Справочник строителя | Автоматизация работы систем отопления

В системах отопления тепловая мощность на нагрев помещения передается от отопительных приборов. В помещениях формирование теплового режима обуславливается внешними и внутренними факторами. Внешние условия, связанные с изменением температуры наружного воздуха, энергетически рационально учитывать методом автоматического изменения температуры горячей воды, подаваемой к отопительным приборам. Методы автоматизации работы системы отопления при изменениях t_н рассмотрены в статье Методы автоматизации систем отопления.

Рассмотрим особенности формирования теплового режима на примере кабинета в административном здании.

ПРИМЕР 1. Исходные условия: Кабинет в административном здании имеет наружную стену площадью 10 м² с окном площадью 2,6 м², ориентированным на юг, (собственно стена 10 - 2,6 = 7,4 м²). Стена выполнена в виде трехслойной панели со слоем изоляции 100 мм имеет R_ст = 2,8 м² · °С/Вт. Окно - из двойного стеклоблока с R_ок = 0,56 м² · °С/Вт.

В рабочее время с 9 до 20 ч в кабинете работают три человека, включены три ПК, потребляющие 600 Вт (200 х 3) электроэнергии и в зимний пасмурный день постоянно работает ламповое освещение мощностью 200 Вт.

В ночной период приточно-вытяжные агрегаты не работают и в помещение от инфильтрации поступает санитарная норма наружного воздуха, вычисляемая по формуле : L_п.н = 20 · 3 = 60 м³/ч.

В 8 ч утра (за час до прихода служащих) включаются приточно-вытяжные агрегаты с подачей в кабинет санитарной нормы наружного воздуха 3 · 60 = 180 м³/ч.

Требуется: Определить суточный ход изменения теплового режима (по часам) в кабинете при изменении температуры наружного воздуха (от расчетной t = -26 °С в ночное время) по кривой 1 на графике рис. 1.

Рисунок 1. График изменения за сутки температуры наружного воздуха в два месяца отопительного периода: 1 - в январе; 2 - в марте

Решение: 1. По формуле , вычисляем расчетные трансмиссионные теплопотери (тепловой поток), через стену и окно:

Итого расчетные трансмиссионные теплопотери кабинета составляют:

2. По формуле вычисляем расход теплоты системой отопления на нагрев инфильтрационного воздуха:

3. По формуле  вычисляем расчетную мощность отопительного прибора:

4. По аналогии с пп. 1-3 проводим расчет требуемой мощности отопительного прибора по часам, начиная с 20 ч вечера до 8 ч утра.
По результатам расчетов получим:

5. Вычисляем расход теплоты на нагрев 180 м³/ч санитарной нормы приточного воздуха:

При этом расчетная мощность отопительного прибора будет:

6. В 9 ч утра приступают к физической работе средней тяжести три человека, которые выделяют в процессе труда тепловой поток Q_тл = 3·105 = 315 Вт. Потребленная электрическими приборами (компьютерами, осветительными приборами) энергия переходит в тепловую. Общие притоки теплоты в кабинет составят:

Трансмиссионные потери за этот час составят: 106 + 186 = 292 Вт, а теплоты на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха потребуется Q_т.п.н = 2620 Вт.  

Требуемая мощность отопительного прибора по формуле  составит:

7. Наиболее высокая температура наружного воздуха отмечается в 14 ч t_н = -15 °С, трансмиссионные потери при этом составят: 92,5+162,5 = 255 Вт, а на нагрев санитарной нормы наружного воздуха затрачивается 2275 Вт.

Требуемая мощность отопительного прибора составит:

На рис. 2 представлен график суточного изменения расчетной требуемой мощности отопительного прибора в служебном помещении при пасмурной погоде, когда не учитывалась солнечная радиация на окно. Кривая 1 отвечает условиям, когда отопительный прибор должен компенсировать трансмиссионные теплопотери и нагреть приточный наружный воздух.

Рисунок 2. График изменения суточной потребности мощности отопительного прибора в служебном помещении: 1 - кривая суточной потребности в изменении тепловой мощности отопительного прибора Q_т.от.пр; 2 - тепловыделения от служебного оборудования и людей Q_т.сл; 3 - трансмиссионные теплопотери через наружные ограждения; 4 - требуемый расход теплоты на компенсацию трансмиссионных теплопотерь и нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха Q_т.от.пр + Q_т.пн.

Наиболее высокая тепловая мощность отопительного прибора в 3057 Вт требуется в 8 ч утра, когда для удаления накопившихся за ночь вредных выделений от пластмассовых отделочных материалов, мебели и строительных материалов включаются приточно-вытяжные агрегаты. При этом принято, что приточный наружный воздух не нагревается в калориферах, а подается к отопительному прибору в помещение с температурой t_п.н = t_н. Такой режим работы отопительного прибора крайне неблагоприятный и поэтому, как правило, приточный воздух нагревают в приточном агрегате.

Первоначально в приточном агрегате наружный воздух энергетически целесообразно нагревать от теплоты вытяжного выбросного воздуха. Последующий догрев приточного наружного воздуха рационально ограничить температурой t_п.н = 10-12 °С, что позволит располагать естественным холодом для поглощения теплопритоков от служебного оборудования, людей и солнечной радиации через окно.

Из результатов расчетов в примере 1 следует, что благодаря применению современных методов теплозащиты наружных ограждений (трехслойные стены с тепловой изоляцией), герметичных окон (окна с двойным стеклоблоком) трансмиссионные теплопотери, которые должны быть компенсированы работой отопительных приборов, составляют от 336 Вт (см. п. 1 при расчетной t_н = -26 °С) до 255 Вт (при t_н = -15 °С). В ночные часы при остановленных приточно-вытяжных агрегатах добавляется тепловая нагрузка на отопительные приборы на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха, которая в ночные часы колеблется от 1363 Вт (п. 3 примера) до 1136 Вт (п. 4 примера).

Вычислим процент изменения тепловой мощности отопительного прибора в ночные часы при влиянии только температуры наружного воздуха:

Автоматическое регулирование тепловой мощности отопительных приборов осуществляется терморегуляторами, принцип работы которых подробно рассмотрен выше. Столь малые изменения расчетной тепловой мощности отопительных приборов могут не вызвать изменения t_в и работу приборов автоматики, так как стены, пол, потолок, мебель и масса служебного оборудования обладают значительной тепловой инерцией. Наличие нагретых до 20 °С массивных внутренних ограждений и других предметов и оборудования в помещении обусловит малые изменения t при ночных режимах изменения расчетной мощности отопительных приборов только на 17 %.

В 8 ч утра, когда в отапливаемое помещение будет поступать санитарная норма в 180 м³/ч холодного приточного воздуха, требуемое процентное увеличение тепловой мощности отопительного прибора составит:

Такое значительное суточное увеличение необходимой тепловой производительности отопительного прибора потребует времени и значительных изменений режимов его работы.

В рабочие часы в служебном помещении имеются постоянные тепловыделения в 1115 Вт. Применение отопительных приборов с автоматическими регуляторами их тепловой мощности позволяет значительно снизить расход теплоты. На графике рис. 2 это отвечает различию в площадях сектора теплопотерь и тепловой мощности отопительного прибора.

В общественных и административных зданиях наиболее энергетически рационально применять в качестве отопительных приборов доводчики эжекционные типа ДЭ 2.6.140/180, конструктивные особенности которых показаны на рис. 3. Цифра 2 в названии показывает, что ДЭ может поставляться с двумя теплообменниками 4. Один теплообменник через терморегулятор присоединяется к двухтрубной системе теплоснабжения. Второй теплообменник 4 может служить для охлаждения эжектируемого воздуха. Для выполнения этого режима второй теплообменник через терморегулятор присоединяется по двухтрубной схеме к источнику холодоснабжения летом.

Рисунок 3. Конструктивная схема доводчика эжекционного типа ДЭ 2.6.140/180: 1 - камера первичного воздуха; 2 - блок эжектирующих сопел; 3 - смесительная камера; 4 - теплообменники; 5 - патрубок; 6 - стенка задняя; 7- стенка боковая; 8 - заглушка; 9 - хомут

Для определения тепловой производительности ДЭ 2.6.140/180 служит график на рис. 4, где показана зависимость параметра удельной тепловой производительности А_т, Вт/°С, для теплообменника 4 при различном расходе горячей воды G_wг по его трубкам. Из сопловых элементов ДЭ расход первичного наружного воздуха L_п.н может обеспечиваться двумя паспортными расчетными расходами в 180 и 140 м³/ч, что отражено в его наименовании. Для прохода через сопла паспортных расходов первичного наружного воздуха в 140-180 м³/ч необходимо перед ДЭ обеспечить давление воздушного потока Н_ст = 130 Па.

Рисунок 4. Опытная зависимость удельной тепловой производительности теплообменника в доводчике ДЭ 2.6.140/180

В режимах конвективного нагрева (L_п.н = 0) показатель А_т дополнительно зависит от начального перепада температур ∆Т = t_wг1 - t_в °С.

Выходя из сопел ДЭ, первичный наружный воздух эжектирует из помещения внутренний воздух L_в.э при коэффициенте эжекции k_э = 2,8. Тогда для дневного времени работы ДЭ по данным Примера 1из помещения эжектируется внутренний воздух в количестве: L_в.э = L_п.н · k_э = 180 · 2,8 = 504 м³/ч.

Рассмотрим энергетически рациональный режим отопления служебного помещения на примере 2.

ПРИМЕР 2. Исходные условия: Для помещения по примеру 1 санитарная норма приточного наружного воздуха L_п.н= 180 м³/ч в дневные часы подается от центрального приточного агрегата, в котором имеется теплоотдающий теплообменник установки утилизации с теплотехнической эффективностью θ_ty = 0,38. Температура удаляемого из санузлов и других вспомогательных помещений вытяжного воздуха t_y1 = 24 °С.

Требуется: Определить расчетную тепловую нагрузку на прибор отопления и методы регулирования нагревательных приборов.

Решение: 1. Определяем нагрев приточного наружного воздуха в 9 ч утра в установке утилизации при t_н = -20, 3 °С (см. кривую 1 на рис. 1):

2. Теплопотери в 12 ч составляют Q_{т.пот.тр} = 270 Вт (кривая 4). Вычислим избытки теплоты в 12:00 при условии подачи в помещение приточного наружного воздуха с температурой t_п.н = t_п = t_в = +20 °С:

3. При наличии теплоизбытков в помещении температура воздуха в зоне обитания будет выше комфортного уровня t_в = 20 °С. Поэтому для экономии теплоты приточный наружный воздух, поступающий к соплам ДЭ, должен иметь t_п.н < t_в.

4. Для поглощения расчетных теплоизбытков в помещение необходимо подавать приточный воздух с температурой t_п < t_в. Вычисление требуемой температуры приточного воздуха производится по формуле:

5. Для рассматриваемого примера в помещение от ДЭ будет поступать в рабочую зону объем приточного воздуха, равный объему смеси L_п.н и эжектируемого L_в.э.

По формуле (2) для рассматриваемого режима работы ДЭ 2.6.180 получим:

6. При подаче приточного воздуха в зону обитания людей температура вытяжного воздуха из верхней зоны t_y = 22 °С.

7. По формуле (1) вычисляем требуемую температуру приточного от ДЭ воздуха: t_п = 22 - (845 · 3,6)/684 · 1,2 · 1 = 18 °С.   

По условиям теплового комфорта в холодный период года перепад температуры должен быть:

Для рассматриваемого примера рабочий перепад температур без подачи в теплообменник ДЭ горячей воды составляет: ∆t_раб = t_в - t_п = 2 °С, что отвечает условиям теплового комфорта.

8. Для получения t_п = 18 °С в камере смешения ДЭ должен быть смешан холодный приточный наружный воздух t_п.н и эжектируемый t_в.э = t_в.

Составим уравнение смеси:

Из уравнения (3) определим требуемую температуру приточного наружного воздуха:

Для рассматриваемого примера по формуле (4) получим:

9. В приточном агрегате после теплоотдающего теплообменника утилизации на догрев приточного наружного воздуха для рассматриваемого помещения затрачивается тепловой поток:

По формуле (5) для рассматриваемого примера получим:

В примере 1 для нагрева санитарной нормы приточного наружного воздуха до t_в = 20 °С затрачивается теплота:

Благодаря применению установки утилизации и в качестве отопительного прибора ДЭ 2.6.180, что позволило смешать холодный воздух t_п.н = 12,4 °С с внутренним эжектируемым воздухом с t_в = 20 °С, достигается следующий процент экономии теплоты: (2640 - 986) · 100/2640 = 63 %.

Это указывает на энергетические и санитарно-гигиенические (подача L_п.н в зону обитания людей) преимущества совмещения систем отопления и вентиляции помещений при применении аппаратов ДЭ 2.6.140/180.

В жилых помещениях площадью 20 м² санитарная норма L_п.н = 20 · 3 = 60 м³/ч и для совмещения функций отопления и вентиляции применяется аппарат ДЭ 1.6.30/90.