Так ли уж плох элеватор?

Так ли уж плох элеватор?

В.Ф. Гершкович, КиевЗНИИЭП К. Д. Маргулис, КИАРМ Для начала попытаемся ответить на другой вопрос, а именно, — так ли уж хорош электрический циркуляционный насос, который сегодня применяют на абонентских вводах тепловой сети вместо насоса водоструйного, то есть элеватора?

Возможно, немногие обратили внимание на то, что самые современные бесшумные смесительные насосы, выпускаемые ведущими мировыми фирмами, характеризуются удивительно низким значением КПД. Если, например, консольные насосы отечественного производства работают с КПД 0,7…0,8, то КПД импортных циркуляционных насосов с мокрым ходом ротора не превышает 0,45, а в случае использования однофазных двигателей КПД еще ниже, — около 0,3. Для работы столь неэффективных насосов в смесительном узле абонентского теплового ввода вместо элеваторов требуется примерно 2…3 ватта электрической мощности на каждый киловатт мощности тепловой. Кажется, немного, но потребность системы теплоснабжения в топливе возрастает при этом на ощутимую величину 0,7%. Если заменить все киевские элеваторы такими насосами, столице потребовалось бы закупать ежегодно примерно 14 млн. м³ природного газа, затрачивая при нынешних ценах дополнительно около 600 тыс. у.е. денежных средств. Немало.

Другим серьезным недостатком циркуляционного насоса, связанным с использованием электрической энергии, является его недостаточно высокая надежность. Даже в самых совершенных энергосистемах случаются перерывы в подаче электроэнергии, и, если это произойдет в период стояния сильных морозов, неизбежны серьезные последствия для отопительной системы здания и для людей, в этом здании обитающих. А при недостаточно надежных системах электроснабжения применять электронасосы для постоянно работающих систем отопления просто не рекомендуется.

Что касается стоимости циркуляционного насоса, то она во много раз выше стоимости элеватора.

Несмотря на все недостатки циркуляционного насоса, он в Европе применяется повсеместно, в то время как элеватор напрочь отвергнут как устройство для тепловых пунктов. Почему?

В отличие от элеватора электрический циркуляционный насос способен при работе с регулирующим клапаном обеспечить пропорциональное регулирование тепловой мощности, потому что в этом случае изменение расхода сетевой воды обусловит соответствующее изменение пропорции смешивающихся сред, или, как принято называть, коэффициента смешения. Элеватор этого не может.

Таблица 1. Недостатки циркуляционных насосов систем отопления.

Впрочем, элеватору иногда приписывают и другие недостатки.

Принято считать, что у элеватора низкий КПД, и это было бы справедливо, если бы для его работы необходимо было бы расходовать энергию. На самом деле для работы смешения используют имеющуюся разность давлений в трубопроводах теплоснабжения. Если бы не элеватор, то пришлось бы дросселировать поток теплоносителя, а дросселирование, как известно, — это чистая потеря энергии. Поэтому применительно к тепловым вводам элеватор — это не касос с низким КПД, а устройство для вторичного использования энергии, затраченной на привод циркуляционных насосов ТЭЦ или районной котельной.

Принято считать, что элеватор — это устройство, неспособное обеспечить заданный коэффициент смешения, потому что сопло должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление в трубопроводах тепловой сети, а коэффициент смешения при этом будет такой, какой получится. К сожалению, на практике часто так и поступают, но это неправильная практика. Сопло не должно рассчитываться на имеющееся располагаемое давление. Избыточное давление должно устраняться регулятором перепада давления или, на худой конец, дроссельной шайбой, а сопло элеватора должно подбираться таким образом, чтобы обеспечивался заданный расход воды в системе отопления. Хуже, когда на вводе нет достаточного для работы элеватора располагаемого давления. Так иногда бывает, но тогда и применять элеватор не следует.

Подытожить сопоставление двух типов циркуляционных насосов — электрического и водоструйного удобно при помощи таблицы 1.

Таким образом, неспособность обеспечить пропорциональное регулирование — это единственный недостаток элеватора, устройства, в целом, очень простого, надежного и непритязательного в эксплуатации. Но это серьезный недостаток, если исходить из настоятельной необходимости энергосбережения. Не устранив его, реабилитировать элеватор невозможно.

И все же, реабилитация элеватора может состояться, если не пытаться заставлять его выполнять функции, ему не свойственные. Элеватор действительно не способен обеспечить пропорциональное регулирование, но никто ему не мешает регулировать позиционно, обеспечивая прерывистое отопление.

Теория прерывистого отопления восходит ко временам [1], когда непрерывное водяное отопление было редкостью, а печи топили обычно только поутру, хотя в стужу приходилось топить и под вечер. Проблемы нестационарного теплообмена применительно к отопительным системам современных зданий также не оставались без внимания исследователей, а метод прерывистого отопления, или регулирования пропусками всегда упоминался в литературе [2] как возможный для применения, однако реально этот метод практически не использовался.

Если прекратить на время подачу теплоносителя в систему водяного отопления, то помещения начнут остывать. Темп остывания зависит от теплоемкости строительных конструкций, термического сопротивления наружных ограждений, температуры наружного воздуха, скорости ветра. Остывание происходит по экспоненте. Температуру воздуха в помещении t через z часов остывания можно определить [3] по уравнению.

(1).

где — температура наружного воздуха во время отключения системы отопления,.

— температура внутреннего воздуха перед отключением, — коэффициент аккумуляции тепловой энергии отапливаемым помещением. Этот коэффициент имеет размерность (час), и потому его называют еще постоянной времени помещения.

При непродолжительных (z = 0,1…0/5 часа) перерывах циркуляции теплоносителя в системе отопления температура t будет отличаться от начального значения на величину Дt, составляющую доли градуса. На рис. 1 представлены результаты расчета по формуле 1, выполненные для нетеплоемкого (= 50 ч.) здания.

Из рисунка видно, что даже при сильных морозах (-20 ^ОС) шестиминутный (0,1 часа) перерыв в циркуляции теплоносителя приведет к понижению температуры помещения в нетеплоемком здании всего на 0,1 °С. Таким образом, нет никакой опасности для системы отопления быть отключенной от источника теплоснабжения на короткое время. Инерционность водяной системы отопления и здания, которое эта система обогревает, столь велики, что потребитель даже не заметит этого отключения. Кратковременный перерыв циркуляции в особенности оправдан тогда, когда он обусловлен избыточной в данный момент времени тепловой мощностью, которая фиксируется приборами автоматического регулирования. В этом случае позиционное регулирование будет столь же эффективно, как и регулирование пропорциональное.

Технические средства, реализующие позиционное регулирование, не требуют применения сложной и дорогой техники. Не нужны циркуляционные насосы, требующие постоянного электропитания, существующие элеваторы могут остаться на своих местах, а стоимость исполнительных механизмов позиционного типа, например, электромагнитных клапанов, существенно ниже стоимости клапанов пропорционального регулирования.

Рассмотрим обычный абонентский тепловой ввод системы отопления существующего здания (рис. 2а) с элеватором 3 и, возможно, с дроссельной шайбой 4. Для его автоматизации (рис. 2б) достаточно установить клапан перепада давления 5 и электромагнитный клапан 9, управляемый контроллером 8 по командам датчиков температуры, установленных на обратном трубопроводе (поз. 7) системы отопления и на наружном воздухе (поз. 6).

Киевским предприятием КИАРМ реализована еще более совершенная схема регулирования (рис. 2в), в которой электромагнитный клапан 9 установлен на импульсной трубке, соединяющей клапан 5 с обратным трубопроводом. При закрывании электромагнитного клапана, управляемого контроллером 8, клапан 5 мягко садится на седло, обеспечивая плавное перекрывание потока теплоносителя. Таким образом, поток теплоносителя, подаваемый по трубопроводу любого диаметра, может быть перекрыт электромагнитным клапаном условным проходом 6 мм.

В течение отопительного сезона 2000 — 01 годов в г. Киеве были дооборудованы абонентские вводы нескольких зданий по схемам, показанным на рис. 2б и 2 В.

В соответствии с температурным графиком тепловой сети температура воды t₂ в обратном трубопроводе системы отопления должна поддерживаться [4] в г. Киеве на уровне.

t₂ = 47 — t_H — Д, (2).

где t_H — текущая температура наружного воздуха, °С, Д — заданное программное снижение температуры, °С. В дневное время обычно Д =0, а ночью или в часы нерабочего времени (для общественных зданий) величина Д устанавливается опытным путем (с участием заказчика) в пределах от 2 до 10 °C.

Контроллер 8, фиксирующий температуру наружного воздуха t_H, постоянно вычисляет требуемую температуру t₂. Если измеренная датчиком 7 температура превышает вычисленное значение t₂, контроллер подает команду на закрытие клапана. После того, как клапан перекроет поток теплоносителя, небольшая его часть (около 20%) будет продолжать циркулировать благодаря постоянно открытой обводной линии 10 с дросселем. Это необходимо для того, чтобы датчик 7 смог отслеживать динамику регулирования и своевременно подать сигнал на открытие клапана, когда температура в обратном трубопроводе понизится и станет меньше величины t₂.

Запроектированные должным образом системы регулирования с электромагнитными клапанами показали свою жизнеспособность не только в инерционных отопительных системах, но и в системах горячего водоснабжения, где они обеспечивают колебания температуры подогретой воды в пределах ±2 °C.

Опыт применения простых и надежных схем регулирования, использующих существующее оборудование отопительных абонентских вводов, современные отечественные контроллеры и электромагнитные клапаны, показал их высокую экономическую эффективность и надежность.

циркуляционный насос контроллер клапан.

• 1. Л. А. Семенов. Теплоустойчивость и печное отопление жилых и общественных зданий. Машстройиздат, Москва, 1950 г.
• 2. В. Н. Богословский. Тепловой режим здания. Стройиздат, Москва, 1979 г.
• 3. В. Н. Богословский, А. Н. Сканави. Отопление, Стройиздат, Москва, 1991 г.
• 4. В. Ф. Гершкович. Способ регулирования систем отопления. Авт. свид. СССР № 657 221, Бюлл. № 14, 1979 г.