Для начала необходимо определить, какие функции призвана выполнять автоматика системы отопления. Выделим две основные: обеспечение максимально комфортных условий для проживающих и экономия тепловой энергии.
Комфортные условия обеспечиваются не только погодной автоматикой. Для обеспечения оптимальной температуры воздуха внутренних помещений используется целый комплекс инженерных решений, и погодная автоматика является одной из существенных составляющих этого комплекса. Дело в том, что за параметры микроклимата, как правило, отвечают комнатные термостаты, работающие по датчикам температуры внутреннего воздуха и обеспечивающие непосредственную регулировку системы отопления. Однако уже разбиралось ранее, что применение одних лишь термостатов (если мы говорим про сугубо автоматический режим) не совсем оправдано, так как всегда имеется задержка между изменением температуры наружного воздуха и последующим изменением температуры внутреннего воздуха, а также инерционность самой системы отопления (особенно это касается тёплых полов). Учитывая все вышеперечисленные факторы, оказывается, что система начинает работать в прерывистом импульсном режиме с периодическим запозданием. И тут к нам на помощь приходит та самая погодозависимая автоматика, включающая в себя контроллер, который с помощью датчика температуры наружного воздуха будет постоянно корректировать температуру теплоносителя и обеспечивать необходимые параметры.
Комфорт — это, конечно, хорошо, однако возникает вопрос целесообразности именно постоянной корректировки температуры теплоносителя. Зачастую можно встретиться с таким мнением, что необходимо и достаточно разовой подстройки системы в течение какого-либо периода, либо при резком изменении температуры наружного воздуха. При этом регулировку можно производить вручную и, используя различные системы дистанционного управления, избегать излишних «наворотов» в своих инженерных системах, упрощая их эксплуатацию. Для того чтобы разобраться в данном вопросе подробнее предлагаю перейти ко второй функциональной части погодозависимого регулирования — экономия энергетических ресурсов.
Конечно, если вы спросите: «Какой вид регулировки подачи теплоносителя будет самый энергоэффективный?», то можно сразу, не задумываясь, ответить: «Автоматический!» и тем самым уже закончить данную статью. Но тут же возникает вопрос, не просто связанный с энергоэффективностью, а с тем, насколько уменьшаются реальные затраты на выработку тепловой энергии от применения погодозависимой автоматики и насколько данные меры целесообразны.
Многие производители приводят различные цифры, говоря об экономии, однако реальных, подтверждённых расчётом или экспериментом, данных практически не найти. Возможно, это связано с тем, что достаточно сложно заранее подсчитать, какой реальный эффект будет от данной системы, ведь в расчёт включается большое количество переменных.
Все эти переменные связаны с реальным режимом эксплуатации системы водяного отопления и количеством часов пребывания людей в доме.
Таким образом, эффект от применения погодозависимого регулирования мы можем определить двумя способами. Первый способ это экспериментальный, второй — расчётный.
В данной статье мы как раз будем использовать метод №2, и для этого зададимся исходными данными. Для примера возьмём дом (рис. 1), расположенный в Ленинградской области, имеющий конструктивные характеристики, приведённые в табл. 1.
Для начала определим тепловые потери [Вт] нашего здания при температуре наружного воздуха tн = –26 °C. Расчёт тепловых потерь через каждую ограждающую конструкцию ведётся по формуле:
где k — коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м²·K); А — площадь ограждающей конструкции, м²; tв и tн — температуры внутреннего и наружного воздуха, соответственно, °C; n — коэффициент уменьшения расчётной разности температур; β — коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери сверх основных.
Таким образом, величина максимального значения тепловых потерь при минимальной температуре наружного воздуха составит 14 891 Вт или 14,9 кВт.
Однако за счёт изменения температуры наружного воздуха процесс теплоотдачи переходит в динамику. Для того, чтобы оценить необходимую тепловую нагрузку для нашего здания, в зависимости от температуры наружного воздуха, предлагается произвести ряд расчётов, последовательно подставляя в исходную формулу переменные значения температуры наружного воздуха, в результате чего мы сможем получить зависимость, изображённую на рис. 2.
Обратите внимание, что данный график имеет некоторый изгиб, что говорит о нелинейной зависимости температуры и мощности. Данная нелинейная зависимость будет у каждого здания своя за счёт индивидуальных конструктивных особенностей.
Помимо представленной выше характеристики нам потребуются значения температур наружного воздуха в течение всего отопительного периода. Для этого воспользуемся архивом данных для Ленинградской области в период 2015–2016 годов. Конечно, существуют нормы, исходя из которых каждый год в определённое время начинается отопительный период, однако, если мы рассматриваем частный дом, то он наступает, как правило, при первом резком похолодании. Проанализировав изменение температуры в течение года, был сделан вывод, что отопительный период предположительно начался 5 октября 2015 года и закончился 30 апреля 2016 года. Таким образом, продолжительность отопительного периода составила семь месяцев, что вполне нормальный показатель для данного региона.
На рис. 3 представлен график изменения температуры воздуха в течение всего отопительного периода. Заручившись исходными данными, переходим к расчёту эффекта от применения погодозависимой автоматики.
Принцип работы данного вида регулирования следующий. Датчик температуры наружного воздуха фиксирует изменения температуры и посылает сигнал на контроллер.
Контроллер обрабатывает полученную информацию и по определённому алгоритму вычисляет необходимую температуру теплоносителя в системе отопления. Сигнал от контроллера поступает на исполнительный механизм смесительного клапана, и тот, в свою очередь, открываясь или закрываясь, обеспечивает необходимую температуру теплоносителя в обслуживаемом контуре. Отметим, что при этом происходит качественная регулировка, при которой общий расход теплоносителя в системе остаётся постоянным, так как регулирование заключается в степени подмешивания горячего теплоносителя к остывшему. Снижение подмеса горячего теплоносителя приводит к повышению температуры теплоносителя, возвращаемого в греющий (котловой) контур. Это вызывает либо выключение горелки, либо снижение подачи топлива на горелку. Так образуется экономия энергоресурсов, которую и хотелось бы оценить.
Для непосредственного расчёта зададимся следующими режимами работы системы отопления:
1. Первый режим работы — постоянная корректировка температуры теплоносителя по датчику наружного воздуха (автоматический режим). Для расчёта затраченной тепловой энергии мы будем вести расчёт, учитывая изменения температуры наружного воздуха каждые три часа.
Данный расчёт будет произведён на каждый день в течение всего отопительного периода.
2. Второй режим работы — в данном режиме мы учтём изменения температуры наружного воздуха по дням в течение месяца. Предполагается, что это тот самый режим, когда у хозяина есть возможность вручную или удалённо подстраивать температуру теплоносителя каждый день. Логика данного регулирования следующая. При просмотре прогноза погоды или реальном ощущении холода человек выставляет необходимую температуру, однако главным критерием будет являться не экономия ресурсов, а желание не замёрзнуть. Однако при повышении температуры на 2–4 °C вероятность того, что хозяин сразу же пойдёт прикрывать регулятор стремится к нулю. Таким образом, расчёт данного вида регулирования будет производиться по минимальной температуре наружного воздуха в течение дня. Расчёт выполняется так же, для всех дней отопительного периода.
3. Третий режим работы — предполагает собой ручную подстройку системы в момент резкого изменения температуры наружного воздуха. Для наглядности обратимся к графику, представленному на рис. 4. Из рисунка видно, что в промежутке с первое по 23-е число включительно температура наружного воздуха колебалась в диапазоне –20…–10 °C, имея среднее значение –15 °C. Затем тенденция пошла вверх и мы наблюдаем среднее значение в районе +2,5 °C.
Очевидно, что именно в такой момент любой здравомыслящий человек постарается снизить температуру теплоносителя тем методом, который ему доступен, например, регулировкой мощности котла. Итак, при расчёте третьего режима работы системы отопления мы будем задаваться минимальными значениями температуры наружного воздуха внутри тренда.
4. Четвёртый режим работы — полное отсутствие какого-либо регулирования температуры теплоносителя. Предполагается, что система отопления работает на полной мощность в течение всего отопительного периода. Результаты расчёта потреблённой тепловой энергии за отопительный период для различных видов регулирования сведены в табл. 2 и график, представленный на рис. 5. Далее возможно подсчитать расход топлива:
где Q — расход тепла за отопительный период, кВт/ч; qн — низшая теплота сгорания газа, кВт/м³; η — КПД котла.
Для расчёта принимаем среднее значение низшей теплоты сгорания для природного газа — 10,619 кВт/м³ и среднее значение коэффициента полезного действия котла равным 0,92.
Расчёт финансовых затрат ведётся путём умножения полученного расхода топлива на величину стоимости 1000 м³ природного газа, взятого по данным розничных цен на газ за период 2015–2016 годов. Стоимость 1000 м³ газа составляла 5636,09 руб.
Для определение среднемесячных затрат необходимо разделить получившееся у нас значение на количество месяцев в рассматриваемом нами отопительном периоде:
где Gг — расход топлива за отопительный период, м³/ч; B — стоимость 1000 м³ природного газа; n — количество месяцев в отопительном периоде. Полученные результаты сведены в табл. 3. Как видно из приведённой таблицы, режим работы, при котором отсутствует регулировка, принят за 100 %. Экономия при полностью автоматическом режиме составила 64,4 %. Необходимо отметить, что увеличение экономического эффекта будет осуществляться за счёт использования, например, режима работы по периодам присутствия/отсутствия жильцов, которые настраиваются индивидуально.
Проанализировав вышеприведённые расчёты и графики, необходимо отметить, что погодозависимое регулирование — это вполне оправданная мера, которая позволяет не только повысить степень комфорта, но и сэкономить достаточно существенный процент денежных средств. Конечно, данный расчёт был выполнен с учётом ряда допущений и предположений, однако все они были взяты в рамках адекватных значений, что позволяет оценить порядок цен. В любом случае погодозависимая автоматика является полноценным оправданным решением, которое движется в ногу со временем.
