Теплоэнергетика, 2022, № 5, стр. 84-94

РАЧЕТ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В НЕПРОЕКТНЫХ УСЛОВИЯХ

Методы исследования режимов работы систем теплоснабжения в непроектных условиях определяются постановкой задачи, которая концептуально сформулирована ранее. Вначале обсуждается решение для качественного регулирования в непроектных условиях работы системы. Показано, что значительное снижение температуры прямой воды в системе отопления с элеваторным смешением приводит к слишком сильному падению температуры воздуха в помещениях, которое не наблюдается на практике. Поэтому проводится реалистичная оценка реальной нагрузки систем отопления. Решается система уравнений, описывающих работу всех звеньев системы теплоснабжения: теплового источника, тепловой сети, оборудования тепловых пунктов, выполняющих трансформацию параметров потоков теплоносителей, приборов отопления, тепловых потерь процесса передачи тепла через наружные ограждения и нагрева приточного воздуха, для всего диапазона температур наружного воздуха отопительного периода. Совместное решение уравнений сохранения, теплопередачи и уравнения состояния теплоносителей позволяет определить основные параметры системы теплоснабжения, отличающиеся от проектных значений: температуры воды тепловой сети и системы отопления, среднюю температуру в помещениях, тепловую мощность системы отопления.

Далее приводится широко известный вывод основных соотношений, используемых при качественном регулировании системы отопления с зависимым присоединением к тепловой сети и элеваторным смешением (рис. 1).

Система уравнений для проектных условий по расчетной температуре наружного воздуха $t_{н}^{р},$ соответствующей температуре холодной пятидневки ($t_{н}^{р}$ = –24°C), с коэффициентом обеспеченности 0.92 имеет вид

где $k_{з}^{р}$ – приведенное проектное значение коэффициента теплопередачи здания с учетом трансмиссии тепловой энергии через наружные ограждения общей площадью F_з и затрат тепловой энергии на нагрев нормативного максимального часового расхода приточного воздуха, отнесенное к общей площади наружных ограждений F_з, Вт/(м² ⋅ К); $k_{{огр}}^{р}$ – коэффициент теплопередачи здания с учетом трансмиссии тепловой энергии через наружные ограждения, Вт/(м² ⋅ К); $G_{{взд}}^{р}$ – массовый расход воздуха, кг/c; ${{с}_{{взд}}}$ – удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг ⋅ К); ${{Q}^{р}}$ – расчетный тепловой поток системы теплоснабжения, Вт; $k_{п}^{р}$ – коэффициент теплопередачи приборов отопления с общей площадью поверхности теплообмена F_п, Вт/(м² ⋅ К); $\Delta {{t}^{р}}$ – средний температурный перепад между теплоносителем приборов отопления и температурой воздуха в отапливаемых помещениях, °С; G – расход сетевой воды, поступающий в элеваторные узлы, кг/с; с – удельная массовая теплоемкость воды, Дж/(кг ⋅ К); G_п = = (1 + u)G – расход воды, циркулирующей через приборы отопления, кг/с; u – коэффициент смешения элеваторного узла, неизменный в течение отопительного периода (так как его значение зависит только от гидравлических сопротивлений контура системы отопления); $\tau _{1}^{{\text{р}}},$ $\tau _{2}^{{\text{р}}}$ – расчетные температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводе, равные соответственно 150 и 70°C; $\tau _{3}^{{\text{р}}}$ = 95°C – расчетная температура воды в подающем трубопроводе системы отопления; $t_{в}^{р}$ – расчетная температура воздуха внутри помещения, равная 18°C.

При произвольной температуре наружного воздуха в течение отопительного периода t_н и сохранении температуры воздуха в помещениях $t_{в}^{р}$ для качественного регулирования систему уравнений можно записать так:

где ${{\tau }_{1}},$ ${{\tau }_{2}},$ ${{\tau }_{3}}$ – температуры потоков воды, соответствующие произвольной температуре наружного воздуха t_н, °С.

Принятые в (2) обозначения показаны на рис. 1.

Очевидно, что для этого режима сохраняются значения площади поверхности приборов отопления, расходы сетевой воды и воды в системе отопления, площадь наружных ограждений, воздухообмен и коэффициент теплопередачи здания.

Относительное снижение тепловой мощности системы отопления составляет

где n – показатель степени в критериальной зависимости коэффициента теплопередачи приборов отопления от среднего температурного напора [3].

Вводятся обозначения: $\tau _{1}^{{\text{р}}} - \tau _{2}^{{\text{р}}} = \delta {{\tau }^{{\text{р}}}},$ $\tau _{3}^{{\text{р}}} - \tau _{2}^{{\text{р}}} = {{\theta }^{{\text{р}}}},$ $\Delta {{t}^{р}} = \frac{{\tau _{3}^{р} + \tau _{2}^{р}}}{2} - t_{в}^{р}.$

Из (1)–(3) следует известное решение в виде

Существуют объективные ограничения по температуре прямой сетевой воды снизу и сверху. Ограничением снизу является температура 70°С, необходимая для приготовления воды систем горячего водоснабжения на тепловых пунктах при положительных температурах наружного воздуха. Именно эта температура определяет точку излома температурного графика снизу. Для более высоких температур наружного воздуха при сохранении принципа регулирования в помещениях будет наблюдаться так называемый перетоп, т.е. температура t_в будет больше 18°С.

Ограничением сверху для температуры прямой сетевой воды является предельная температура, зависящая от состояния сетей, оборудования различных звеньев системы теплоснабжения. Ее значение (110, 115, 120 или 130°С) определяет так называемую работу со срезкой, когда температура прямой воды поддерживается постоянной при низких температурах наружного воздуха. Очевидно, что в этом случае для рассматриваемой модели температура в помещениях t_в будет ниже расчетного значения 18°С.

Для этих двух интервалов наружных температур, соответствующих нижней и верхней срезкам температур прямой сетевой воды, приближенное решение имеет вид:

где $\tau _{1}^{{срез}},$ $\tau _{2}^{{срез}},$ $\tau _{3}^{{срез}}$ – температуры потоков в зонах срезки, °С.

Например, для заданных выше проектных значений параметров системы теплоснабжения при срезке 115°С и температуре холодной пятидневки –25°С приближенные значения параметров равны:

Точные значения, определенные по уравнениям системы (3)–(6), составляют $\bar {Q}$ = 78.4%, ${{\tau }_{2}}$ = 8.7°С, ${{\tau }_{1}}$ = 52.3°С, ${{\tau }_{3}}$ = 71.9°С. Для сравнения аналогичные проектные значения составляют 100% и 18, 70, 95°С соответственно.

Отсюда видно, что приведенные простые приближенные соотношения дают достаточно точные результаты, но проблема заключается в том, что эти решения не соответствуют практике эксплуатации систем такого вида. Например, в Санкт-Петербурге температура воды в прямой линии от различных ТЭЦ не превышает 120°С, от котельных ГУП ТЭК она не более 100°С. Тем не менее, в холодные периоды длительностью несколько суток при выходе системы на режим, близкий к стационарному, столь сильного снижения температур в помещениях и мощности систем отопления не наблюдается.

Следовательно, необходимо проанализировать всю цепочку исходных данных, которые определяют функционирование системы отопления в течение отопительного периода. Главным параметром системы является ее заявленная тепловая мощность в расчетных условиях. Следует рассмотреть, как она формируется. Если окажется, что она завышается в сравнении с реальной тепловой нагрузкой, то полученное выше несоответствие будет иметь понятное объяснение.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЕКТНОЙ И РЕАЛЬНОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

Необходимо различать значения максимальной часовой нагрузки системы отопления здания и средней часовой нагрузки за сутки холодной пятидневки. Максимальная часовая нагрузка системы отопления здания обеспечивает ее нормальную работу в экстремально сложных климатических условиях и определяется двумя слагаемыми: трансмиссионными потерями тепловой энергии через многослойные наружные ограждения с учетом разного рода теплотехнических неоднородностей и затратами тепловой энергии на нагрев приточного воздуха. Методы определения трансмиссионных тепловых потерь разработаны весьма детально, изложены в СП 50.13330.2012* [17] и не вызывают серьезных вопросов или возражений.

Второе слагаемое в расчетной тепловой мощности системы отопления зависит от нормативного расхода приточного воздуха, который определяется назначением помещений в процессе их эксплуатации. При этом в проекте системы отопления предполагается, что эта нагрузка, как и трансмиссионные тепловые потоки, востребована одновременно всеми потребителями.

Следует обратить внимание на то, как изменялись с течением времени нормы воздухообмена на примере помещений различного назначения жилых многоквартирных домов и общежитий, составляющих основную нагрузку жилых районов.

В СНиП II-Л.1-62 “Жилые здания. Нормы проектирования” и в последующих редакциях этого документа нормы воздухообмена для жилых комнат квартир и общежитий составляли 3 м³/ч на 1 м² площади, что соответствует кратности воздухообмена около 1 ч^–1.

В 2003 г. был введен в действие СНиП 31-01-2003 “Здания жилые многоквартирные”, в котором появились новые понятия – режим обслуживания и нерабочий режим помещений различного назначения, для которых нормы воздухообмена могут весьма существенно отличаться. Например, для спален, общих и детских комнат в режиме обслуживания кратность воздухообмена составляет 1.0 ч^–1, а в нерабочем режиме – 0.2 ч^–1, т.е. в 5 раз меньше.

Очевидно, что в расчетной нагрузке систем отопления должен учитываться не максимальный часовой, а среднесуточный воздухообмен во всех помещениях с учетом длительности и норм воздухообмена при различных режимах эксплуатации помещений.

В целях развития положений СП 60.13330.2016 “Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха” специалистами НП АВОК в 2020 г. были разработаны “Методические рекомендации по определению минимального воздухообмена в помещениях жилых и общественных зданий”. В этих Рекомендациях предлагается учитывать почасовые изменения минимального воздухообмена в зависимости от режима эксплуатации помещений жилых и общественных зданий в суточном и годовом циклах. Именно на основе типового профиля воздухообмена в помещениях необходимо определять среднесуточный воздухообмен в здании.

В справочном Приложении В СТО СРО НП СПАС-05-2013 “Энергосбережение в зданиях. Расчет и проектирование систем вентиляции жилых многоквартирных зданий” приводится пример расчета требуемого воздухообмена для трехкомнатной жилой квартиры. Из него следует, что в режиме обслуживания кратность воздухообмена равна 0.5 ч^–1, тогда как для нерабочего режима – 0.1 ч^–1. При учете реальной длительности этих периодов среднесуточная кратность воздухообмена для квартиры в целом находится на уровне 0.2–0.3 ч^–1.

При учете максимального часового воздухообмена трансмиссионное и вентиляционное слагаемые дают соизмеримый вклад в расчетную тепловую мощность системы отопления [18, 19] от 40 до 60%. Поэтому мощность системы отопления, определенная по среднесуточному воздухообмену, примерно на 20–30% меньше, чем при максимальном часовом воздухообмене.

Учет тепловой инерции зданий позволяет ориентироваться на среднесуточные значения расхода тепловой энергии на нагрев приточного воздуха.

Принятое в настоящей статье снижение реальной тепловой мощности системы отопления на 30% при выполнении расчетов режимов работы систем теплоснабжения носит иллюстративный характер. Более точно завышение расчетной нагрузки теплоисточника на отопление должно определяться с учетом времени строительства зданий, их планировки, особенностей строительных конструкций и количества зданий разного типа.

Существующие системы вентиляции, особенно в старых жилых зданиях, не имеют эффективных средств регулирования расходов приточного воздуха в соответствии с нормативными значениями. Фактически приток наружного воздуха происходит через щели в наружных ограждениях либо через фрамуги и створки оконных блоков и стеклопакетов.

Но даже при наличии этих технических средств регулирование воздухообмена производится отнюдь не массово. Более того, замена старых оконных блоков на пластиковые стеклопакеты привела к заметному снижению воздухообмена, который далек от нормативных значений в межотопительный период и особенно в холодные дни. В результате оконные блоки и стеклопакеты в качестве приточных систем вентиляции жилых и общественных зданий выполняют роль регулятора-ограничителя тепловой нагрузки систем отопления. В холодные дни они не обеспечивают нормативный воздухообмен в режиме обслуживания, так как мало кто открывает фрамуги и створки оконных блоков.

Из изложенного следует, что и по современным нормам воздухообмена, и по факту применения существующих систем вентиляции реальная тепловая нагрузка систем отопления заметно меньше проектной мощности систем отопления. В настоящей статье основные расчеты выполнены для превышения проектной мощности на 30% по сравнению с фактической, а также сделаны оценки температурных графиков при отклонениях 20 и 10%.

РАБОТА СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С ЗАВИСИМЫМ ПРИСОЕДИНЕНИЕМ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ С ЭЛЕВАТОРНЫМ СМЕШЕНИЕМ В НЕПРОЕКТНЫХ УСЛОВИЯХ

Далее представлена система уравнений, описывающая поведение модели, приведенной на рис. 1, при произвольной температуре наружного воздуха:

Здесь учтено, что реальный среднесуточный воздухообмен снижает общие тепловые потери здания на 30% (приведенный коэффициент теплопередачи здания ${{k}_{з}} = 0.7k_{з}^{р}$) при любой температуре наружного воздуха.

Совместное решение (1) и (11) позволяет сформировать новый пониженный температурный график при сохранении средней температуры в помещениях в диапазоне температур наружного воздуха от точки излома температурного графика до температуры холодной пятидневки. Соответствующие температуры теплоносителей определяются из (4)–(6) с учетом

Значения всех характерных температур нового графика приведены в табл. 1. Расход сетевой воды и тепловая мощность системы отопления отнесены к проектным значениям. Из табл. 1 следует, что среднюю температуру воздуха в помещениях можно сохранить и при пониженной температуре прямой сетевой воды при графике 114/58°С. Это возможно в связи с тем, что все элементы системы теплоснабжения спроектированы на большую тепловую нагрузку, в сравнении с реальной, на 30%. При положительных температурах наружного воздуха сохранение температуры в помещениях на уровне 18°С возможно при снижении расхода сетевой воды.

Аналогичные графики могут быть получены при меньшем снижении тепловых потерь здания в расчетных условиях, например до 80 и 90% проектного значения. В первом случае средняя температура воздуха внутри помещений сохраняется при графике 126/62°С, во втором – при 138/66°С.

В [20] автор рассмотрел работу системы отопления с элеваторным смешением при отклонении от проектных значений гидравлических сопротивлений в контуре системы отопления. В [21] приведено обоснование сниженного температурного графика для зависимого присоединения системы отопления с элеваторным смешением.

РАБОТА СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С НЕЗАВИСИМЫМ ПРИСОЕДИНЕНИЕМ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ В НЕПРОЕКТНЫХ УСЛОВИЯХ

При проектировании новых зданий, как правило, применяется независимое присоединение систем отопления с использованием рекуперативного теплообменника на тепловом пункте при организации механической циркуляции в системе отопления. Соответствующая схема модельной задачи показана на рис. 2.

Профессор Е.Я. Соколов с сотрудниками в ряде работ [22–24] рассмотрели более общую постановку задачи с теплообменником отопления на центральном тепловом пункте и элеваторными узлами на индивидуальных тепловых пунктах. При ее решении принимались следующие допущения:

среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике заменяется линейной комбинацией характерных разностей температур между теплоносителями;

параметры в линеаризованном уравнении зависят только от схемы движения теплоносителей и их фазового состояния;

в уравнении для коэффициента теплопередачи учитывается его зависимость от скоростей потоков воды, но не учитываются их температуры.

В указанных работах соотношения получены аналитически, и в связи с перечисленными допущениями и приближениями следует производить оценку их точности.

ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СХЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ С НЕЗАВИСИМЫМ ПРИСОЕДИНЕНИЕМ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ И КАЧЕСТВЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Далее приведена система уравнений, в которой используется минимум допущений, главные из которых:

все теплообменники тепловых пунктов одного типа;

приборы отопления и схема их присоединения у всех потребителей одного типа;

температура во всех отапливаемых помещениях одинакова.

Считается, что созданные системы теплоснабжения обеспечивают температуру воздуха в помещениях 18°С при всех проектных параметрах, включая максимальный часовой воздухообмен.

При работе в проектных условиях система теплоснабжения может быть описана следующим образом:

где ${{G}^{р}}$ – расчетный расход сетевой воды, поступающий в теплообменники отопления всех тепловых пунктов с площадью поверхности теплообмена ${{F}_{m}}$ и коэффициентом теплопередачи $k_{m}^{р},$ кг/c; $G_{{\text{п}}}^{р}$ – расчетный расход воды, поступающий в приборы отопления из теплообменника отопления теплового пункта, кг/c; $\tau _{3}^{{\text{р}}}$ – температура воды в прямом трубопроводе системы отопления, °С; $\tau _{4}^{{\text{р}}}$ – температура воды в обратном трубопроводе системы отопления, °С.

Исходными данными для расчета и проектными параметрами системы являются следующие температуры, °С:

Непроектные условия работы системы описываются системой уравнений:

В приведенной модели учитывается вид теплообменного оборудования на тепловых пунктах. Для определенности принята конструкция пластинчатых теплообменников, широко применяемых в современных проектах зданий. Тепловые потери здания составляют 70% проектного значения в связи с пониженным расходом приточного воздуха при его осреднении за сутки ${{k}_{з}} = 0.7k_{з}^{р}.$

В выполненных расчетах принималось, что в проектных и непроектных условиях площади поверхности приборов отопления F_n, наружных ограждающих конструкций зданий F_з и теплообменников отопления F_m на тепловых пунктах одинаковы.

В соответствии с прил. 8 СП 41-101-95 “Проектирование тепловых пунктов” [25], коэффициенты теплоотдачи по сетевой воде и по потоку воды системы отопления зависят от средней температуры потока и его скорости.

Определить относительное снижение тепловой мощности системы можно, разделив соответствующие части систем уравнений (14) и (13) одну на другую:

где n – показатель степени в критериальной зависимости для теплопередачи приборов отопления [26 ] .

При расчетах был выбран распространенный тип приборов отопления в виде чугунных секционных радиаторов и стальных панельных конвекторов РСВ и РСГ при движении теплоносителя сверху вниз. Для этого типа приборов n = 0.3.

Решение системы уравнений (15) выполняется в одноцикловом итерационном процессе при переборе одной неизвестной величины, например температуры прямой сетевой воды, с определением другой неизвестной величины, например относительной тепловой мощности, из двух разных уравнений.

При использовании полученной модели был проведен расчет условий работы системы отопления с проектным температурным графиком 150/70°С и постоянной температурой внутри помещения 18°С. Значения всех характерных температур проектного и нового графиков представлены в табл. 2. Расход сетевой воды и тепловая мощность системы отопления также отнесены к проектным значениям.

На рис. 3, а приведены проектные температурные графики для рассмотренных систем теплоснабжения, на рис. 3, б – скорректированные.

Из данных табл. 2 следует, что сохранение средней температуры воздуха в помещениях возможно практически при том же сетевом температурном графике 114/58°С, что и при элеваторном присоединении системы отопления. В системе отопления будет обеспечиваться график 64/50°С. Аналогичные температурные графики могут быть получены при снижении тепловых потерь в расчетных условиях до 80 и 90% проектного значения. В первом случае температура в помещениях сохраняется при сетевом графике 126/62°С, во втором – при 138/66°С, как и для систем отопления с элеваторным смешением.

Как и следовало ожидать, сетевой температурный график является лишь средством, но не целью в договоре на теплоснабжение [27]. Решающий параметр системы отопления в договоре с ресурсоснабжающей организацией – температура воздуха в помещениях.

ВЫВОДЫ

1. В результате анализа расчетной мощности системы отопления показано, что при проектировании систем отопления площадь поверхности приборов отопления завышена в связи с неправильным определением среднесуточного нормативного значения расхода приточного воздуха в жилых, общественных и прочих зданиях. Именно этот запас является основной причиной более или менее нормальной работы систем теплоснабжения при пониженной температуре прямой сетевой воды в условиях холодной пятидневки года.

2. Для иллюстрации влияния 30%-ного запаса площади поверхности теплообмена приборов отопления, определены скорректированные температурные графики для существующих систем отопления с зависимым присоединением к тепловой сети с элеваторным смешением и с независимым присоединением через рекуперативный теплообменник на тепловом пункте.

3. Полученные результаты позволяют, во-первых, рационально объяснить существующее рассогласование между теорией и практикой регулирования нагрузки отопления, во-вторых, предложить научно обоснованный метод корректировки температурных графиков регулирования сезонной нагрузки существующих систем теплоснабжения с проектным температурным графиком 150/70°С.

4. Принципиально важным для корректировки проектного температурного графика эксплуатируемых систем теплоснабжения является уточнение нагрузки отопления с учетом определения среднесуточного воздухообмена в помещениях жилых и общественных зданий в зависимости от режима их эксплуатации в суточном и годовом циклах.

5. Для заданной уточненной нагрузки отопления скорректированные температурные графики для сетевой воды практически одинаковы для систем отопления как с элеваторным смешением, так и с независимым присоединением к тепловой сети.