления на регулируемом участке. Это соотношение называют коэффициентом управления (коэффициент искажения идеальной характеристики, либо внешний авторитет) регулирующего клапана. Исследования, проведенные в Словении, Польше и Украине на проливочных установках компании DANFOSS, показали, что традиционная теория регулирования не в полной мере отвечает действительности. Расхождение между теоретической и действительной расходными характеристиками, соответственно между кривой 1 и кривой 2 на рис. 2, зависит от конструктивного исполнения клапана и может быть весьма существенным. Причина заключается в том, что традиционная теория регулирования не учитывает конструктивных особенностей регулирующего клапана. Предполается приблизительное сходство идеальной и реальной расходной характеристики клапана при коэффициенте управления, равном единице. Однако, современные клапаны имеют встроенные дроссели, диафрагмы, да и сами могут быть с косым, перпендикулярным штоком и другого исполнения, что требует соответствующего теоретического отражения. Предлагаемая теория [4] дополняет традиционную теорию и основана на ее же принципах — взаимоотношениях перепадов давления. По своей сути она разделена на две составляющие: первая учитывает искажение расходной характеристики внутри клапана под воздействием сопротивления его конструктивных элементов (выделенная зона между кривыми 1 и 2 на рис. 3); вторая учитывает искажение расходной характеристики клапана под воздействием сопротивления элементов регулируемого участка (выделенная зона между кривыми 2 и 3 на рис. 3).Соответственно первичное искажение расходной характеристики определяется базовым коэффициентом управления клапана (базовый авторитет) и является отклонением от его идеальной расходной характеристики, а вторичное искажение—определяется внешним коэффициентом управления клапана (внешний авторитет клапана) и является отклонением от его базовой расходной характеристики. Результирующему отклонению расходной характеристики соответствует полный внешний коэффициент управления клапана α⁺ (полный внешний авторитет), который равен произведению базового α_б и внешнего α_вн коэффициентов, т.е.: α⁺ = α_бα_вн. Полный внешний коэффициент управления определяет долю управляемого перепада давления в регулирующем отверстии клапана от располагаемого перепада давления регулируемого участка. Базовый коэффициент управления клапана определяет долю управляемого перепада давления в регулируемом отверстием клапана от располагаемого перепада давления на клапане, когда он является единственным элементом регулируемого участка (условия гидравлической проливки клапана). Внешний коэффициент управления к условиям проливки клапана вносит отличительные условия реального регулируемого участка. Традиционная теория регулирования отражена в рассматриваемом уравнении внешним коэффициентом управления α_вн.Кроме того, она учтена в базовом коэффициенте управления α_б, поскольку влияющие на искажения расходной характеристики факторы внутри клапана аналогичны внешним факторам. Так, по методу эквивалентных сопротивлений нет разницы между влиянием на искажение расходной характеристики сопротивления участка трубопровода или равного по величине сопротивления дросселя клапана либо сопротивления встроенной в него расходомерной шайбы. Предлагаемый теоретический подход в полной мере отвечает результатам тестирования (кривые 1 и 2 на рис. 2) для различных расходных характеристик клапана при любых значениях внешнего коэффициента управления. Он позволяет на стадии проектирования системы задавать требуемый режим регулирования и обеспечивать управляемость объекта регулирования (теплообменного прибора, системы),либо процесса (водоразбора, смешивания), т.е. осознано достигать желаемого результата. Он обосновывает практические рекомендации, которые ранее определялись экспериментальным путем, устраняя затраты на пробы и ошибки. Например, при проектировании поквартирных веток двухтрубных систем отопления необходимо выносить поквартирный тепломер (либо горячеводный счетчик) и фильтр (при наличии) за пределы регулируемого участка (точек отбора импульсов давления регулятором перепада давления). В противном случае, значительное гидравлическое сопротивление этих элементов искажает расходную характеристику терморегулятора, превращая его работу в двухпозиционную (достижение максимальной пропускной способности клапана при его незначительном открывании — кривая 4 на рис. 3) и снижает энергоэффективность. Исходя из рассмотренных принципов получены уравнения для 2- и 3-ходовых клапанов с различными расходными характеристиками [4]. В уравнениях внешний коэффициент управления, в отличие от традиционной теории, приведен к параметрам при расчетном расходе. Такой подход учитывает конструктивные особенности терморегуляторов, т.к. их пропускная способность в расчетных условиях определяется при промежуточном расположении штока, что не отражено в традиционной теории.Указанная особенность терморегуляторов определена внутренним коэффициентом управления (внутренним авторитетом) терморегулятора согласно европейской норме EN-215 p. 1, который указывает на начальную (конструктивную) пропорцию между проходящим через него максимальным и расчетном расходом теплоносителя. Эта пропорция изменяется при установке терморегулятора в систему согласно общему коэффициенту управления (общему авторитету) терморегулятора, равному произведению внутреннего и внешнего коэффициентов.Целенаправленное манипулирование этим коэффициентом при проектировании позволяет создавать прогнозируемое поведение системы не только при закрывании терморегуляторов, но и при их открывании, что является основой анализа системы в целом и ее оборудования в частности на работоспособность. Обеспечение эффективных условий работоспособности терморегуляторов для создания теплового комфорта при минимальном энергопотреблении — основная задача при проектировании. Это касается не только систем с переменным, но и с постоянным гидравлическим режимом. Так, в однотрубных системах с терморегуляторами в пределах узла обвязки отопительного прибора гидравлический режим является также переменным. Поэтому достижение указанной цели возможно при определенном коэффициенте управления узла обвязки, учитывающим влияние замыкающего участка, как нерегулируемую часть регулирующего отверстия терморегулятора. Современный терморегулятор позволяет создать комфортные условия для труда и отдыха человека, в значительной мере снизив потребление энергоресурсов и уменьшив техногенное воздействие на окружающую среду. Реализовать это возможно лишь при целостном восприятии системы с учетом взаимодействия и особенностей ее элементов в динамическом режиме. Предлагаемые теоретические разработки основаны именно на таком подходе, что позволило выработать практические рекомендации и по-новому взглянуть на роль и задачи запорно-регулирующей арматуры. Так, ручные балансировочные клапаны, при необходимости, должны применяться преимущественно для подстройки рабочих расходных характеристик автоматических клапанов к характеристикам теплообменных приборов. Применение ручных балансировочных клапанов для увязки циркуляционных колец, как зачастую встречается, приводит к искажению расходных характеристик терморегуляторов до двухпозиционного вида, что усложняет регулирование и наладку системы. В то же время, совершенно иная работа терморегулятора происходит с автоматическим регулятором перепада давления на стояке или приборной ветке двухтрубной системы либо автоматическим регулятором расхода на стояке или приборной ветке однотрубной системы: обеспечиваются благоприятные условия эффективной работы терморегуляторов и упрощается наладка системы.

1. Внутренние санитарно-технические устройства. ч. 3, Кн. 2, «Кондиционирование» (Справочник проектировщика). — М.: «Стройиздат», 1992. 2. Petitjean R. Total hydronic balancing: А handbook for design and troubleshooting of hydronic НVАС systems.— Gothenburg: ТА АВ, 1994. 3. Roos H. Zagadnienia hydrauliczne w instalacjach ogrzewania wodnego.— Warszawa: CIBET, 1997. 4. Пырков В.В. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. —К.: II ДП «Такі справи», 2005.