Как поддерживается постоянство температуры в помещении при радиаторном отоплении?
Для поддержания постоянной температуры в наших домах зимой требуется регулировать мощность отопления в домах и квартирах при изменении температуры на улице.
Достигается это применением так называемого «погодозависимого графика теплоснабжения».
Так известно, что потери тепла через наружные стены и окна линейно зависят от перепада температуры между улицей и помещением.
То есть чем больше перепад температуры с улицей, тем больше тепла нужно подавать в помещение для компенсации этих теплопотерь.
Для водяных радиаторных систем отопления этот «погодозависимый график теплоснабжения» выражается в линейном графике температуры подаваемой в радиаторы воды от температуры на улице (см.рис.1.)
Такой график поддерживается в системе водяного отопления с помощью специальных систем автоматического регулирования, которые располагаются в котельной частного дома в ИЖС, в ИТП отдельного многоквартирного дома или в ЦТП городского микрорайона.
Рис. 1. Семейство линейных «погодозависимых графиков» системы радиаторного отопления. Выбор кривой зависит от характеристик системы отопления. Для радиаторов однотрубной системы в панельных домах с температурой подачи до +105С это кривая 1,8. Для систем с обычными чугунными радиаторами на график 90/70С кривая 1,6-1,4. Отопление тёплыми полами в ИЖС графики 0,6-0,4. Пучёк кривых может двигаться целиком своим началом по наклонной шкалей при изменении желаемой температуры в помещении.
Почему нельзя установит погодозависимый график на городских ТЭЦ?
Теплоснабжение от городских ТЭЦ и котельных идёт как на отопление домов, так и на нагрев бытовой горячей воды (ГВС).
При этом график теплоснабжения на отопительные приборы в ИЖС может в теории опускаться даже до +20С (например в больших и вечно пустых частных домах в ИЖС, где теплопритоки от людей несущественны в общем тепловом балансе).
В реальной практике отопления многоквартирных домов в городах начинается при +8С на улице, при этом температура в батареях около +40С в момент начала отопительного сезона (график с наклоном 1,4-1,6 на рис.)
Для нагрева холодной воды от +5С в холодном водопроводе до +60С на нужды ГВС необходимо подавать на теплообменник ГВС греющую воду с температурой не ниже +65С.
Таким образом, от ТЭЦ и котельных по теплотрассе в ЦТП подаётся вода с температурой не ниже +65С, причём даже в летний период времени.
Получается, что на ТЭЦ есть некоторый участок графика с «погодозависимой» регуляцией, но при сравнительно тёплых уличных температурах график становится постоянным на уровне Тгвс=+65С. (см.рис.2-3)
Рис.2. График 150/70-20 погодозависимого теплоснабжения ЦТП от внешних тепловых сетей с «горизонтальной полкой» на температуре +65С для нагрева ГВС. На участке «полки ГВС» температура обратки также получает излом и задирает график вверх, что означает «перетоп» в узлах с элеватором.
Рис. 3. Графики подачи от ТЭЦ, а также прямой и обратно воды в системе отопления с зависимым нерегулируемым присоединением через элеваторный узел. График отопления имеет излом вверх на участке «полки ГВС» на графике подачи от ТЭЦ.
Глядя на теоретический график работы ТЭЦ становится понятна причина сильного «перетопа» в помещениях в межсезонье при уличных температурах Тул=+8..+1С, если отопление подключено по зависимой схеме с применением «элеваторного узла» с постоянным коэффициентом подмеса.
Так на наклонном участке погодозависимого теплоснабжения от ТЭЦ элеватор вполне исправно поддерживает погодозависимый график в радиаторах системы отопления.
Но при выходе на «полку ГВС» начинается некоторый перегрев подачи от элеватора.
При этом чем выше температура на улице, тем сильнее проявляется «перетоп» в помещениях. (см.рис.4.)
Рис.4. Схема возникновения «перетопа» в межсезонье на полке ГВС +70С и «недотопа» в сильный холод при горизонтальной «срезке графика» ( в данном случае срезка графика на +110С при погожозависимом графике +130/70С)
Чтобы избавится от «перетопа» в межсезонье для систем отопления от внешних сетей предусматривают дополнительное погодозависимое регулирование в ЦТП.
В отличии от элеватора, с неизменяемым коэффициентом смешивание, прямое погодозависимое регулирование в системе отопление от ЦТП требует менять коэффициент подмеса при постоянном расходе теплоносителя через систему отопления, что достижимо только при насосной прокачке внутреннего контура системы радиаторного отопления. (см.рис.5.)
Рис.5. На графиках показана зона возникновения «перетопа» в межсезонье на элеваторных узлах без дополнительного регулирования и без насосной циркуляции.
Срезка графика от ТЭЦ на высоких температурах.
Даже при сильном холоде на улице погодозависимый график от ТЭЦ не соблюдается полностью. Существует так называемая «срезка графика», которая для Москвы выражена горизонтальной полкой на уровне +130С при графике +150/70С.
Эта срезка начала возникать стихийно ещё в 1970-х годах, при этом она является непроектным следствием сложности централизованного теплоснабжения от ТЭЦ нерегулируемых систем отопления с элеваторными узлами.
Переразмеренные системы отопления жилых домов с большой долей вентиляционной нагрузки в радиаторах отопления создают интересный эффект саморегуляции теплопотерь помещений со стороны жильцов. Так при сильных морозах люди начинают закрывать форточки из-за «сквозняков по ногам», тем самым снижая теплопотери на вентиляцию, но увеличивая тем самым температуру в помещениях.
Это прикрытие форточек приводит к перегреву в помещениях и к повышению температуры обратки в сети к ТЭЦ.
Повышеная обратка- это деньги на ветер для ТЭЦ.
Поэтому на ТЭЦ начинают понижать температуру подачи, так чтобы обратка стала холоднее.
Так как элеваторные узлы не регулируются, то понижение температуры подачи вызывает похолодание в квартирах, что вызывает ещё большее снижение вентиляции.
В итоге в тепловую сеть уходит нужное на отопление количество тепла, но при этом подача по температуре не растёт, а вот температура обратки начинает падать.
Тем самым получается, что ТЭЦ отдаёт в сеть всё что может принять система отопления, а регулирование теплового потока идёт с изменением температуры обратки при постоянной температуре подачи на «срезке графика». (см.рис.6-7.)
Рис.6. Пример погодозависимого графика от ТЭЦ со срезками графика. Виден излом вверх графика обратки под полкой ГВС, а также излом вниз графика обратки под «срезкой графика».
Рис.7. Обозначенный в явном виде погодозависимый график +120/70С со срезкой температуры подачи на +95С и с изломом обратки вниз. Судя по шрифту и фамилиям, этот документ из какой-то бывшей прибалтийской советской республики, а теперь соседней страны.
Перетоп в домах «с элеватором» по вине недостатка тяги и малого коэффициента смешивания самих элеваторов.
Перетоп в домах с элеваторными узлами имеет не только фазу весеннего «перетопа» всего дома, но и форму постоянного круглогодичного «перетопа» верхних этаже и «недотопа» нижних этажей.
То есть локальный «перетоп» верхних этажей присутствует весь отопительный сезон, особенно усиливаясь в межсезонье.
Этот круглогодичный «перетоп-недотоп» связан уже не с «полкой ГВС» в графике тепловых сетей, а с теоретическими проблемами в объяснении устройства самих элеваторов.
Так систематический «перетоп» связан с перегревом подачи выше расчётной температуры из-за пониженного подмеса холодной обратки на элеваторе.
То есть по системе отопления прокачивается меньше воды, чем предполагалось по расчёту. Но при этом расход горячей воды от тепловой сети остаётся постоянным. В результате температура в подающей трубе от элеватора к первым радиатора оказывается значительно выше расчётной.
Из-за этой недоциркуляци в домах с вертикальной однотрубной системой с верхней подачей возникает сильный «перетоп» верхних этажей, что компенсируется избыточной вентиляцией от постоянно открытых форточек.
При этом в нижних этажа бывает достаточно прохладно даже без открывания форточек на проветривание.
Данное явление не только не афишируется, но скорее «усиленно замалчивается», чтобы не дискредитировать старые «научные школы» разработчиков элеваторов.
Замена «элеваторов» на ИТП в отдельных домах
Для борьбы с «перетопами» на верхних этажах и «недотопами» в нижних этажах одного и того же дома в последние годы усиленно внедряются модернизированные «индивидуальные тепловые пункты» (ИТП) с насосной циркуляцией.
При установке насосного ИТП вместо элеватора удаётся увеличить циркуляцию воды по внутреннему контуру системы отопления, тем самым снизив перепад температуры между первым и последнем радиатором в системе. Такое снижение температурного перепада в батареях выравнивает и температуры в помещениях по всем этажам.
На верхних этажах понижается уровень «адской жары» до состояния «нормального тепла», а на нижних этажах наоборот становится «приятно тепло» вместо «зябкой прохлады». Разницы от установки ИТП не заметят только жители средних этажей дома.
То есть достаточно простая и относительно недорогая процедура установки маломощного циркуляционного насоса в старую систему отопления с элеватором резко поднимает эффективность работы системы и повышает общий уровень комфорта в доме.
Кроме циркуляционного насоса внутреннего контура в составе ИТП должен присутствовать клапан-регулятор расхода горячей воды из городской тепловой сети. Этот клапан меняет расход подмеса горячей воды из тепловой сети во внутреннюю сеть таким образом, чтобы в батареях поддерживался «линейный погодозависимый график». (См.рис.8.)
Рис.8. Схема ИТП дома с независимым поключением системы отопления и погодозависимым регулирование внутреннего контура за счёт изменения расхода горячей воды из тепловой сети через теплообменник с помощью клапана с сервоприводом, управляемым от шкафа погодозависимой автоматики.
При установке ИТП жители получают возможность регулировать расход тепла из тепловой сети непосредственно по температуре воды в батареях согласно «погодозависимому температурному графику», при этом игнорируя навязанный от ТЭЦ ломанный температурный график самой тепловой сети.
Если система отопления была рассчитана с большим запасом по мощности с учётом избыточно сильной вентиляции, то установка ИТП позволяет снизить наклон кривой «погодозависимого график», что соответсвенно понизит температуру в квартирах и уменьшит «перетоп».
Снижение «перетопа» также снизит расход тепла на отопление, что позволит жителям чуток сэкономить на отоплении при наличии общедомового теплосчётчика в ИТП.
Установка теплосчётчиков или УУТЭ (устройство учёта тепловой энергии) в последние годы усиленно продвигается в системах теплоснабжения, чтобы более эффективно использовать тепловые ресурсы. Именно в момент установки почти обязательного УУТЭ можно лёгким движением дополнить старую систему элеватора погодозависимым регулированием и циркуляционным насосом внутреннего контура.
Узел учёта тепла (УУТЭ) в составе ИТП
УУТЭ – это по сути обычный теплосчётчик.
УУТЭ состоит из измерителя мгновенного расхода воды (ППР-первичный преобразователь расхода), двух термометров прямой и обратной воды на входе и выходе тепловой сети в ИТП, а также дополнительного блока вычислителя отнятой у воды тепловой энергии. (см.рис.9)
Рис.9. Чертёж полноценного УУТЭ с двумя ППР.
УУТЭ- это достаточно сложный измерительно-вычислительный комплекс приборов, так как непосредственно измерить тепловой поток каким-то одним датчиком физически невозможно.
УУТЭ может быть установлен без всякой связи с типом ИТП, хотя для независимого присоединения структура ИТП чуть сложнее. (см.рис.10.)
Наиболее простую версию УУТЭ с одним ППР можно даже поставить в систему даже со старым элеваторным узлом без модернизации самого элеватора. (см.рис.11.)
Рис.10. Вид реального УУТЭ. Судя по тонкой отводящей линии с лопастным водосчётчиком и регулятором давления (латунное устройство с синей пружиной), сам ИТП имеет независимое присоединение с разделительным теплообменником, а тонкая труба- это линия подпитки по постоянному давлению во внутренней системе.
Рис. 11. Установка УУТЭ с одним ППР перед элеваторным узлом без модернизации самого элеватора и с минимальными переделками в трубах.
Зависимая схема ИТП
ИТП разделяются по типу на «зависимую» и «независимую» схему присоединения к тепловой сети.
«Зависимая» схема присоединения- это вариант с элеваторным узлом или насосом циркуляции внутреннего контура без разделительного теплообменника (см. рис.12-16.)
Рис.12. Принципиальная схема элеваторного узла отопления.
Рис.13. Реалистичное изображение элеватора в разрезе и элеваторного узла отопления.
Рис.14. Принципиальная схема зависимого узла отопления с насосной циркуляцией внутреннего контура.
Рис.15. Вид узла зависимого присоединения к тепловой сети с циркуляционным насосом (красный слева) и автоматическим регулятором постоянного расхода теплоносителя из тепловой сети (черный с латунными гайками справа). Этот узел был смонтирован вместо элеваторного узла. Замечу, что насос установлен неправильно, так как все насосы с мокрым ротором должны устанавливаться в положение с горизонтальным ротором. То есть это насос надо отвинтить и повернуть набок под 90 градусов от нынешнего положения.
Рис.16. Этот же узел с другого ракурса. Вдали видны два белых устройства ППР (первичный преобразователь расхода) от теплосчётчика на входе из тепловой сети.
Независимая схема присоединения в ИТП
« Независимая» схема присоединения- это вариант с применением разделительного теплообменника, который обеспечивает разграничение тепловой сети и системы отопления по давлению воды в системах, а тепло из сети в контур отопления передаётся через тонкие стенки теплообменника. (см.рис.17-18.)
Рис.17. Две схемы ИТП с независимым присоединение через разделительный теплообменник (разница только в степени подробности прорисовки).
Рис.18. Реалистичная Три-Д модель узла обвязки теплообменника отопления в ИТП. Хорошо видно, что это достаточно сложный и дорогой на вид узел, а функционально он выполняет роль простенького Элеватора с дополнительным насосом циркуляции. Регулирующий клапан с сервоприводом для изменения подачи из тепловой сети на теплообменник показан синим (позади жёлтого водосчётчика подпитки внутреннего контура).
«Независимая схема» значительно сложнее и дороже «зависимой схемы» как в монтаже, так и в эксплуатации.
Сами пластинчатые теплообменники не только дороже элеватора, но ещё они имеют неприятную привычку засоряться, что приводит к снижению их эффективности.
Для восстановления исходных характеристик системы теплообменники каждым летом промывают с применением специальных агрессивных моющих средств, что достаточно трудоёмко и требует дополнительных ежегодных расходов.
Поэтому в старых домах с элеваторными узлами выгоднее сохранять зависимую схему присоединения при модернизации ИТП с установкой УУТЭ.
При модернизации ИТП с установкой УУТЭ выгодно заменить нерегулируемый элеватор на регулируемый клапан с сервоприводом, а также обеспечить постоянную насосную циркуляцию внутреннего контура.
Наличие регулируемого клапана позволит обеспечит прямое регулированием температуры подачи по погодозависимому графику, вне зависимости от графика тепловой сети.
Экономия от модернизации ИТП и установки УУТЭ
Первоначально обязательная установка УУТЭ делалась не ради экономии для жильцов, а как раз ради сбора с них дополнительных денег за неучтённое тепло.
По результатам установки УУТЭ платежи за отопление могут как вырасти, так и уменьшится.
Если вместо зависимого присоединения с элеватором будет установлен разделительный теплообменник, то в доме однозначно станет прохладнее. Это связано с необходимостью поддерживать небольшой перепад температуры дТ=3-5С на пластинах теплообменника, чтобы через пластины теплообменника тепло передавалось от горячей воды из тепловой сети в более холодную воду системы отопления.
В итоге при неизменной температуре обратки в тепловую сеть на уровне Т2=70С график в радиаторах должен будет упасть с 90/70С на 85/65С, что приведёт к понижению температуры во всём доме.
При таком понижении графика дом не замёрзнет, но открывать форточки люди будут реже, что дополнительно приведёт к экономии тепла и снижению платежа по платёжке за отопление.
То есть энергию экономит вовсе не УУТЭ или ИТП, а сами люди снижают теплопотери на вентиляцию при занижении подачи тепла в систему отопления через новый ИТП.
При падении графика на дТ=5С с изначального 90/70С на 85/65С возникает экономия около
=((90+70)/2-22)/ ((85+65)/2-22)=1,094 или 9,4 % в номинале.
Именно такую экономию в 10% можно ожидать в платёжке при модернизации ИТП и установке УУТЭ.
Реальная окупаемость модернизации может превысить 10 лет, что делает такую модернизацию неокупаемой для жильцов.
Но для теплоснабжающей организации установка ИТП позволяет полнее использовать располагаемые мощности котлов в межсезонье для теплоснабжения точечных новостроек в старых сформированных кварталах.
То есть срезка графика от ТЭЦ- это следствие избыточной номинальной мощности потребителей, превышающих мощность котлов ТЭЦ.
Так для сведения баланса потребления тепла предприятиями и выработки тепла на ТЭЦ существует практика плановых отключений приточных систем вентиляции на предприятиях при понижении температуры на улице ниже минус-15С.
Без нагрева приточной вентиляции пару недель в году предприятия и офисы могут легко обойтись, при этом радиаторное отопление продолжает работать на полную мощность.
Результат такой срезки графика для ТЭЦ является повышенная прибыль за счёт длительной многомесячной полной загрузки пиковых котлов на ТЭЦ, начиная уже с уличных температур минус -15С, а не только при номинальных расчётных минус -30С в течение пары недель за зиму.
