Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения энергоэффективности систем водяного отопления и обеспечения стабильного температурного режима в помещениях различного назначения. В условиях циклической работы отопительного оборудования особую ценность приобретают отопительные приборы с низкой тепловой инерционностью и выраженными термостабилизирующими свойствами.
Объектом исследования является «теплоконтурный» радиатор — отопительный прибор термосифонного типа, конструктивно реализованный на базе монолитного биметаллического радиатора RIFAR Monolit. Ключевой особенностью прибора является использование принципа термосифона: в замкнутой полости радиатора осуществляется естественная циркуляция паровой и жидкой фаз хладагента между зонами нагрева и охлаждения, что обеспечивает быстрое выравнивание температурного поля и сглаживание колебаний, вызванных цикличностью работы котла.
Вследствие низкой тепловой инерционности прибора при циклическом режиме работы котла достигается поддержание практически постоянного температурного режима поверхности радиатора, что, в свою очередь, стабилизирует температуру воздуха в помещении и повышает уровень теплового комфорта.
С энергетической точки зрения постоянный режим функционирования системы отопления является более экономичным по сравнению с циклическим. Это объясняется тем, что при стабильном поддержании температуры ограждающие конструкции не подвергаются глубокому охлаждению, а тепловая нагрузка на систему остаётся в предсказуемом диапазоне без резких скачков мощности. В результате исключаются дополнительные энергозатраты, связанные с периодическим прогревом остывших конструкций, и обеспечивается более рациональное использование тепловой энергии.
Цель работы — сравнительная оценка инерционных и термостабилизирующих свойств «теплоконтурного радиатора» и классического радиатора RIFAR Monolit в условиях циклического режима работы системы отопления.
Научная новизна исследования состоит в экспериментальном подтверждении термостабилизирующего эффекта «теплоконтурного» радиатора, использующего принцип термосифона.
Задачи исследования включали:
- определение продолжительности циклов «нагрев — охлаждение» для каждого прибора;
- оценку энергопотребления за сопоставимый период работы;
- количественную оценку стабильности температурного режима с помощью коэффициента стабилизации;
- анализ практической применимости результатов для помещений с нормированными требованиями к микроклимату.
Научная новизна исследования состоит в экспериментальном подтверждении термостабилизирующего эффекта «теплоконтурного» радиатора, а также в получении количественных показателей его влияния на стабильность температуры поверхности и энергопотребление в типовом циклическом режиме работы системы отопления, что формирует объективную основу для сопоставления его характеристик с традиционными отопительными приборами.
Методика эксперимента и тепловой расчёт
Для достижения поставленной цели была создана экспериментальная установка, показанная на фото 1, которая позволяла включать в замкнутый гидравлический контур только один радиатор из двух, что исключало взаимное влияние приборов и обеспечивало сопоставимость результатов. Принципиальная схема установки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки [2, 3] при использовании электрического метода
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)
Измерения проводились при следующих условиях:
- установленная мощность нагревательного элемента Wуст = 1500 Вт;
- расход теплоносителя Mпр = 360 л/ч;
- температура воздуха в помещении tв = 25 °C;
- установочная температура терморегулятора котла tуст = 63 °C.
Циклический режим работы котла задавался терморегулятором с гистерезисом ∆tгист = 10 °C, то есть отключение электрического ТЭНа происходило при достижении верхнего порога tmax = 68 °C, а повторное включение — при снижении температуры до нижнего порога tmin = 58 °C.
Таким образом, ширина зоны нечувствительности терморегулятора составляла 10 °C (типовая заводская настройка).
Для оценки динамики температурного режима использовался графоаналитический метод по экспериментальным графикам зависимости температуры от времени, представленным на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость температуры теплоносителя от длительности периода «нагрев — охлаждение»
По графику (рис. 2) определяли:
- среднюю температуру теплоносителя за один цикл «нагрев — охлаждение»;
- продолжительность полного цикла для каждого радиатора;
- длительность фазы нагрева в пределах одного цикла.
Средняя температура периода «нагрев — охлаждение» составила:
- tклас.ср = 62,6 °C для «классического» радиатора;
- tтк.ср = 63,2 °C для «теплоконтурного» радиатора.
Продолжительность одного цикла «нагрев — охлаждение»:
- Tклас = 12,1 мин — для «классического» радиатора;
- Tтк = 5,5 мин — для «теплоконтурного» радиатора.
Отношение продолжительностей циклов равно:
n = Tклас / Tтк = 12,11 / 5,5 = 2,2,
где n — количество циклов «теплоконтурного» радиатора, приходящихся на один цикл «классического» радиатора.
Табл. 1. Зависимость температуры теплоносителя от длительности периода «нагрев — охлаждение» для двух радиаторов*
| Средняя температура теплоносителя в радиаторе, °C | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| tтк.ср = (tн + tк)/2 | 58,53 | 62,38 | 65,78 | 64,20 | 60,01 | 57,15 | − | − | − | − | − | − | − | − |
| tклас.ср = (tн + tк)/2 | 58,27 | 60,02 | 61,62 | 63,08 | 64,45 | 65,69 | 66,92 | 68,07 | 66,62 | 64,01 | 62,12 | 60,35 | 58,72 | 57,25 |
* Результаты обработки экспериментальных данных; составлено автором по материалам исследования. Длительность периода «нагрев — охлаждение» T, мин.
Оценка энергопотребления
Для корректной сравнительной оценки в циклическом режиме сравнивалась не мгновенная мощность, а суммарная потреблённая энергия (работа) [Вт·ч] за сопоставимый промежуток времени.
Длительность фазы нагрева в цикле:
- Tн.тк.1цкл = 3 мин для «теплоконтурного» радиатора;
- Tн.клас.1цкл = 7 мин для «классического» радиатора.
Энергия [Вт·ч], потреблённая за фазу нагрева одного цикла, рассчитывалась по следующей формуле:
Qн.1цкл = Tн.1цкл · Wуст / 60, (1)
где Tн.1цкл — длительность фазы нагрева, мин; Wуст — установленная мощность, Вт; 60 — число минут в часе.
Подстановка значений:
Qн.тк.1цкл = Tн.тк.1цкл · Wуст / 60 = 3 × 1500 / 60 = 75 Вт·ч;
Qн.клас.1цкл = Tн.клас.1цкл · Wуст / 60 = 7 × 1500 / 60 = 175 Вт·ч.
Суммарная энергия, потреблённая «теплоконтурным» радиатором за время, равное одному циклу «классического» радиатора (с учётом n = 2,2 циклов):
Qн.тк.2,2цкл = 2,2·Tн.тк.1цкл = 2,2 × 75 = 165 Вт·ч. (2)
Таким образом, за время одного цикла «классического» радиатора: Qклас = 175 Вт·ч для «классического» радиатора RIFAR Monolit. За время одного цикла «классического» радиатора: Qтк = 165 Вт·ч для «теплоконтурного» радиатора.
Относительное снижение энергопотребления составит:
∆P = (1 − Qтк / Qклас) · 100 % = (1 − 165 / 175) · 100 % ≈ 5,71 %. (3)
Полученное значение ∆P ≈ 5,71 % свидетельствует о снижении энергопотребления «теплоконтурного» радиатора на указанную величину относительно «классического» прибора в идентичных режимах эксплуатации.
Оценка стабильности температурного режима
Для количественной оценки способности радиатора поддерживать стабильную температуру поверхности определялся размах колебаний температуры ∆t вокруг целевого значения. По экспериментальному графику (рис. 3) установлено:
- ∆tклас = 7 °C (± 3,5 °C от нормы) для «классического» радиатора;
- ∆tтк = 1,2 °C (± 0,6 °C от нормы) для «теплоконтурного» радиатора.
Коэффициент стабилизации k определён как отношение размахов колебаний:
k = ∆Tклас / ∆Tтк = 7 / 1,2 = 5,8. (4)
Таким образом, коэффициент стабилизации температуры у «теплоконтурного» радиатора в 5,8 раза выше, чем у классического прибора. Это свидетельствует о существенно более высокой способности «теплоконтурного» прибора сглаживать температурные колебания, обусловленные цикличностью работы котла, и поддерживать температуру поверхности вблизи заданного значения.
Рис. 3. График зависимости температуры поверхности радиатора от периодов времени «нагрева — охлаждения»
Обсуждение результатов
Экспериментально подтверждено, что «теплоконтурный» радиатор обладает существенно меньшей тепловой инерционностью по сравнению с «классическим» биметаллическим радиатором. Это проявляется в сокращении продолжительности цикла «нагрев — охлаждение» (в 2,2 раза) и уменьшении размаха колебаний температуры поверхности (в 5,8 раза). В результате прибор способен не только выполнять функцию отопления, но и функцию температурного стабилизатора: поддерживать заданную температуру воздуха в помещении в узком диапазоне (в пределах ± 0,6 °C). Такой режим исключает явления «недотопа» и «перетопа», способствует оптимальному расходованию энергоресурсов и повышает комфорт.
Практическая значимость результатов — расширение области применения «теплоконтурного» радиатора за счёт помещений с повышенными требованиями к стабильности температурного режима:
- производственные участки электроники (платы, микросхемы);
- цехи с высокоточными станками с ЧПУ (классы точности А и В);
- лаборатории и измерительные комплексы;
- хранилища и галереи (сохранность произведений искусства);
- фармацевтические и медицинские помещения (соблюдение норм).
Например, для станков класса В требуется поддержание температуры 20 ± 2 °C, для класса А — 20 ± 0,5 °C. Способность «теплоконтурного» радиатора обеспечивать отклонения в пределах ± 0,6 °C (табл. 2) делает его пригодным для использования в таких зонах.
Табл. 2. Результаты обработки экспериментальных данных*
| Средняя температура поверхности радиатора t, °C | Зависимость температуры поверхности радиатора t [°C] от времени (время десятичное) «нагрева — охлаждения» T, мин | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 7 | 12 | 19 | 24 | ||||||
| «Классический» радиатор tклс.ср | 48 | 55 | 48 | 55 | 48 | |||||
| 0 | 3 | 5,5 | 8,5 | 11 | 14 | 16,5 | 19,5 | 22 | 25 | |
| «Теплоконтурный» радиатор tтк.ср | 45,5 | 46,7 | 45,5 | 46,7 | 45,5 | 46,7 | 45,5 | 46,7 | 45,5 | 46,7 |
* Составлено автором по материалам исследования.
Заключение
Проведённое исследование подтвердило преимущества «теплоконтурного» радиатора термосифонного типа по сравнению с «классическим» биметаллическим радиатором в условиях циклической работы системы отопления:
- относительное снижение энергопотребления составило около 5,71 %;
- коэффициент стабилизации температуры оказался в 5,8 раза выше;
- температурный режим поверхности радиатора поддерживается в узком диапазоне отклонений (± 0,6 °C).
Результаты свидетельствуют о перспективности применения «теплоконтурного» радиатора не только как отопительного прибора, но и как элемента системы поддержания стабильного микроклимата в помещениях с жёсткими требованиями к температурному режиму.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на оценку эффективности прибора в реальных объектах, а также на оптимизацию его конструкции для различных режимов эксплуатации.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность основателю компании «РИФАР», Заслуженному изобретателю РФ, к.т.н. Александру Александровичу Лобачу за постоянную поддержку и оперативную обратную связь в ходе исследования, за предоставление ресурсов для реализации проекта, а также за возможность организовать серийный технологический процесс изготовления «теплоконтурного» радиатора на автоматизированной производственной линии по выпуску радиаторов Monolit на заводе АО «РИФАР», корпуса которых наилучшим образом отвечают конструктивным, прочностным и герметичным требованиям для изготовления и обеспечения надёжной работы представленного в статье инновационного продукта.
Финансирование
Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.
