В статье исследуются характеристики отопительного прибора нового типа [1] в сравнении с одним из традиционных устройств (радиатором), в ходе которых результаты измерений и вычислений представляются в виде графиков для сравнительной оценки характеристик различных типов отопительных приборов. В работе при расчёте использована теоретически обоснованная формула для определения показателя теплового потока радиатора при изменении нормальных (нормативных) условий [2, 3].

Выделена разница температур теплоносителя между верхним и нижним порогами включения и отключения котла системы отопления, при которой мощности тепловых потоков сравниваемых радиаторов полностью совпадают. Сформулированы новые определения величины мощности теплового потока отопительного прибора с низкой тепловой инерционностью в сторону его увеличения при циклическом режиме работы водогрейного котла, позволяющие увеличить эффективность управления тепловым процессом системы отопления в целом.

Полученные зависимости позволяют определить рациональный вариант режима работы отопительного котла, при котором радиаторы с низкой инерционной способностью показывают при циклическом режиме работы котла свои наивысшие результаты, поддерживая с высокой точностью заданную температуру в помещении и обеспечивая сокращение энергетических затрат на отопление.

Новый инновационный нагревательный прибор отопления, имеющий название «Теплоконтурный радиатор» [1], на отечественном рынке появился сравнительно недавно (cм. «ВикипедиЯ», раздел «Радиатор отопления», пункт 6 «Теплоконтурные радиаторы»). Данный прибор изготовлен в России на базе монолитного биметаллического радиатора RIFAR Monolit. Одна из особенностей «теплоконтурного радиатора» состоит в том, что, обладая очень малой тепловой инерционностью, он быстро нагревается и быстро охлаждается относительно своего «прародителя» — радиатора RIFAR Monolit. При работе котла системы отопления в циклическом режиме «теплоконтурный радиатор» является более эффективным, чем другие отопительные приборы с большей тепловой инерционностью [4].

Для поддержания постоянной температуры воздуха в помещении при изменении внешних условий необходимо непрерывно изменять тепловой поток отопительных приборов систем отопления.

Для этой цели в водогрейном котле применяется терморегулятор, который позволяет оптимизировать расход потребляемой энергии и стабилизировать питание приборов по теплоносителю. Основным предназначением терморегулятора всегда остаётся автоматизация процессом управления режимом и установкой температуры.

Водогрейный котёл имеет два режима работы:

  • постоянный;
  • циклический.

Постоянный режим работы водогрейного котла предполагает, что он прогревает теплоноситель в системе отопления до нужного значения и в дальнейшем поддерживает эту температуру.

В циклическом режиме работы водогрейного котла при достижении верхнего предела температуры теплоносителя горелка (или электрический ТЭН) отключается, а при падении температуры теплоносителя горелка зажигается (или включается ТЭН) снова. Этот процесс циклически повторяется, в зависимости от разницы между верхним и нижним порогами по температуре теплоносителя.

Заводская настройка котла отопления имеет жёсткую настройку гистерезиса в 5°C, что составляет разницу между верхним и нижним порогами 10°C.

В связи с этим возникает необходимость исследования тепловой инерционности двух отопительных приборов [5]: «теплоконтурного радиатора» и «классического» радиатора RIFAR Monolit.

Динамика изменения теплового потока отопительных приборов

Рассмотрим динамику изменения теплового потока отопительных приборов при циклической работе котла отопления в режиме установки регулирования по температуре теплоносителя.

Для анализа динамики процесса изменения теплового потока отопительных приборов была создана экспериментальная установка (фото 1, рис. 1). Установка собрана таким образом, что в замкнутый контур системы можно подключить только один из двух радиаторов.


Фото 1. Экспериментальная установка, выполненная по ГОСТ Р 53583–2009 [2] и ГОСТ 31311–2005 [3] (а — «теплоконтурный» радиатор, изготовленный на базе радиатора RIFAR Monolit, б — аналог, «классический» радиатор RIFAR Monolit; 1 — водогрейный котёл; 2 — тепловой счётчик; 3 — циркуляционный насос; 4 — расширительный бак; 5 — пульт управления установкой)


Рис. 1. Схема экспериментальной установки [2, 3] при использовании электрического метода

Тепловой расчёт выполняется следующим образом.

По рис. 2 графоаналитическим методом находим среднюю температуру одного периода «нагрев — охлаждение» с гистерезисом в 5°C, что составляет разницу между верхним и нижним порогами по температуре теплоносителя — 10°C.


Рис. 2. Зависимость температуры теплоносителя от длительности периода «нагрев — охлаждение»

Рассмотрим подробно пример с нижним порогом 58°C и верхним порогом 68°C:

  • у «теплоконтурного радиатора» средняя температура одного периода «нагрев — охлаждение» составила tтк.ср = 63,2°C;
  • у «классического» радиатора средняя температура одного периода «нагрев — охлаждение» — tклас.ср = 62,6°C, при потребляемой мощности установки Wуст = 1,5 кВт, расходе теплоносителя Мпр = 360 л/ч и температуре воздуха tв = 25°C.

Согласно ГОСТ 31311–2005 [3], номинальный тепловой поток Qну — это тепловой поток, определяемый при нормальных (нормативных) условиях:

  • температурном напоре ∆t = 70°C;
  • расходе теплоносителя через отопительный прибор Мпр = 0,1 кг/с (360 кг/ч);
  • нормальном атмосферном давлении В = 101325 Па (760 мм рт. ст.);
  • движении теплоносителя в отопительном приборе по схеме «сверху вниз».

Для определения теплового потока, поступающего в помещение от радиатора, при изменении нормальных (нормативных) условий используют формулу [2, 3]:

здесь Qну — номинальный тепловой поток радиатора [Вт], определяемый при заданных нормативных условиях; ∆t — фактический температурный напор [°C], определяемый по формуле [2, 3]:

где tн — начальная (на входе) температура теплоносителя в радиаторе, °C; tк — конечная (на выходе) температура теплоносителя в радиаторе, °C; tв — расчётная температура помещения, принимаемая равной расчётной температуре воздуха в отапливаемом помещении, °C; 70 — нормированный температурный напор, °C; Мпр — фактический расход теплоносителя через отопительный прибор, кг/ч; 360 — нормированный расход теплоносителя через отопительный прибор, кг/ч; n, m, b, p и c — числовые коэффициенты, учитывающие различные условия эксплуатации прибора.

Согласно протоколам испытаний, проведённых в соответствии с ГОСТ Р 53583–2009 [2] и ГОСТ 31311–2005 [3] и выполненных в сертифицированной изотермической камере на стенде для определения номинального теплового потока отопительных приборов, получены данные:

  • «теплоконтурный радиатор» имеет мощность номинального теплового потока Qтк.ну = 137 Вт/секция и n = 0,33 [6];
  • «классический» радиатор RIFAR Mono-lit имеет мощность номинального теплового потока Qклас.ну = 196 Вт/секция и n = 0,33 [7].

Следовательно, подставив в формулу (1) полученные данные:

  • tтк.ср = (tн + tк)/2 = 63,2°C и Qтк.ну = 137 Вт/секция для «теплоконтурного радиатора»;
  • tклас.ср = (tн + tк)/2 = 62,6°C и Qклас.ну = 196 Вт/секция для «классического» радиатора,

мы определяем среднюю мощность теплового потока при установленном температурном напоре за один период каждого радиатора (Qтк.уст и Qклас.уст), числовыми коэффициентами m, b, p и c пренебрегаем ввиду того, что отношение расхода теплоносителя равно 1,0.

Далее рассчитаем тепловые потоки, идущие в помещение от радиаторов:

  • тепловой поток от «теплоконтурного радиатора» (восемь секций) составит:

то есть Qтк.Σ = 61,21×8 = 489 Вт;

  • тепловой поток от «классического» радиатора (восемь секций):

то есть Qклас.Σ = 85,7×8 = 686 Вт.

Определяем по рис. 2, сколько периодов «нагрев — охлаждение» происходит у «теплоконтурного радиатора» за один период у «классического» радиатора RIFAR Monolit. Данная величина определяется как:

где Тклас = 12,1 мин. и Ттк = 5,5 мин. — длительности одного периода «нагрев — охлаждение» «классического» радиатора RIFAR Monolit и «теплоконтурного радиатора», соответственно.

Далее определяем, на сколько процентов увеличится мощность теплового потока «теплоконтурного радиатора» Qтк.Σ, если проходит 2,2 периода «теплоконтурного радиатора» за один период «классического» радиатора:

отсюда:

Фактическая мощность теплового потока «теплоконтурного радиатора» в циклическом режиме работы водогрейного котла с терморегулятором, гистерезис которого равен 5°C, с разницей между верхним и нижним порогами включения и отключения 10°C, определяется как:

Отсюда фактическая мощность теплового потока «теплоконтурного радиатора»:

Таким образом, в результате циклического режима работы водогрейного котла отопления получаем:

  • 665 Вт — фактическая тепловая мощность «теплоконтурного радиатора»;
  • 686 Вт — фактическая тепловая мощность «классического» радиатора.

Погрешность расчёта определяется по формуле:

отсюда:

Полученная величина погрешности расчёта не превышает допустимые 5%.

  

Заключение

При циклическом режиме работы водогрейного котла с терморегулятором, гистерезис которого равен 5°C, с разницей между верхним и нижним порогами включения и отключения 10°C, мощности тепловых потоков радиаторов полностью совпадают (Qтк = Qклас), при этом реакция на изменение тепловых потерь в помещении приходится только на один период «нагрев — охлаждение» радиатора, а он у «теплоконтурного радиатора» в 2,2 раза меньше, чем у «классического» радиатора.

Следовательно, эффективность управления тепловым процессом системы отопления с «теплоконтурными радиаторами» гораздо выше, что позволяет поддерживать заданную температуру воздуха в помещении tв с высокой точностью, обеспечив как комфорт и уют, так и оптимальный расход затрачиваемых ресурсов при индивидуальном отоплении, предотвращая такие вредные явления, как «недотоп» и «перетоп» помещения.

При постоянном режиме работы котла мощность теплового потока «теплоконтурного радиатора» за счёт его индивидуальных свойств работы, связанных с трансформацией температуры, уменьшена по сравнению с аналогом («классическим» радиатором RIFAR Monolit) на 30%.

Пониженная трансформация температуры даёт «теплоконтурному радиатору» способность в центральной системе отопления к снижению собственного теплового режима на 8°C без изменения теплового режима работы центральной системы отопления, что позволяет:

  • уменьшить перегрев воздуха в помещении, что позволяет решить актуальную для многих помещений проблему с сухостью воздуха;
  • создать особо комфортный режим «мягкого тепла», который благоприятно влияет на состояние и здоровье человека.

Благодарности

Автор выражает свою благодарность Александру Александровичу Лобачу, генеральному директору ЗАО «РИФАР», к.т.н., за его постоянную поддержку и обратную связь на протяжении всего процесса исследования, предоставление необходимых ресурсов для реализации данного исследовательского проекта, а также за возможность организовать серийный технологический процесс изготовления «теплоконтурного радиатора» на своей автоматизированной производственной линии по выпуску радиаторов Monolit, корпус которого, как никакой другой, лучше всего отвечает конструктивным, прочностным и герметичным требованиям для изготовления и обеспечения надёжной работы инновационного продукта.

Финансирование

Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении данного исследования.