Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Проблемы тепловой устойчивости двухтрубных вертикальных систем отопления

(0) (6527)
Опубликовано в журнале СОК №11 | 2013

В системах отопления насосное циркуляционное давление обычно является постоянной величиной, а естественное циркуляционное давление всегда переменно из-за изменения температуры (плотности) теплоносителя в течение отопительного сезона в различных частях системы. Именно это является существенной причиной тепловой неустойчивости систем отопления и значительно влияет на их энергоэффективность

Рис. 1. Требуемое циркуляционное давление от этажа и доли естественного давления (при  t = 95/75°C, стояк попутный)

Рис. 1. Требуемое циркуляционное давление от этажа и доли естественного давления (при t = 95/75°C, стояк попутный)

Рис. 2. Требуемое циркуляционное давление от этажа и доли естественного давления (при  t = 90/75°C, стояк попутный)

Рис. 2. Требуемое циркуляционное давление от этажа и доли естественного давления (при t = 90/75°C, стояк попутный)

Рис. 3. Требуемое циркуляционное давление от этажа и доли естественного давления (при  t = 95/70°C, стояк тупиковый)

Рис. 3. Требуемое циркуляционное давление от этажа и доли естественного давления (при t = 95/70°C, стояк тупиковый)

Рис. 4. Требуемое циркуляционное давление от этажа и доли естественного давления (при  t = 90/75°C, стояк тупиковый)

Рис. 4. Требуемое циркуляционное давление от этажа и доли естественного давления (при t = 90/75°C, стояк тупиковый)

Рис. 5. Двухтрубная система отопления с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя и обводом нагревательных приборов

Рис. 5. Двухтрубная система отопления с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя и обводом нагревательных приборов

Рис. 6. Двухтрубная система отопления с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя и последовательным соединением нескольких стояков

Рис. 6. Двухтрубная система отопления с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя и последовательным соединением нескольких стояков

Рис. 7. Двухтрубная система отопления с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя и стояками с перемычкой между подающим и обратными трубопроводами

Рис. 7. Двухтрубная система отопления с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя и стояками с перемычкой между подающим и обратными трубопроводами

Рис. 8. Требуемое циркуляционное давление побудителя от этажа и доли естественного давления (при t = 95/70°C, стояк попутный)

Рис. 8. Требуемое циркуляционное давление побудителя от этажа и доли естественного давления (при t = 95/70°C, стояк попутный)

Рис. 9. Зависимость fk от конструктивных параметров здания (при n = 30 и N = 2–10)

Рис. 9. Зависимость fk от конструктивных параметров здания (при n = 30 и N = 2–10)

Рис. 10. Зависимость параметра fср.ст от N для различных n (для стояков различной этажности и величинах обвода)

Рис. 10. Зависимость параметра fср.ст от N для различных n (для стояков различной этажности и величинах обвода)

Рис. 11. Двухтрубная система отопления (с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя и последовательным соединением нескольких стояков, выполненных с перемычками между подающим и обратным трубопроводами)

Рис. 11. Двухтрубная система отопления (с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя и последовательным соединением нескольких стояков, выполненных с перемычками между подающим и обратным трубопроводами)

Рис. 12. Изменение обвода при изменении относительных температур теплоносителя

Рис. 12. Изменение обвода при изменении относительных температур теплоносителя

Рис. 13. Стояк двухтрубной системы отопления для многоэтажного здания, с разделением  стояка на зоны с увеличенным расходом теплоносителя, перемычками между подающим и обратным трубопроводами

Рис. 13. Стояк двухтрубной системы отопления для многоэтажного здания, с разделением стояка на зоны с увеличенным расходом теплоносителя, перемычками между подающим и обратным трубопроводами

Табл. 1. Относительная величина естественного циркуляционного давления

Табл. 1. Относительная величина естественного циркуляционного давления

Табл. 2. Граничные этажи изменения диаметра трубопроводов в стояках

Табл. 2. Граничные этажи изменения диаметра трубопроводов в стояках

Табл.  3. Влияние обвода теплоносителя из подающего стояка в обратный

Табл. 3. Влияние обвода теплоносителя из подающего стояка в обратный

Под тепловой устойчивостью системы отопления подразумевается свойство пропорционально изменять теплоотдачу всех нагревательных приборов при изменении температуры и расхода теплоносителя в течение отопительного сезона. Расчетное циркуляционное давление в системе водяного отопления равно располагаемой сумме давлений насосного и естественного, которая может быть израсходована на преодоление сопротивления движению теплоносителя в системе отопления. Насосное циркуляционное давление — постоянно, естественное циркуляционное давление, из-за изменения в течение отопительного сезона температуры (плотности) теплоносителя в различных частях системы — переменно.

Именно последнее является существенной причиной тепловой неустойчивости систем отопления и значительно влияет на энергоэффективность системы. В силу изложенного, представляет интерес провести количественную оценку факторов, влияющих на устойчивость работы систем отопления. Объектом для исследования выбран стояк вертикальной двухтрубной системы отопления с двухсторонним присоединением нагревательных приборов. Изучению подверглись два варианта стояков: с попутной и с тупиковой подачами теплоносителя в нагревательные приборы. Предполагается, что стояк обслуживает здание 30 этажей с цокольным и подвальным помещениями.

В стояках, обслуживающих здания повышенной этажности, нагляднее проявляются влияние тех или иных факторов на гидравлический режим стояков. Для упрощения тепловая нагрузка всех нагревательных приборов принята одной и той же, примерно равной средней для условий Москвы. Гидравлический расчет трубопроводов производился по методике, изложенной в работе [1], для условий «непревышения» скорости теплоносителя в трубопроводах 0,5 м/с. На рис. 1 представлены результаты расчетов стояка с попутным распределением теплоносителя по нагревательным приборам (теплоноситель 95/70 °C). Поскольку в справочной и учебной литературе при гидравлических расчетах рекомендуется учитывать различные доли [2, 3] естественного циркуляционного давления, то на рисунке для иллюстрации приведены результаты гидравлических расчетов при различных долях учитываемого естественного давления. Доля учитываемого давления характеризуется величиной коэффициента К.

Буквой K обозначены, соответственно, доли от максимально располагаемого естественного циркуляционного давления. К = 1 означает, что учитывается максимальная расчетная величина естественного циркуляционного давления. При K = 0 естественное циркуляционное давление не учитывается, то есть этот комплекс величин итого представляет собой не что иное, как требуемое насосное гидравлическое давление. К = 0,4 и K = 0,7 указывает, что данные требуемые циркуляционные давления определены с учетом соответствующей доли расчетной величины естественного циркуляционного давления. При отсутствии естественного давления и без гидравлической увязки циркуляционных колец неравномерность расходов достигает 6 %. Эта величина неравномерности обусловливается дискретностью размеров диаметров трубопроводов. Максимальная невязка гидравлических потерь достигает 200 мм водн. ст. При гидравлическом расчете циркуляционных колец с учетом K = 0,4 расчетного естественного давления неравномерность расходов по этажам увеличивается до 20 %. При этом неравномерность обусловливается не только дискретностью размеров диаметра трубопроводов, но и изменчивостью (с повышением этажности) естественного давления. Максимальная невязка гидравлических потерь составляет величину порядка 900 мм водн. ст.

Общее расчетное давление, развиваемое насосом, по сравнению с предыдущим вариантом сокращается незначительно — на 60 мм водн. ст. Если циркуляционное кольцо рассчитывать с учетом К = 0,7 естественного давления, то неравномерность распределения теплоносителя достигнет 50 %. Максимальная невязка гидравлических потерь составляет порядка 1000 мм водн. ст. Общее расчетное давление, развиваемое насосом, по сравнению с предыдущим вариантом сокращается незначительно на 90 мм водн. ст. И, наконец, при расчете циркуляционного кольца с учетом максимального естественного давления при расчетной зимней температуре (К = 1,0) неравномерность распределения теплоносителя увеличивается до 2,7 раз.

Максимальная невязка гидравлических потерь достигает порядка 1200 мм водн. ст. Общее расчетное давление, развиваемое насосом, по сравнению с вариантом без учета естественного давления сокращается на 100 мм водн. ст. Как следует из результатов расчета, из-за дискретности размеров диаметров трубопроводов и изменчивости величины естественного циркуляционного давления в рассматриваемом случае расчетными циркуляционными кольцами следует считать кольца, проходящие через нагревательный прибор первого этажа — при K = 1 естественного давления, через нагревательный прибор второго этажа — при K = 0,7, через нагревательный прибор четвертого этажа — при K = 0,4, через нагревательный прибор пятого этажа при отсутствии естественного давления (K = 0).

Следует отметить, что независимо от величины учета естественного давления диаметры трубопроводов стояка остаются без изменений — только несколько изменяются гидравлические сопротивления циркуляционных колец. Наибольшего значения требуемое давление достигает в случае отсутствия естественного давления. При принятых нагрузках и этажности диаметры трубопроводов варьируются от 15 до 32. Распространенными рекомендациями по повышению тепловой устойчивости систем отопления в технической литературе (как справочной, так и учебной направленности) являются: гидравлический расчет систем отопления по методу характеристик; повышение гидравлического сопротивления подводок к нагревательным приборам; расчет систем отопления с учетом рекомендованной для разных случаев долей естественного циркуляционного давления (упоминалось ранее); ограничение этажности отапливаемых зданий.

Первое мероприятие, бесспорно, позволяет повысить тепловую устойчивость системы, но только для конкретного расчетного случая. В остальных случаях все проблемы тепловой устойчивости возникают вновь. Второе мероприятие влечет за собой обязательное увеличение не только гидравлического сопротивления, но и энергии. Кроме того, как правило, увеличение сопротивления невольно обусловливает повышение скорости перемещения теплоносителя, что тоже имеет ограничения и нежелательно. Третье мероприятие обеспечивает тепловую устойчивость в определенном интервале температур, но в периоды минимальных и максимальных наружных температур наблюдается нарушение требуемого от системы отопления теплового эффекта.

Четвертое мероприятие крайне ограничивает инженерные возможности, но никак не влияет на причины, обусловливающие естественное давление. Одним из мероприятий по уменьшению гидравлической разбалансировки циркуляционных колец за счет естественного давления, лежащим на поверхности, является уменьшение температурного перепада теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах (стояках). Это ведет к увеличению объема циркулирующего теплоносителя — повышению гидравлического сопротивления и уменьшению естественного циркуляционного давления. Для выявления количественных показателей данного мероприятия проведен гидравлический расчет стояка с аналогичными тепловыми нагрузками, но с температурами теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах 90/75 °C.

Средняя температура теплоносителя в этом случае такая же, как и при 95/70 °C. Поверхности нагрева отопительных приборов остаются без изменений, но изменяется номенклатура используемых трубопроводов и насосное гидравлическое давление, повышается температура обратного теплоносителя, возвращаемого источнику теплоты. Результаты расчетов представлены на рис. 2. Из сравнения рис. 1 и 2 видно, что уменьшение разности температур теплоносителя в системе отопления с 25 °C до 15 °C приводит к увеличению гидравлического сопротивления стояка с попутным движением теплоносителя на 150–200 мм водн. ст.

Одновременно в последнем случае возникает необходимость реконструировать трубопроводы стояков: сокращается количество этажей с трубопроводами одного диаметра и добавляются этажи с трубопроводами следующего типоразмера. С учетом оценки фактора влияния естественного циркуляционного давления он сократился примерно в полтора раза. Сократился в полтора-два раза и диапазон перераспределения расхода теплоносителя через нагревательные приборы — за счет естественного циркуляционного давления. В табл. 1 приведены данные по сокращению доли естественного циркуляционного давления с увеличением расхода циркулирующего теплоносителя в подающем и обратном стояках, при одних и тех же условиях гидравлического подбора трубопроводов. Из этой таблицы видно, что уменьшение разности температур теплоносителя (так называемой «расчетной разности» температур системы отопления) в два раза ведет к сокращению доли естественного давления в 3,1 раза, а увеличение расхода теплоносителя при сокращении разности температур в три раза обусловливает уменьшение доли естественного давления в пять раз. Данные изменения в сложившейся практике неизменности температуры подающего теплоносителя предопределяет повышение температуры обратного теплоносителя, что по известным причинам нежелательно.

Повышение температуры теплоносителя, возвращаемого на источник теплоты, можно избежать, несколько увеличив поверхности нагрева отопительных приборов. Принять, например, параметры теплоносителя 85/70 °C, а изменение температуры подающего теплоносителя достичь использованием у потребителя подмешивающего насоса. Отметим еще раз, что даже при изменении расчетных параметров теплоносителя в сравниваемых системах расчетные циркуляционные кольца меняются. Если ограничить величину перераспределения расходов между нагревательными приборами величиной 20 %, то системы отопления с параметрами теплоносителя 95/70 °C допускается применять в зданиях этажностью до 10–11 этажей, а системы отопления с параметрами 90/75 °C можно применять в зданиях высотой до 15–16 этажей.

Ориентируясь на данные табл. 1, изменяя параметры системы отопления, данную величину перераспределения теплоносителя можно обеспечить и в более высоких зданиях. Рассмотрим теперь особенности работы стояка с тупиковым движением теплоносителя через нагревательные приборы. На рис. 3 и 4 приведены результаты аналитических расчетов систем отопления с тупиковыми стояками для тепловых нагрузок, этажности здания и гидродинамического режима аналогичным способом, примененным для стояков с попутным движением. Данные рис. 3 относятся для систем с теплоносителем температурой 95/70 °C. Как и в стояке с попутным движением, расчетные циркуляционные кольца в зависимости от величины используемого естественного циркуляционного давления проходят через нагревательные приборы, расположенные на разных этажах. Наибольшая разрегулировка наблюдается на нижних этажах и достигает значения 3,5–4. Разрегулировка по этажам практически одинакова при разной степени учета естественного циркуляционного давления.

Максимальное различие расчетных потерь давления циркуляционных колец, проходящих через этажные нагревательные приборы, достигает 2,5– 3,0 м водн. ст. и составляет 0,9–0,92 от максимально расчетных потерь давления. Если ограничить степень перераспределения расходов между нагревательными приборами величиной 20 %, то системы отопления с параметрами теплоносителя 95/70 °C допускается применять в зданиях этажностью не более 9–10 этажей, при этом наблюдается неизменная разрегулировка расходов, которая может быть частично учтена при гидравлическом расчете. По сравнению со стояком с попутным движением, гидравлическое сопротивление рассматриваемого стояка в полтора-два раза больше.

По применимости типоразмеров и количества трубопроводов стояки с попутным и с тупиковым движением практически одинаковы. В табл. 2 приведены данные для сравнения распределения типоразмеров подающих (п) и обратных (о) трубопроводов различных рассмотренных выше стояков. Использование теплоносителя в системе отопления с температурами 90/75 °C (рис. 4) аналогично тому, как это проведено со стояком попутного движения: ведет к увеличению гидравлического сопротивления стояка на 40–50 %, сокращению поэтажной разрегулировки на 10–15 %, расширению номенклатуры трубопроводов.

Анализируя сопротивления циркуляционных колец стояка через этажные нагревательные приборы в разрезе годового отопительного периода (от весеннего периода при K = 0 до расчетного зимнего при K = 1), нетрудно заметить, что перепад давлений в системах, оборудованных стояками с попутным движением, увеличивается с повышением этажности и с приближением температурного режима теплоносителя к расчетному зимнему почти в 1,2–6,0 раза. И это несмотря на то, что гидравлическая невязка сопротивлений циркуляционных колец даже при отсутствии естественного давления составляет 6–8 %. Сопротивление подводок к нагревательным приборам невелико. Невелика и скорость теплоносителя в них из-за отсутствия трубопроводов диаметром меньше 15 мм.

Последнее делает практически невозможным достижение равномерности распределения теплоносителя по приборам. С изменением температурного режима теплоносителя (90/75 °C) характер изменения гидравлического режима практически не меняется. Величина изменения гидравлического сопротивления циркуляционных колец в течение года в зависимости от этажности может достигать существенной величины — до 700 мм водн. ст. (для 30 этажей). За счет естественного давления гидравлическое сопротивление циркуляционного кольца с каждым этажом уменьшается на 350 и 250 Па при 95/70 °C и 90/75 °C, соответственно.

В соответствующей литературе для обеспечения гидравлической устойчивости систем отопления рекомендуют на каждом стояке устанавливать регуляторы перепада давления. Однако такая установка не влияет на гидравлическую устойчивость стояков. Она будет такой же, какой представлена на графиках. Дело в том, что естественное давление возникает только при наличии в циркуляционных кольцах вертикальных участков. Установив регуляторы перепада давления на стояках, мы исключаем влияние изменчивого естественного давления вертикальных участков на горизонтальные участки магистральных трубопроводов, составляющих совместно со стояками циркуляционные кольца всей системы отопления.

То есть регуляторы перепада давления на стояках исключают влияние переменного естественного давления на участки магистральных трубопроводов, совместно со стояками образующих циркуляционные кольца системы отопления. Обеспечить гидравлическую устойчивость системы отопления в многоэтажных зданиях можно разбивкой системы отопления по вертикали на зоны, каждая из которых обслуживается самостоятельной системой отопления, присоединенной по закрытой схеме. Частично возможно увеличить количество обслуживаемых этажей изменением годового температурного графика теплоносителя в стояке (в каждом или в группе стояков) предусмотрев для этой цели установку подмешивающих насосов с трехходовым краном.

Представляет интерес применение системы отопления с индивидуальной для каждого потребителя горизонтальной разводкой, с использованием общего регулятора перепада давления и индивидуальных подмешивающих насосов и с трехходовым краном (для каждого потребителя), поддерживающих температуру теплоносителя исходя из температуры внутреннего воздуха, например, «Системы 3Т», подробно описанной в работе [4]. Ограничение этажности зданий, повышение гидравлического сопротивления стояков, расчетная увязка расходов теплоносителя по циркуляционным кольцам и т.п. не позволяют радикально уменьшить влияние естественного циркуляционного давления на гидравлическую и тепловую устойчивость системы отопления в течение года. Необходимо кардинально изменить подход к проектированию систем отопления.

Итак, ранее были рассмотрены и проиллюстрированы применяемые в настоящее время способы борьбы с переменчивым естественным циркуляционным давлением, сопутствующим двухтрубным системам отопления с вертикальными стояками. Прежде чем приступить к изложению возможных вариантов регулирования тепловой устойчивости систем отопления с вертикальными стояками, оговорим некоторые особенности подхода к решению этой проблемы. В сложившейся практике принято считать, что перепад температур теплоносителя в нагревательном приборе совпадает с перепадом температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах стояка двухтрубной системы. Это обстоятельство, особенно если оно используется в нормативной литературе, ограничивает инициативу специалистов в выборе мероприятий по уменьшению влияния естественного циркуляционного давления. В иттоге все сводится лишь к ограничению высоты здания и к выбору доли естественного давления, учитываемого при гидравлических расчетах.

Но это никак не влияет на общую изменчивую в течение года величину естественного давления. Выше рассматривалось изменение естественного давления при уменьшении температурного перепада теплоносителя с 95/70 °C до 90/75 °C. При этом считалось, что аналогичные параметры поддерживаются как в нагревательном приборе, так и в подающем и обратном трубопроводах стояка. В качестве альтернативы сложившейся практике на рис. 5 представлена схема двухтрубной системы отопления с нижней разводкой, увеличенным расходом теплоносителя, но здесь нагревательные приборы оборудованы обводной линией. Это позволяет поступающий в нагревательный прибор теплоноситель использовать с параметрами температуры 95/70 °C, а в обратном трубопроводе стояка поддерживать величину температуры 82,5 °C, что обеспечивает уменьшение естественного циркуляционного давления (здесь Go — расход теплоносителя, определенный по рабочим температурам нагревательного прибора 95/70 °C). Общий расход теплоносителя по стояку должен быть G = 2Go.

Известно, что из условий централизованного теплоснабжения температура теплоносителя, возвращаемого на ТЭЦ, величиной 82,5 °C нежелательна, поскольку требуется возвращать теплоноситель не выше 70 °C. Это также можно обеспечить, несколько видоизменив традиционную систему — соединив последовательно несколько стояков (например, три). Такое соединение нескольких традиционных стояков в один групповой стояк показано на рис. 6. Назовем такую систему «двухтрубная система с групповым стояком». На рисунке за общий расчетный расход теплоносителя принят трехкратный расход одного стояка, определенный по температурам 95/70 °C.

В каждом нагревательном приборе показаны температуры, на которые рассчитываются нагревательные приборы. Они разные для каждого стояка. Красным цветом на стояках нанесены температуры, по которым обусловливается естественное циркуляционное давление. Как видно в данном случае, температурный перепад естественного давления изменен с 25 °C (как обычно) до 8,33 °C, то есть в три раза.

Такая система может быть выполнена и в варианте с обводом нагревательных приборов (рис. 7). Данная схема выполнения системы, в отличие от предыдущей, позволяет независимо от температуры теплоносителя на входе в нагревательный прибор охлаждать его до 70 °C. Естественное циркуляционное давление и в данном случае в каждом стояке будет в три раза меньше, чем при традиционной схеме. Еще большего эффекта снижения естественного циркуляционного давления можно достичь, если применить элементарный подогрев теплоносителя в обратном трубопроводе стояка. Подогрев теплоносителя в обратном трубопроводе можно осуществить как устройством перемычки между подающим и обратным трубопроводами стояка в месте первого нагревательного прибора, подсоединенного к обратному трубопроводу, так и непосредственным присоединением к подающему трубопроводу, разводящему теплоноситель по стоякам. На рис. 8 приведена схема стояка с предложенным выше обводом стояка. Назовем такую схему «двухтрубные системы с байпасированными стояками».

При таком выполнении стояка температура теплоносителя в обратном трубопроводе будет изменяться от 95 °C до температуры, обусловленной принятым превышением расхода теплоносителя над реальным расходом теплоносителя, определенной тепловой мощностью стояка и температурной разностью теплоносителя в нагревательном приборе. На рис. 8 в подающий трубопровод стояка подается теплоноситель 95 °C в количестве, например, удвоенного расхода (эту величину будем обозначать через N, для данного случая N = 2). В нагревательных приборах теплоноситель охлаждается до 70 °C, то есть через нагревательные приборы в обратный трубопровод перетекает единичный (расчетный) расход теплоносителя. Другой единичный расход, пройдя транзитом подающий трубопровод, по перемычке (выделена красным) поступает в обратный трубопровод стояка и по мере движения к обратному разводящему трубопроводу смешивается на каждом этаже с охлажденным в нагревательном приборе теплоносителем, понижая свою температуру.

На входе в обратный трубопровод разводящей магистрали теплоноситель будет иметь температуру, определенную тепловым балансом. Для рассматриваемого случая это 82,5 °C, однако эта температура не является температурой, определяющей естественное давление. Так как температура теплоносителя в обратном трубопроводе изменяется от 95 до 82,5 °C, то характерной температурой будет средняя температура 88,75 °C. По сравнению с ранее рассмотренным случаем увеличения расхода теплоносителя естественное давление сократится еще в два раза. Дважды уменьшая по два раза, сокращаем естественное давление в четыре раза. На рис. 9 представлены результаты гидравлических расчетов стояка, упомянутого ранее.

Залитые значки отображают требуемое циркуляционное давление побудителя через кольцо нагревательного прибора без учета естественного давления. Как видно, с увеличением расхода теплоносителя через стояк (N = 1, 2, 3) требуемое гидравлическое давление растет, но незначительно. Характер изменения требуемого давления практически идентичен. Значками без «заливки» проиллюстрированы требуемые давления с учетом 100 % величины естественного давления. Наибольшее отклонение в величинах этого давления при N = 1, то есть при подаче в стояк расчетного, стандартного количества теплоносителя.

С увеличением в два-три раза количества теплоносителя, подаваемого в стояк (N = 2, 3), для стояка с перемычкой влияние естественного давления резко сокращается. Сокращение разности в требуемых давлениях, в случае отсутствия и наличия естественного давления, обусловливает и степень возможной тепловой разрегулировки по стояку. Заметим, что при принятых значениях увеличения расходов теплоносителя различие в требуемых давлениях при N = 2 и N = 3 незначительно. Это можно объяснить характером изменения естественного давления в случае принятого подогрева обратного теплоносителя, и изменением чистого гидравлического сопротивления трубопроводов стояков из-за изменения типоразмеров трубопроводов.

Для наглядности расчетные данные представлены в табл. 1. Обозначения по столбцам: 1 — этаж; 2 — тепловая нагрузка нагревательного прибора; 3 — суммарная нагрузка на этаже; 4 — номер участка трубопровода стояка: п — по подающей, о — по обратной; 5 — тепловая нагрузка участка стояка; 6, 10, 16 — диаметр участка стояка; 7, 13, 19 — величина естественного давления на этаже; 8, 14, 20 — суммарная величина естественного давления; 9, 15, 21 — суммарное требуемое давление (с учетом естественного) циркуляционного кольца через нагревательный прибор данного этажа; 11, 17 — температура обратного теплоносителя на этаже; 12, 18 — разность температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах стояка, обусловливающая естественное давление на этаже. Анализ этой таблицы показывает, что при использовании перемычки между подающим и обратным трубопроводами стояка температурная разность теплоносителя резко уменьшается и находится в зависимости от этажности здания, рассматриваемого этажа и принятого расхода теплоносителя N. В данном случае определяющим являются нижние этажи. Аналитически зависимость разности температур от определяющих факторов может быть проиллюстрирована выражением:

где k — порядковый номер этажа, для которого производятся расчеты; n — количество этажей, обслуживаемых стояком в здании; N — степень увеличения расхода теплоносителя в стояке по сравнению с расходом, предназначенным для подачи в нагревательные приборы; Δtk — разность температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах на k-м этаже; Δtнагр.пр — разность температур теплоносителя на входе и выходе из нагревательного прибора (нагр. пр — индекс, указывающий, что данные параметры приняты по нагревательному прибору). Данная зависимость установлена для случая, при котором на всех этажах установлены нагревательные приборы одинаковой тепловой мощности. Из работы [1] следует, что она определяется двумя основными параметрами: Δtнагр.пр — параметром, определяющим теплотехнические условия подбора нагревательных приборов, и конструктивным параметром

обусловленным этажностью здания, рассматриваемым этажом и кратностью увеличения расхода теплоносителя (степени подмешивания горячего теплоносителя в обратный трубопровод стояка). Запишем уравнение (1) так:

Δtk = Δtнагр.пр fk. (2)

На рис. 9 для иллюстрации представлена зависимость fk от перечисленных выше конструктивных параметров здания: 30 этажей, изменение расхода теплоносителя по стояку от N = 2 до N = 10. Из рисунка следует, что наибольшее значение fk имеет на первых этажах здания, причем абсолютные значения достигают обратно пропорционально степени увеличения расхода теплоносителя в стояке, причем при N = 2 fk = 0,5, а при N = 10 fk = 0,1. Для верхних этажей fk стремится к нулю. Характер изменения fk при других этажностях здания остается аналогичным. Изменяется только степень изогнутости кривых. Расчет естественного давления при переменности температур теплоносителя в трубопроводе стояка производится по средней температуре или, в рассматриваемом случае это можно оценивать fср.ст. Зависимость fср.ст от N для различных n представлена на рис. 10. Из рисунка видно, что для зданий практически любой этажности n и значительной степени увеличения расхода теплоносителя N (обвод стояка) характер изменения fср.ст одинаков и может достигать величины 0,05.

Это дает основание полагать, что влияние естественного циркуляционного давления в системе отопления с вертикальными стояками физически можно свести практически до минимума. Предлагаемое же уменьшение влияния естественного давления на тепловую устойчивость системы введением в расчеты корректирующих коэффициентов практически не сказывается на эффективности распределения тепловой энергии по потребителям. Однако, как видно из ранее приведенной информации, применение перепуска горячего теплоносителя в обратный трубопровод обусловливает нежелательное повышение температуры теплоносителя, возвращаемого на тепловую станцию. Увеличение N, уменьшающего естественное циркуляционное давление, ведет к росту температуры возвращаемого теплоносителя. Избежать данного негативного явления возможно отказом от традиционного формирования систем отопления.

Необходимо использовать последовательное соединение по теплоносителю нескольких стояков, выполненных с перемычкой между трубопроводами стояков (рис. 11). Назовем такую систему «двухтрубная система с групповыми байпасированными стояками». На этом рисунке показаны характерные температуры теплоносителя, которые определены для стояков, оборудованных нагревателями приборами одинаковой тепловой мощности. Теплоноситель в нагревательных приборах охлаждается на 25 °C. Сравнивая между собой температуры теплоносителя в трубопроводах всех стояков, отметим, что в каждом стояке разность температур теплоносителя составляет не 25 °C, а 4,17 °C.

Это дает основание считать, что и естественное циркуляционное давление в этих стояках уменьшилось примерно в шесть раз. Изображенный на рис. 11 вариант устройства перемычки у первого стояка может быть выполнен по самостоятельному трубопроводу, соединяющему обратный трубопровод с подающей разводящей магистралью. Такое соединение является очевидным для систем отопления с верхней разводкой подающего трубопровода. Отметим, что в приведенном примере теплоноситель поступает в нагревательные приборы каждого стояка с разной температурой, но охлаждается во всех случаях на 25 °C. Однако эти условия приняты в статье для облегчения восприятия предлагаемых способов изменения естественного давления и повышения тепловой устойчивости систем. В действительности тепловые нагрузки нагревательных приборов могут быть различными, также как и мощности стояков. Разность температур теплоносителя проектировщик может определять по своему усмотрению.

Количество теплоносителя, перепускаемого в обратный трубопровод стояков, может варьироваться у каждого стояка самостоятельно. При описанном выше исполнении системы отопления величину естественного давления возможно поддерживать постоянным. Для этого необходимо на любом (на выбор) этаже в подающем и обратном трубопроводах поставить по датчику температур теплоносителя и по разности их показаний регулировать количество теплоносителя, перетекающего из подающего трубопровода в обратный (изменять N). Для стояка, на котором выше освещались особенности предлагаемых технических решений по изменению естественного давления, установлено, что изменение величины N в данном случае должно подчиняться зависимости:

где Np — расчетная степень увеличения расхода теплоносителя в стояке; Nx k — текущее значение степени увеличения расхода теплоносителя для поддержания постоянной разности температур теплоносителя в трубопроводах стояка на k-м этаже; Δtx — текущая разность температур теплоносителя на входе и выходе нагревательных приборов стояка; Δtp — расчетная разность температур теплоносителя на входе и выходе из нагревательных приборов стояка.

Характер изменения Nx k проиллюстрирован на рис. 12. Из рисунка видно, что характер изменения расхода по стояку для подержания постоянной разности температур теплоносителя, обусловливающей естественное давление, не зависит от этажности здания, а определяется расчетной величиной Np и отношением Δtx /Δtp, что по сути является отражением графика регулирования температуры теплоносителя тепловыми станциями. Однако поддержание постоянным естественного давления подобным путем (изменение расхода теплоносителя по стояку) приводит к нарушению уже гидравлического режима. Поэтому наиболее рациональным способом повышения тепловой устойчивости систем отопления с вертикальными стояками является поддержание постоянным расхода теплоносителя и минимизация величины естественного давления приведенными способами: перепуском теплоносителя из подающего трубопровода в обратный, а также последовательным объединением нескольких стояков в группы.

Все мероприятия, влияющие на естественное давление, ранее рассматривались применительно к стоякам, подсоединяемых к магистральным разводящим трубопроводам. Но на практике многоэтажного строительства немаловажное значение приобретает естественное давление в стояках таких зданий. Применяя описанные выше физические процессы к этим стоякам, покажем на рис. 13 вариант выполнения такого высотного стояка. Назовем систему отопления с такими стояками «двухтрубная система отопления с вертикальными зонированными и байпасированными стояками».

Предложенные схемы выполнения систем отопления позволяют превратить рутинный (для неинициативных сотрудников) процесс проектирования систем отопления в сложную квалифицированную инженерную работу. Современные социально-экономические тенденции развития общества требуют [4] от инженерных коммунальных систем перехода на индивидуальные самостоятельные решения для каждого из владельцев. Но даже при таком выполнении систем все равно не избежать вертикальных стояков и сопутствующего им переменчивого естественного давления.

(0) (6527)
Comments
  • В этой теме еще нет комментариев
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message