В последние годы наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли децентрализованных (автономных) систем отопления. Это связано в том числе со старением оборудования централизованных систем и частичным переходом на поквартирное отопление, развитием индивидуального и коммерческого строительства. Автономные системы отопления позволяют быстро внедрять высокоэффективные тепловые генераторы и использовать современные устройства распределения тепловой энергии между отопительными приборами. Разница между автономными и централизованными системами отопления заключается в том, что в автономных системах тепловой генератор является частью единого циркуляционного контура, и движение теплоносителя и передача тепловой энергии по трубопроводу к приборам отопления осуществляется единым циркуляционным насосом. В автономных системах отопления с использованием настенных газовых котлов малой мощности циркуляционный насос является частью котла. В данных системах отопления теплообменник котла, его распределительная арматура и трубопроводы внутренней обвязки являются элементами циркуляционного контура — так же, как и тепловые приборы, трубопроводы, запорная и распределительная арматура системы отопления здания.
В работе [1] показано, что для настенного газового конвекционного котла мощностью 24 кВт гидравлическое сопротивление при расходе 1000 л/ч составляет от 2,5 до 3,7 м вод. ст., в зависимости от материалов и диаметров труб внутренней обвязки. Данная величина в два-четыре раза превышает гидравлическое сопротивление контура приборов отопления для большинства систем с площадью обогрева до 200 м². Значение расхода 1000 л/ч соответствует возможности передать приборам отопления тепловую мощность 24 кВт при падении температуры на отопительных приборах ∆t = 20°C.
В большинстве настенных газовых котлов конвекционного типа используются циркуляционные насосы стандартного типа с «мокрым» ротором и асинхронным мотором с постоянной скоростью вращения ротора. В котлах мощностью 24 кВт применяются циркуляционные насосы с максимальным напором 5 м вод. ст.
Однако, исходя из напорно-расходных характеристик циркуляционных насосов, установленных в настенных газовых котлах, получается, что они не позволяют обеспечить расход 1000 л/ч при суммарном гидравлическом сопротивлении котла и системы отопления более 4,5 м вод. ст., если максимальное давление насоса равно 5 м вод. ст. [2, 3]. При расчёте гидравлического сопротивления контуров отопления автономных систем, состоящих только из частей отопительной системы (отопительных приборов, трубопроводов и запорной арматуры), без учёта важнейшей части контура в виде котла, можно получить вовсе неправильные результаты.
Автономная система отопления должна быть надёжной, обладающей гидравлической и тепловой устойчивостью, и эффективной. Требования к тепловой устойчивости автономной системы отопления должны охватывать в целом как тепловую устойчивость генератора тепла, так и устойчивость системы распределения тепла по тепловым приборам.
В связи с этим формулировку понятия «гидравлической и тепловой устойчивости системы отопления» (это «способность системы поддерживать заданное расчётное относительное распределение расхода теплоносителя при изменении расхода и теплоотдачи по всем отдельным участкам, отопительным приборам и другим элементам системы» [4]) для автономных систем отопления целесообразно изменить. В части тепловой устойчивости предлагается следующая формулировка: «Тепловая устойчивость автономной системы отопления — это способность системы к пропорциональному изменению теплоотдачи всех отопительных приборов в зависимости от мощности теплогенерирующей установки во всём диапазоне заданного изменения мощности при нормативных значениях всех исходных данных, обеспечивающих работу системы в любое время года».
Суть новой формулировки в том, что автономная система отопления должна рассматриваться как единое целое (тепловой генератор + отопительный контур). Способность изменения мощности теплогенератора автономной системы должна быть заложена во всём диапазоне от нуля до максимальных заданных значений при значении давления газа и его теплотворной способности, установленных нормативными актами Российской Федерации. При этом в контурах отопительных приборов, во всём заданном диапазоне изменении мощности теплогенератора, должна пропорционально изменяться величина тепловой энергии, отданной приборами отопления помещений. Это условие должно распространяться на все ветви систем отопления, при любой высотности здания и в любое время года.
Цель исследования — определение показателей тепловой устойчивости автономной системы отопления индивидуального дома с использованием в качестве генератора тепла газового настенного котла с номинальной мощностью 24 кВт.
Материалы и методы исследования
Исследование автономной системы отопления проходили на стенде. Замкнутый контур отопления состоял из нижеперечисленных деталей и узлов. Генератор тепла малой мощности — настенный газовый котёл конвекционного типа с закрытой камерой сгорания, атмосферной горелкой, верхним расположением вентилятора, с двумя раздельными теплообменниками отопления и подготовки горячей воды и внутренней обвязкой медными трубками диаметром ⅝″. Максимальная мощность котла — 24 кВт.
Трубопровод выполнен из полипропиленовых труб диаметром 1″. В циркуляционном контуре организован байпас диаметром 1″, позволяющий отключить контур имитации отопительных приборов и провести замеры гидравлического сопротивления котла отдельно от контура отопления. Имитатор тепловой нагрузки выполнен в виде водяного калорифера с максимальной тепловой мощностью 65 кВт с вентилятором переменной скорости вращения ротора. Имитатор гидравлического сопротивления контура отопления — электромеханический кран диаметром 1″. Теплоноситель — вода.
Измерение расхода циркуляционного контура проводилось прибором Ultrasonic FlowMeter и дублировалось счётчиком воды ОВСГ-25. Измерение давления проводилось манометрами Druk DPI 104 в четырёх точках контура. Температура теплоносителя измерялась термометрами ТМ-902С в двух точках (до и после водяного калорифера). Расход газа определялся счётчиком газа Itron G6-RF1 iVpsc, динамическое давление в газовой магистрали перед котлом определялось дифференциальным манометром ITTi HT-1890.
Движение теплоносителя выполнялось с помощью циркуляционного насоса с асинхронным электромотором с постоянной скоростью вращения ротора «мокрого» типа, встроенного в газовый настенный котёл и являющегося его частью, со значением максимального напора 5 м вод. ст. Тепловая мощность, вырабатываемая атмосферной горелкой газового котла, определялась на основе значений динамического давления газа перед горелкой и графика тепловой мощности, который был предоставлен заводом-изготовителем газовых горелок.
Проведены испытания и определены: напорно-расходные характеристики циркуляционного насоса на трёх скоростях вращения ротора; гидравлические сопротивления настенного газового котла при трёх скоростях вращения ротора циркуляционного насоса.
Определён график тепловой устойчивости системы отопления при изменении значения гидравлического сопротивления контура отопления и изменении давления газа перед клапаном газового котла.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 представлены напорно-расходные характеристики циркуляционного насоса с асинхронным электромотором с «мокрым» ротором на третьей скорости вращения — кривая Qн в диапазоне расходов Q от нуля до 1500 л/ч. График гидравлического сопротивления настенного газового котла Нк в зависимости от расхода, график суммарного гидравлического сопротивления НΣ — отопительного контура и котла при условии, что гидравлическое сопротивление отопительного контура при расходе 1000 л/ч составляет 1,5 м вод. ст. Данные соотношения гидравлического сопротивления котла, равного 3 м вод. ст., и отопительной системы, равного 1,5 м вод. ст., являются максимальными из практики расчёта индивидуальных систем отопления малой мощности (в рассматриваемом случае максимальная мощность котла равна 24 кВт). Заштрихованная зона между НΣ, Нк и Qн является зоной возможных значений суммарных гидравлических сопротивлений автономного циркуляционного контура.
Рис. 1. Графики напорно-расходной характеристики циркуляционного насоса настенного газового котла Qн, гидравлического сопротивления котла Нк, максимального гидравлического сопротивления автономной системы отопления НΣ
В работе [3] представлены исследования конструкций и характеристик циркуляционных насосов с моторами асинхронного типа с «мокрым» и «сухим» роторами, применяемых в автономных системах отопления малой мощности с конвекционными настенными котлами. Напорно-расходные характеристики насосов разных производителей при одинаковом максимальном напоре в зоне расходов около 1000 л/ч — однотипные.
Представленные на рис. 1 напорно-расходные характеристики в диапазоне изменения расхода 500–1500 л/ч для рассмотрения задачи тепловой устойчивости отопительных систем котлов малой мощности можно с большой достоверностью распространить на циркуляционные насосы разных производителей.
В работе [4] рассмотрена ситуация возможности выхода на максимальную мощность настенных газовых котлов при нормативном давлении природного газа в магистралях. Согласно [5], данным нормативным давлением при поставках населению считается диапазон от 12–30 мбар.
При рассмотрении вопросов тепловой устойчивости автономной системы отопления расчёт целесообразно проводить при давлении газа в магистралях, равном 12 мбар, как минимальном из допустимых.
При этом давлении, согласно исследованию [4], современные настенные газовые котлы любых производителей не способны работать с максимальной заявленной мощностью. Необходимое давление газа для гарантированного выхода настенного конвекционного котла на максимальную мощность должно быть 18 мбар и выше. Для определения реальной максимальной мощности конвекционного котла с атмосферной горелкой при минимальном допустимом давлении газа (12 мбар) рекомендуется использовать коэффициент мощности 0,85. При расчёте тепловой устойчивости автономных систем отопления в полном расчётном диапазоне мощности с данными котлами в качестве теплогенератора необходимо иметь запас тепловой мощности не менее 15%.
Рассмотренный случай показывает различие понятий тепловой устойчивости и гидравлической устойчивости автономной системы отопления. С точки зрения гидравлической устойчивости (то есть способности всех отопительных приборов к пропорциональному изменению расхода в любой период времени года при изменении расхода циркуляции), автономная система может быть устойчива во всём диапазоне изменения расхода. Но при давлении газа перед горелкой газового настенного котла, равном нормативному (12 мбар), котёл не выйдет на максимальную мощность, значит, тепловой устойчивостью во всём заданном диапазоне мощности система не обладает. Для увеличения способности автономной системы передавать бóльшую тепловую энергию необходимо увеличить расход системы, но при увеличении расхода возрастут гидравлические сопротивления и теплогенератора, и контура отопительных приборов.
Поскольку циркуляция теплоносителя в отопительном контуре производится с помощью циркуляционного насоса, то может возникнуть ситуация, когда циркуляционный насос, встроенный в настенный котёл, будет не способен передать отопительным приборам необходимый расход. Система отопления при таких расходах теряет и тепловую, и гидравлическую устойчивость. В частности, в рассматриваемом случае с настенным котлом конвекционного типа, максимальной мощностью 24 кВт, при оценке тепловой устойчивости принималось в расчёт, что падение температуры на отопительном приборе радиаторного типа равно 20°C. В этом случае для реализации энергии на отопительном приборе в количестве 23,6 кВт необходимый расход должен составлять 1000 л/ч. С учётом поправочного коэффициента минимального нормированного давления газа в газопроводе 12 мбар, необходимый расход должен составлять 1176 л/ч.
Исходя из графика, представленного на рис. 1, суммарный гидравлический напор отопительного контура системы отопления должен быть не более 0,55 м вод. ст. В случае, если гидравлическое сопротивление отопительного контура автономной системы отопления будет при расходе 1176 л больше 0,55 м вод. ст., то система отопления покажет неспособность проявить тепловую устойчивость во всём диапазоне изменения мощности котла. Если давление природного газа в магистралях поднимается выше 18 мбар, то рассматриваемая система автономного отопления сохраняет тепловую устойчивость во всём диапазоне изменения заявленной мощности настенного котла.
Гидравлическое сопротивление настенных котлов с внутренней обвязкой из гофрированной нержавеющей трубки имеет более высокие значения. В работе [1] показано, что котёл, полностью аналогичный исследуемому, но с внутренней обвязкой, выполненной гофрированной трубой, имеет гидравлическое сопротивление (при расходе 1000 л/ч), равное 3,8 м вод. ст.
В этом случае, исходя из графиков на рис. 1, автономная система отопления имеет тепловую устойчивость во всём диапазоне изменения мощности котла при гидравлическом сопротивлении контура отопления, равным менее 0,7 м вод. ст., и давлении природного газа не менее 18 мбар. Если давление газа в сети будет соответствовать минимально допустимому значению при предоставлении услуг населению (12 мбар), то тепловая устойчивость автономной системы отопления не будет обеспечена. Увеличение расхода в системе невозможно, поскольку растёт суммарное гидравлическое сопротивление. Теряется способность передавать необходимое количество энергии от котла к отопительным приборам.
На рис. 2 представлена диаграмма тепловой устойчивости автономной системы отопления. Согласно данным завода-производителя горелок, минимальная мощность котла составляет 10 кВт. На диаграмме интервал мощности котла от нуля до 10 кВт выделен в зону I. В данной зоне котёл работает не постоянно, а в режиме «включение-выключение» (происходит «тактованием», «интервальный режим работы»). Интервалы работы котла в упомянутом режиме определены алгоритмом работы и настройками агрегата.
Рис. 2. Диаграмма тепловой устойчивости автономной системы отопления (зона I — «интервальная» работа теплогенератора, зона II — работа теплогенератора в режиме регулировании давления газа, зона III — потеря тепловой устойчивости)
С точки зрения экологии данный режим наиболее вреден. Именно в режиме пуска газового котла, до момента выхода на установившийся режим, выбросы парниковых газов оказываются максимальными. Однако с точки зрения работоспособности настенный газовый котёл способен вырабатывать тепловую энергию в диапазоне от 0 до 10 кВт в режиме «тактование» и обеспечивать циркуляцию (передачу энергии отопительным приборам) в контуре отопления.
Зона II на диаграмме — зона работы котла при постоянной работе горелки с регулировкой мощности за счёт изменения высоты пламени (давления газа перед горелкой). Зона III — потеря тепловой устойчивости. В этой зоне котёл не способен произвести заданное максимальное количество тепловой энергии, а большое суммарное гидравлическое сопротивление циркуляционного контура не позволяет передать тепловую энергию приборам отопления.
Автономная система отопления обладает тепловой устойчивостью, если во всём необходимом диапазоне изменения мощности теплогенератора происходит соответствующее пропорциональное, устойчивое изменение теплоотдачи отопительными приборами.
На рис. 2 показана линейная зависимость (синяя линия) — график тепловой устойчивости автономной системы отопления, состоящей из настенного газового котла со встроенным циркуляционным насосом, медными трубками внутренней обвязки и контура отопительных приборов. В случае применения гофрированных труб внутренней обвязки котла и при поставке газа к котлу с минимально допустимым давлением 12 мбар, а также при значении гидравлического сопротивления контура отопительных приборов более 0,3 м вод. ст. образуется зона непропорциональной работы системы отопления — зона III, в которой требование тепловой устойчивости не соблюдается.
Выводы
1. Гидравлическое сопротивление циркуляционного контура автономной системы отопления малой мощности должно учитывать гидравлическое сопротивление теплогенератора, которое в большинстве случаев значительно превышает гидравлическое сопротивление контура отопительных приборов.
2. Понятие «тепловая устойчивость автономной системы отопления» является комплексным. Данный показатель зависит от работы как самого теплогенератора, так и от возможности реализации тепла, произведённого отопительными приборами. Существует разница в понятии «тепловая устойчивость» для автономных и централизованных систем отопления.
3. При оценке тепловой устойчивости автономных систем отопления необходимо учитывать все факторы, влияющие на работу котла, в том числе на возможность работы теплогенератора на максимальной мощности при наименьшем (нормативном) значении давления газа в магистралях (12 мбар).
4. Необходимо требовать от производителей котельного оборудования указания графика гидравлических сопротивлений теплогенератора, поскольку без них невозможно выполнить оценку тепловой устойчивости имеющейся автономной системы отопления.
5. Исследования показали, что при гидравлическом сопротивлении настенного газового котла (теплогенератора) менее 3 м вод. ст. и при расходе теплоносителя 1000 л/ч автономная система отопления малой мощности с гидравлическим сопротивлением контура отопительных приборов менее 0,55 м вод. ст. при том же расходе обладает тепловой устойчивостью во всём диапазоне заданной мощности и при минимальных допустимых значениях давления газа.
