3. МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВ

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ3. МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВМодернизацию тепловых пунктов осуществляют для усовершенствованиятеплоснабжения здания в соответствии с современными требованиями.Основные задачи модернизации – организация учета теплопотребленияабонентом и сокращение потребления тепловой энергиипри улучшении уровня теплового комфорта в обслуживаемых помещениях.Для этого, как минимум, на абонентском вводе устанавливаютприбор учета и автоматический регулятор теплового потока, корректирующийотпуск теплоты по погодным условиям. Такое применениеоборудования называют местным либо абонентским автоматическимрегулированием. При этом не осуществляют изменений конструктивногохарактера в системе отопления, но предусматривают эту возможностьв будущем. Особенно это касается решений о применении гидроэлеваторас регулируемым соплом. На первый взгляд, он решает поставленныезадачи, но при последующей модернизации системы отопленияпутем установки терморегуляторов на отопительных приборах в соответствиис программой Кабмина Украины [13], от него необходимо будетотказаться.Модернизация абонентских вводов позволяет:• оптимизировать распределение тепловой нагрузки в теплосети;• адекватно управлять гидравлическим и тепловым режимами внутреннейсистемы теплопотребления здания;• снизить расход теплоносителя в теплосети;• экономить энергоресурсы;• уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.При модернизации теплового пункта рассматривают множество задач– автоматизация процесса управления, контроль, учет... Наиболеечасто решаемые задачи управления:• регулирование температуры теплоносителя, подаваемого в системуотопления, в зависимости от температуры наружного воздуха;• регулирование температуры теплоносителя, возвращаемого втеплосеть, в соответствии с температурой наружного воздуха позаданному температурному графику;• ускоренный прогрев ("натоп") здания после энергосберегающегорежима (пониженного теплопотребления);• коррекция режима теплопотребления по температуре воздуха впомещении;• ограничение температуры теплоносителя в подающем трубопроводесистемы отопления;81

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ• регулирование тепловой нагрузки в системе горячего водоснабжения;• регулирование тепловой нагрузки приточных вентиляционныхустановок с обеспечением функции защиты от замораживания;• регулирование величины снижения теплопотребления в заданныепериоды по температуре наружного воздуха;• регулирование режима теплопотребления с учетом аккумулирующейособенности здания и его ориентации по сторонам света.Указанные процессы в тепловом пункте изменяют режим теплопотребленияабонента: с качественного режима на качественно-количественное.С гидравлической точки зрения – это переход от постоянногогидравлического режима к переменному. С технической точки зрения –это замена оборудования, неспособного работать в новых гидравлическихусловиях, на оборудование, решающее поставленные задачи. К заменяемомуоборудованию относится, прежде всего, гидроэлеватор.Замена гидроэлеватора на насос позволяет реализовать множествоэнергосберегающих функций автоматического регулирования теплопотребленияздания как в момент модернизации теплового пункта,так и при последующей модернизации системы отопления и горячеговодоснабжения.3.1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЭЛЕВАТОРОВТрадиционным подходом при подключении подавляющего большинствасистем отопления зданий к сети централизованного теплоснабжениясчиталось применение нерегулируемого гидроэлеватора. Основные егодостоинства: дешевизна, простота, надежность. Он эжектирует охлажденнуюводу из обратного трубопровода системы отопления и смешивает еес высокотемпературной сетевой водой, сохраняя незначительную частьнапора сетевого насоса на тепловой станции, чем обеспечивает циркуляциютеплоносителя в системе отопления. Однако при всех достоинствахгидроэлеватор несовместим с современной системой отопления.Недостатком гидроэлеватора является очень малая доля создаваемогорасполагаемого перепада давления для системы отопления – примерно10 %, что относит гидроэлеватор к низкоэффективным устройствампобуждения движения теплоносителя [45]. Для того, чтобыгидроэлеватор работал необходимо обеспечить перед ним перепаддавления не менее 150 кПа, а создаваемое им циркуляционное давлениесоставляет не более 16 кПа. Это означает, что в теплосети необходимоподдерживать высокий перепад давления, затрачивая в 10 раз больше82

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕэнергии от требуемой, что увеличивает возникновение аварий в подающихтрубопроводах [10] и создает вероятность образования кавитациина регулирующих клапанах.Следующий недостаток нерегулируемого гидроэлеватора – его работапри постоянном коэффициенте смешивания. При этом исключаетсявозможность местного количественного регулирования системы отопленияавтоматическими терморегуляторами у отопительных приборов.Безусловно, что для двухтрубных систем отопления с переменным гидравлическимрежимом такие гидроэлеваторы непригодны [7]. Для однотрубныхсистем отопления с квазипостоянным гидравлическим режимомтакие гидроэлеваторы также непригодны. В них, хоть и значительноменьшие, чем в двухтрубных системах, но происходят колебания расходатеплоносителя, создаваемые работой терморегуляторов [18]. Устранятьэти колебания следует автоматическими ограничителями расхода (регуляторамирасхода) в соответствии с [9], устанавливаемыми на стоякахвертикальных систем либо приборных ветках горизонтальных систем отопления.Эти регуляторы требуют потерь давления на себе для обеспеченияработоспособности мембраны около 15...20 кПа, не оставляя располагаемогодавления (из развиваемых гидроэлеватором 16 кПа) на преодолениесопротивления в остальных элементах циркуляционного кольца.Нерегулируемый гидроэлеватор при колебании расхода в системеотопления создает диаметрально противоположный энергосбережениюэффект: в то время, когда закрываются терморегуляторы и уменьшаетсярасход теплоносителя, начинает возрастать температура теплоносителяна выходе из него [20]. При этом возрастает температура теплоносителяв трубопроводах системы отопления и в обратном трубопроводетеплосети, увеличивая теплопотери в трубопроводах и ухудшая работуТЭЦ или районной котельной. Кроме того, работа нерегулируемого гидроэлеваторанесовместима с регулятором теплового потока, который следуетустанавливать на абонентском вводе тепловой сети [9].Некоторые вышерассмотренные недостатки устранены в автоматическирегулируемом гидроэлеваторе. Он способен обеспечивать качественно-количественноерегулирование теплоносителя в системе с постояннымгидравлическим режимом по заданному температурному графикуотпуска теплоты на отопление здания. Однако при квазистационарномрежиме, характерном для однотрубных систем отопления с терморегуляторамина отопительных приборах, при закрывании терморегуляторов уэтого гидроэлеватора также наблюдается нестабильное регулирование,вызванное возрастанием сопротивления системы из-за несбалансированностиобводных либо замыкающих участков узлов обвязки отопительныхприборов [43].83

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕИсходя из указанных недостатков гидроэлеваторы, как энергетическинеэффективные и не в полной мере удовлетворительно регулирующиеустройства, не нашли применения за рубежом. В отечественной жепрактике проектирования происходит поиск области их применения.Так, например, в работах [12; 20] предлагается использовать гидроэлеваторв системах отопления с терморегуляторами, если регулированиепо погодным условиям реализуется методом пропусков: периодическипрерывается циркуляция теплоносителя через гидроэлеватор и всю систему.По такому принципу рекомендовано реконструировать существующиеабонентские вводы зданий. Однако область применения данногометода регулирования пропусками ограничена в работе [46] – этонебольшие системы при положительных температурах наружного воздуха.Кроме того, следует учесть, что терморегуляторы на отопительныхприборах, хоть и с запаздыванием, все же уравновешивают между собойциркуляционные кольца системы. Они компенсируют своим сопротивлениемне только внутренние и внешние воздействия на систему отопления,но и огрехи в ее расчете и монтаже. При регулировании пропусками(отключении системы отопления) каждый раз нарушается сбалансированностьсистемы, перераспределяется теплоноситель и затем вновьпроисходит длительное ее восстановление. Таким образом, регулированиепропусками – это лишь дополнительный возмущающий фактор, которыйухудшает работу системы отопления, не лучшим образом обеспечиваятепловой комфорт и энергосбережение. Кроме того, регулированиепропусками приводит к колебаниям температуры и давления теплоносителя,что пагубно влияет на систему: создаются условия для разуплотненияфланцевых соединений; возникает специфическое воздействиена сталь, вызывающее ее старение, снижение пластичности, механическихсвойств и малоцикловой прочности [46]. Поэтому модернизациятепловых пунктов предполагает полный отказ от применения гидроэлеваторови их замену на циркуляционные насосы. Сокращаемое от такойзамены теплопотребление составляет в среднем 13 % [47]. При этомуменьшаются затраты на перекачку теплоносителя сетевыми насосамии появляются незначительные дополнительные затраты электроэнергии,расходуемые маломощными насосами на абонентских вводах, которыеотносительно затрат тепловой энергии на здание составляют от 3 до0,3 % [25]. Причем бóльшему значению соответствуют здания с отапливаемойплощадью 100 м 2 , а меньшему – 10000 м 2 .Гидроэлеватор – низкоэффективное устройство, не сочетающееся спеременным гидравлическим режимом теплопотребления современногоздания.84

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ3.2. АВТОМАТИЗАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВДо осуществления замены оборудования теплового пункта необходимопровести его детальное техническое и теплогидравлическое обследование,в процессе которого выясняют фактическое состояние абонентскоговвода. При этом определяют [47]:• проектные и фактические расходы теплоносителя;• проектные и фактические часовые, а также месячные тепловыенагрузки;• проектные и фактические параметры теплоносителя на вводе –средние значения и их отклонения как в рабочем, так и ваварийном режиме работы теплосети;• содержание газов, твердых частиц и химических примесей втеплоносителе;• наличие отложений на внутренних поверхностях труб иарматуры;• наличие в трубах блуждающих токов, разности потенциалов ивибраций;• источники помех для электронных устройств;• стабильность электропитания.Получают указанные данные как расчетным методом, так и методомпрямых замеров. Так, расходы теплоносителя при расчетном методе определяютпо проектным нагрузкам и температурному графику; при прямом –ультразвуковым расходомером с накладными датчиками. Для закрытыхсистем в последнем случае следует определять расходы в подающем и вобратном трубопроводах для выявления несанкционированного разборасетевой воды либо утечек.Тепловые нагрузки определяют по температурному режиму источникатеплоснабжения и температурному режиму системы отопления.По пьезометрическому графику давления теплоносителя теплосетив статическом и динамическом режимах определяют проектные параметрытеплоносителя на вводе в здание и сопоставляют их с реальнымипоказателями по манометрам.Информация о содержании в теплоносителе воздуха и газов, механическихи взвешенных частиц позволяет правильно подобрать тепломер.Такой анализ осуществляют по отложениям в трубах и грязевиках.Следует обратить внимание на наличие магнетитов в теплоносителе,увеличивающих погрешность электромагнитных расходомеров [48]. Наличиев теплоносителе механических частиц недопустимо при использованииротационных тепломеров, насосов и автоматических клапанов.85

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕБлуждающие токи и электрохимическая коррозия могут быть причинойнеудовлетворительной работы для датчиков расхода и температурытеплоносителя, а также тепловычислителя. Вибрация существенновлияет на работу вихревых расходомеров.Нестабильность электропитания предопределяет выбор тепловычислителяс аккумуляторами. Влияет также на расположение штока автоматическихклапанов при отсутствии электроэнергии – закрыто, промежуточное– полностью открыто. Заставляет устанавливать местныйрезервный источник электроснабжения, либо оставлять гидроэлеватор,как резервный вариант узлу смешивания с насосом.На основании полученной информации выбирают схему абонентскоговвода, подбирают соответствующее оборудование, обеспечиваютего работоспособность. Затем определяют этапы выполнения работ. Автоматизациютепловых пунктов осуществляют:• поэтапно;• в один этап.Поэтапную модернизацию применяют при отсутствии единоразовыхсредств на полную автоматизацию. Зачастую реализуют этот путьпри дальнейшей замене зависимого присоединения абонента к теплосетина независимое. На первом этапе устанавливают тепломер и насос[49], либо только тепломер [50; 51]. На втором – пластинчатый теплообменники автоматические клапаны [49]. С учетом отечественногонорматива [9], автоматический регулятор теплового потока следует устанавливатьна первом этапе.При установке насосов, гидроэлеватор может быть демонтированлибо оставлен. В первом варианте гидроэлеватор заменяют патрубком иустанавливают заглушку на подмешивающем трубопроводе либо срезаютего, а в подающий либо обратныйтрубопровод врезают узел обвязкинасосов с перемычкой. Крометого, после насосов устанавливаютручной регулирующий клапандля наладки системы отоплениятемпературным методом [5], аперед насосами устанавливаютсетчатый фильтр.Во втором случае узел обвязкинасоса с регулирующим клапаномРис. 3.1. Параллельное размещениенасосного узла к гидроэлеватору86и фильтром размещают параллельногидроэлеватору (рис. 3.1)[49]. Фильтр следует размещать

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕпосле перемычки, что обеспечивает фильтрование как сетевой, так иподмешиваемой воды. На перемычке следует установить обратный клапандля предотвращения перетока сетевой воды в обратный трубопровод.Врезку подающего трубопровода после насосов осуществляют за задвижкой,отключающей систему отопления, которая при работе насосовдолжна быть закрыта. Кроме того, между фланцами соединения гидроэлеваторак подмешивающему трубопроводу устанавливают заглушку.Наилучшим вариантом модернизации теплового пункта являетсяего автоматизация в один этап. Таким путем пошли в Киеве при заменетепловых пунктов общественных зданий. Реализуемый подход представленна рис. 3.2.Инженерные системы здания при автоматизации теплового пунктаостаются без изменения. Однако возможна дальнейшая их модернизацияпутем установки автоматических терморегуляторов на узлы обвязкиотопительных приборов системы отопления и установки терморегуляторовна циркуляционные трубопроводы системы горячего водоснабжения.Рис. 3.2. Схема замены узлов при модернизации теплового пункта87

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕбРис. 3.3. Общий вид абонентскоговвода:а ñ до модернизации; б ñ послемодернизацииТакая модернизация становится возможной, поскольку побудителямидвижения воды в этих системах являются насосы. Кроме того, в новыхузлах установлены сетчатые фильтры, снижающие загрязненность теплоносителя.В старом тепловом пункте демонтируют практически все оборудование(рис. 3.3): контрольно-измерительные приборы, узел учета, скоростныеводоподогреватели, элеваторный узел. Оставляют лишь задвижкии грязевики. Причем по требованию [3] грязевик на обратномтрубопроводе устанавливают перед регулирующими устройствами, атакже приборами учета расходов воды и тепловых потоков.Новые узлы присоединения системотопления (рис. 3.3,б) и горячего водоснабженияпроектируют в соответствиис местными условиями. При модернизациитепловых пунктов по программеЕвропейского банка реконструкции иразвития в Киеве применяют зависимуюсхему присоединения системы отопления(рис. 2.8...2.10) без перепускногоклапана 18 и двухступенчатую смешаннуюсхему присоединения системыгорячего водоснабжения с пластинчатымитеплообменниками (рис. 2.21,г).Кроме того, в тепловом пункте автоматизируютотвод воды из приямка посхеме на рис. 2.17.Новые узлы присоединения системзачастую имеют заводское изготовлениеи поставляются на объекты собраннымив виде блочного теплового пункта.Блок поставляют с привареннымипатрубками к ответным фланцам, чтооблегчает монтажные работы.При модернизации тепловых пунктовв подавляющем большинстве случаев целесообразно применятьблочные тепловые пункты. Они собраны и испытаны в заводских условиях,отличаются надежностью. Монтаж оборудования упрощается и удешевляется,что, в конечном счете, снижает стоимость модернизации [52].88aМодернизацию теплового пункта осуществляют на основании детальноготехнического и теплогидравлического обследования абонентскоговвода.

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ4. БЛОЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫБлочные тепловые пункты(БТП) применяют для присоединенияк тепловой сети систем отопления,горячего водоснабжения,вентиляции и кондиционированиякак новых, так и существующихзданий, при модернизацииих абонентских вводов. БТПпредставляет собой готовую кподключению и эксплуатациикомпактную установку (рис. 4.1).Компоновку БТП выполняют индивидуально,с учетом размеровпомещения теплового пункта.Изготовляют БТП под любыетепловые нагрузки на основаниибазовых схем [53], которыми предусмотреныварианты присоединения инженерных систем здания к тепло-Рис. 4.1. Блочный тепловой пунктвой сети. Подбор оборудования осуществляют по программе расчета тепловыхпунктов Данфосс. В общем случае БТП состоит из комбинацииследующих составляющих:• узла учета и регулирования тепловой энергии для учета фактическогорасхода теплоносителя и теплоты, а также регулировки(снижения) расхода теплоносителя в соответствии с заданнымграфиком температуры;• узла отопления для обеспечения требуемого расхода тепловойэнергии с учетом погодных условий, времени суток, дней неделии пр.;• узла горячего водоснабжения для поддержания нормативнойтемпературы воды (55...60 °С) в системе горячего водоснабженияи осуществления термической дезинфекции системы;• узла вентиляции для регулирования расхода тепловой энергии всоответствии с погодными условиями и временем суток.БТП представляет собой автоматизированную установку с необходимымоборудованием в соответствии с требованиями, предъявляемымик тепловым пунктам. В комплект поставки БТП входят: теплообменники,циркуляционные насосы, запорно-регулирующая арматура,фильтры, трубопроводы, приборы автоматики, щит управления, кабели,документация... Большинство указанного оборудования подбирают89

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕпо компьютерным программам, компактно увязывая между собой дляобеспечения удобства эксплуатации. Задача проектировщика, применяющегоБТП, сводится к сбору исходных данных и указанию их в опросномлисте.Применение БТП по сравнению с традиционным абонентским вводомпозволяет:• снизить затраты на создание теплового пункта;• уменьшить занимаемую площадь помещения;• сократить срок монтажа и пуско-наладочных работ;• сэкономить тепловую энергию и денежные средства;• повысить надежность теплоснабжения здания;• упростить дальнейшую модернизацию (автоматизацию) инженерныхсистем зданий.Блочный тепловой пункт представляет собой готовое техническоерешение для абонентского ввода. Теплогидравлическое взаимодействиеи геометрическое расположение всех элементов в нем осуществляетпроизводитель.90

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ5. ОБЪЕКТ РЕГУЛИРОВАНИЯОбъектом регулирования в тепловом пункте может быть вся системаотопления, система теплоснабжения калориферов, система горячеговодоснабжения, части этих систем, теплообменный прибор или процесс.Так, объектом регулирования для балансировочного клапана посленасоса является вся система отопления; для балансировочного клапанана распределительной гребенке – часть системы; для регуляторатеплового потока – теплообменник при независимом подключении либосмесеобразование (процесс) теплоносителя до требуемой температурыпри зависимом подключении системы отопления. Аналогично определяютобъект регулирования в системе теплоснабжения калориферов и всистеме горячего водоснабжения. Отличительная особенность системыгорячего водоснабжения заключается в том, что она разомкнута и объектомрегулирования для водоразборного крана (регулирующий клапан)является водоразбор (процесс).5.1. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОТОКАНоминальный тепловой поток Q N теплообменных приборов получаютв результате тепловых испытаний в специальных климатическихкамерах при определенных нормированных влияющих факторах [54]. Вреальных условиях эксплуатации расход G теплоносителя через теплообменныйприбор, средний перепад температур Δt между прибором иокружающим воздухом, способ подключения и много других факторов,как правило, отличаются от тех, при которых проводились испытания.Их учитывают поправочными коэффициентами к номинальному тепловомупотоку. Причем одни из них являются постоянными (например,на цвет покраски, способ установки, способ подключения и т. д.), а другие– переменными. Закономерности влияния переменных факторовиспользуют для регулирования теплового потока теплообменных приборовQ. С учетом изложенного, тепловой поток теплообменного приборазависит от переменных факторов следующим образом:(5.1)где n и m – показатели степени.Показатель степени m = 0…0,18. Нижняя граница характерна для радиаторов,верхняя – для конвекторов. В целом этот показатель весьманезначительно влияет на Q.Показатель степени n = 1,25…1,35 характерен для всех конструкций конвекторов,а для радиаторов n ≈ 1,3. Он существенно изменяет номинальный91

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕтепловой поток теплообменного прибора, что для конвектора либо радиаторапоказано на рис. 5.1 при температуре воды на входе, равной 90 °С.Влияние водогликолевой смеси на характеристики теплообменныхприборов необходимо учитывать по рекомендациям производителей.Рис. 5.1. Зависимость теплового потокаконвектора от перепадатемператур и расходатеплоносителяРис. 5.2. Зависимость тепловогопотока греющего пола отперепада температур ирасхода теплоносителяУменьшение перепада температур теплоносителя между входом ивыходом теплообменного прибора приводит к увеличению деформациикривой, характеризующей зависимость относительного теплового потокаQ/Q N от относительного расхода G/G N теплоносителя. Значительнаядеформация этой кривой происходит в отопительных приборах однотрубныхсистем отопления. Несложно подсчитать, что, например, вдесятиэтажном здании с однотрубной системой отопления и расчетнымперепадом температур в 25 °С перепад температур в отопительных приборахсоставит 25/10 = 2,5 °С. Кроме того, в процессе качественногоцентрального регулирования системы изменяется перепад температуртеплоносителя с 25 °С до примерно 15 °С, следовательно в отопительномприборе перепад температур уменьшается до 15/10 = 1,5 °С. Характеристикаотопительных приборов при этом становится почти прямоугольной.В этом случае при незначительном открытии регулятора максимальновозрастает теплоотдача отопительного прибора. Остальнойход штока регулятора будет бесполезным, поскольку происходит такназываемое двухпозиционное регулирование – "открыто либо закрыто".Это приводит к скачкообразному регулированию теплового комфорта впомещении, увеличению вероятности шумообразования и уменьшению92

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕэнергоэффективностисистемы. Регулированиятепловым потокомРис. 5.3. Характеристика теплообменникапри различных видах регулирования:1 ñ качественном по температуренаружного воздуха; 2 ñ качественномпо температуре помещения;3 ñ количественном по температурепомещения [55]отопительных приборовв однотрубных системахдостигать темсложнее, чем больше отопительныхприборов встояке либо приборнойветке. Гораздо сложнеедостичь линейного регулированиятеплообменныхприборов в однотрубныхсистемах примодернизации тепловогопункта, если у отопительныхприборов отсутствуюттерморегуляторы.Тогда все задачипо регулированию отопительныхприборов возлагаются на регулирующий клапан тепловогопункта.Именно значительная кривизна характеристики отопительных приборовявляется причиной отказа в европейских странах от примененияоднотрубных систем отопления. А модернизация тепловых пунктов соднотрубными системами (в бывших социалистических странах) предполагаетдальнейшую модернизацию системы отопления путем установкитерморегуляторов у отопительных приборов, либо полную заменуоднотрубной системы отопления на двухтрубную с терморегуляторами.В значительно лучших условиях происходит регулирование тепловогопотока отопительных приборов двухтрубной системы отопления,поскольку перепад температур в них равен перепаду температуры в системеотопления. Например, те же 25...15 °С. Получаемая кривизна характеристикиотопительного прибора дает возможность количественноизменять расход теплоносителя ходом штока регулирующего клапана,управляя тепловым потоком отопительного прибора и обеспечивая потреблениетепловой энергии в соответствии с потребностью для поддержаниятеплового комфорта.Наилучшими условиями, с точки зрения регулирования, но несанитарно-гигиенической, было бы увеличение перепада температуры93

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕв системе отопления. Компромисса достигают только в двухтрубныхсистемах отопления с перепадом температур примерно в 15...25 °С.Подобное искривление имеет характеристика теплового потока греющегопола при температуре теплоносителя на входе, равной 46 °С, чтопоказано на рис. 5.2. Так, кривизна характеристики греющего пола в диапазонерабочих перепадов температур (3...11 °С) соответствует кривизнехарактеристики отопительного прибора двухтрубной системы отопления(10...25 °С). Следовательно, эти системы примерно одинаковоподдаются регулированию.Некоторое изменение кривизны характеристики теплообменногоприбора вносит способ его регулирования, что показано на характеристикетеплообменника на рис. 5.3 [55]. При качественном регулировании(изменением температуры подаваемого теплоносителя) характеристикатеплообменника более пологая, чем при количественном регулировании(изменением расхода теплоносителя). Область разброса характеристикна рисунке является функцией разности температур между теплообменивающимисясредами.Таким образом, большинство теплообменных приборов имеют нелинейнуюзависимость Q/Q N от G/G N . Это усложняет процесс регулированиятеплового потока. Так, при увеличении относительного расходатеплоносителя с 0 до 20 % относительный тепловой поток возрастаетс 0 до 80 % (суммарный диапазон по графикам на рис. 5.1...5.3). Следовательно,теплообменные приборы весьма чувствительны при регулированиималыми расходами теплоносителя, а при расходах, близких кноминальному (расчетному) значению и выше, их тепловой поток существенноне изменяется.5.1.1. Идеальное регулирование теплообменного прибораСтабильное управление теплообменным прибором получают прилинейной зависимости его теплового потока от хода штока регулирующегоклапана. С этой целью рассматривают идеальную совместную работутеплообменного прибора и регулирующего клапана. Ее суть заключаетсяв том, что расходная характеристика клапана должна бытьзеркальным отображением характеристики теплообменного прибора.Для этого необходимо обеспечить 10 % увеличение относительного расходаG/G N на клапане при относительном подъеме штока h/h 100 на 50 %.Тогда относительный рост теплового потока Q/Q N составит 50 % приоткрывании клапана h/h 100 на 50 % (рис. 5.4), т. е. достигнуто линейноерегулирование.Рассмотренное управление теплообменным прибором является идеализированным,к которому следует стремиться. Особенно важно это94

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕпри использовании регуляторов теплового потока (температуры) прямогодействия, поскольку между датчиком температуры и положениемштока клапана установлена жесткая связь. Важным это является и длярегуляторов непрямого действия. В обоих вариантах улучшается реакциярегулирующего клапана на изменение температуры, что повышает витоге тепловой комфорт в помещении и экономит энергоресурсы.а б вРис. 5.4. Регулирование теплообменного прибора: а ñ характеристикатеплообменного прибора; б ñ расходная характеристика регулирующегоклапана; в ñ идеальная характеристика регулированиятеплообменного прибора [56]Рассмотренные закономерности регулирования относятся к отопительнымприборам системы отопления, теплообменникам системы отопленияи горячего водоснабжения, калориферам системы вентиляции.Они справедливы также и для тех систем отопления, которые не имеюттерморегуляторов у отопительных приборов.Линейное управление тепловым потоком теплообменного прибора –идеальный закон регулирования, к которому следует стремиться припроектировании водяных инженерных систем здания.Выбор вида расходной характеристики клапана зависит от вида характеристикиобъекта регулирования.5.1.2. Идеальное регулирование процессаПри подборе регулятора теплового потока, устанавливаемого передузлом смешивания в тепловом пункте, следует обеспечить адекватнуюреакцию регулирующего клапана на изменение температуры теплоносителя.Для этого необходимо, чтобы клапан пропускал необходимоеколичество сетевой воды.Расход сетевой воды и температура теплоносителя, подаваемого всистему отопления, линейно зависят от коэффициента смешивания, и,следовательно, линейно взаимосвязаны между собой. Поскольку тепловой95

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕРис. 5.5. Идеальное регулированиесмесеобразованияРис. 5.6. Идеальное регулированиеводоразборапоток на отопление, регулируемый по наружномувоздуху и температурному графику,также линейно зависит от температурытеплоносителя в системе отопления, то расходтеплоносителя, проходящий через регулирующийклапан, должен изменяться линейно.Итоговый график идеального регулированиясмесеобразования теплоносителяпредставлен на рис. 5.5, где t/t г характеризуетотношение текущего значения температурытеплоносителя, подаваемого в системуотопления, к расчетному (номинальному).В системе горячего водоснабжения регулируемымпроцессом является водоразборпотребителем. Этому процессу лишь в последнеевремя стали уделять внимание, особеннов высотных зданиях, где при незначительномоткрывании водоразборного кранаистекает вода со значительным расходом идальнейшее открытие крана не приводит кизменению расхода. Кроме того, при использованиисмесителей наблюдаются колебаниятемпературы смеси, вызываемые изменениемдавления в системе холодного игорячего водоснабжения.Идеальным регулированием процесса водоразбора является обеспечениелинейной зависимости между относительным ходом штока водоразборногокрана h/h 100 (либо относительным открытием проходногосечения) и относительным водоразбором G/G N (рис. 5.6).Линейное управление процессами смесеобразования и водоразбора –идеальный закон регулирования, к которому следует стремиться припроектировании водяных инженерных систем здания.96

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ6. ОБОРУДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВТепловые пункты подразделяют на:• центральные тепловые пункты – для присоединения систем отопления,вентиляции, горячего водоснабжения и технологическихтеплоиспользующих установок для двух или более зданий;• индивидуальные тепловые пункты – то же, для одного здания илиего части;• местные (квартирные) тепловые пункты – для присоединенияквартирных систем теплопотребления.Первые два типа тепловых пунктов являются нормируемыми [3].Последний тип только начинает распространяться в нашей стране, хотяза рубежом нашел широкое применение. Для его реализации изготавливаютблочные тепловые пункты заводской готовности, устанавливаемыенепосредственно в квартирах или коттеджах. Это особенно удобно длязданий с неизвестной заранее планировкой помещений (квартир) и типоминженерных систем в этих помещениях. Они предоставляют возможностьвыбора квартиры из общей площади здания любой площади иэтажности, а также позволяют выполнить инженерные системы любогосочетания и степени сложности по индивидуальному заказу.В любом типе тепловых пунктов предусматривают размещениеоборудования, арматуры, приборов контроля, управления и автоматизации,посредством которых осуществляют:• преобразование вида теплоносителя или его параметров;• контроль параметров теплоносителя;• учет тепловых потоков, расходов теплоносителя;• регулирование расхода теплоносителя и распределение его по системампотребления теплоты;• защиту местных систем от аварийного повышения параметровтеплоносителя;• заполнение и подпитку систем теплопотребления;• аккумулирование теплоты;• водоподготовку для систем горячего водоснабжения.Перечисленные мероприятия, в зависимости от назначения тепловогопункта и местных условий, могут применять все, либо частично.Осуществляют данные мероприятия соответствующим подбором оборудованиятепловых пунктов.Современное автоматическое оборудование наделено новыми свойствамии функциями, которые требуют корректировки традиционнойотечественной практики проектирования тепловых пунктов.97

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ6.1. КЛАПАНЫКлапаны относят к классу трубопроводной арматуры. Они отличаютсяспособом перекрытия потока теплоносителя, заключающимся ввозвратно-поступательном перемещении затвора вдоль оси потока теплоносителяв седле корпуса арматуры [46]. В соответствии со стандартом[57] по назначению различают арматуру: запорную (для перекрытияпотока), регулирующую (для изменения расхода теплоносителя), распределительно-смесительную(для распределения потоков теплоносителяпо направлениям или для смешивания потоков), предохранительную(для защиты элементов системы при отклонении параметров теплоносителяза рекомендуемые пределы), обратную (для автоматического предотвращенияизменения направления теплоносителя).Одно из главных отличий современной арматуры – это многофункциональность,т. е. предназначенность для выполнения несколькихфункций. Такой арматурой является, например, запорно-регулирующая.Запорная арматура предназначена для перекрытия потока теплоносителя.Принимать запорную арматуру в качестве регулирующей не допускается[3]. Это вызвано, прежде всего тем, что запорная арматураконструктивно не предназначена для таких задач: имеет низкую цикловуюнагрузку (быстрое срабатывание при частом использовании) и создаетрезкий перепад давления теплоносителя при закрывании [46].Регулирующая арматура предназначена для регулирования расходатеплоносителя. Независимо от конструктивного исполнения конечнойцелью ее подбора является обеспечение линейной зависимости между регулирующимвоздействием и изменением регулируемого параметра [55].Клапаны следует применять согласно их назначению.6.1.1. Пропускная способность клапанаОсновной гидравлической характеристикой запорно-регулирующейарматуры является коэффициент местного сопротивления ξ. Егоопределяют при протекании воды через клапан в режиме квадратичногосопротивления. Находят ξ экспериментально как отношение потерянногополного давления на клапане к динамическому давлению в егоусловном входном сечении. Кроме того, в коэффициент местного сопротивленияклапана включено сопротивление участков присоединительныхтрубопроводов, на которых происходит перестройка поля скоростиводы. Эта особенность требует наличия в системе прямых участковтрубопроводов перед клапаном и после него (рис. 6.1), что не всегдадостижимо.98

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕПри прямолинейных участкахтруб длиной меньше указанных соотношений,гидравлические характеристикиарматуры будут отличатьсяот параметров, предоставляе-Рис. 6.1. Присоединение клапановмых производителем в техническом описании. Рекомендуется, чтобырасстояние между элементами теплового узла, создающими местные сопротивления,было не меньше 10d. При меньших соотношениях необходимоэкспериментально определять общее сопротивление узла, состоящегоиз нескольких близко расположенных элементов. Арифметическоесуммирование местных сопротивлений этих элементов, как частоделается на практике, не отвечает реальному гидравлическому сопротивлениюузла. Это является одной из причин необходимости наладкисистемы и применения регулирующих клапанов.К гидравлическим характеристикам клапанов относят также пропускнуюспособность. Ее определяют как объемный расход воды в м 3 /чс плотностью 1000 кг/м 3 , проходящей через клапан при перепаде давления10 5 Па (1 бар). Поэтому часто в каталогах и справочниках пренебрегаютзнаменателем единиц измерения и указывают только м 3 /ч. Однакопри этом теряется гидравлический смысл данного параметра.Для определения местных потерь давления ΔP, Па, в клапанах преобразуютформулу Вейсбаха(6.1)в уравнение (6.2), заменяя скорость воды отношением объемногорасхода к площади условного проходного сечения и применяя единицыизмерения [бар] для ΔP, –(6.2)где ξ – коэффициент местного сопротивления; ρ – плотность воды,кг/м 3 ; υ – скорость движения воды, м/с; k v – пропускная способностьклапана, (м 3 /ч)/бар 0,5 ; V – объемный расход воды, м 3 /ч.Сравнивая уравнения (6.1) и (6.2), определяем, что пропускная способностьклапана k v , (м 3 /ч)/бар 0,5 состоит из коэффициента местногосопротивления и площади входного сечения клапана, которую рассчитываютпо условному диаметру входного сечения. Поэтому размерностьk v представляют иногда в м 2 , что не в полной мере отражает гидравлическуюсуть данного параметра.Параметр k v , оцениваемый размерностью лишь м 3 /ч, удобен в пользованиитем, что дает возможность ощутимого восприятия его пропускной99

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕспособности при сравнении с другими клапанами. Для всех клапанов перепаддавления при их испытании постоянен [58]. Но он, как правило,не совпадает с перепадом давления в реальной системе. Поэтому при заказеи спецификации клапанов необходимо рассчитывать k v по номинальнымпараметрам системы с учетом традиционно применяемой системыразмерностей. Наиболее часто встречающиеся переводные формулыприведены в табл. 6.1.Таблица 6.1 Определение пропускной способности клапана k v , (м 3 /ч)/бар 0,5ΔP, бар,V, м 3 /чΔP, кПа,V, л/сΔP, мм вод. ст.,V , м 3 /чΔP, кПа,V, л/чΔP, Па,G, кг/чСледует обратить внимание на то, что параметр k v может иметьиную индексацию, например, k vs . В этом случае данный параметр определяетпропускную способность клапана в максимально открытом положении.Параметр k v является аналогом проводимости σ [14], (кг/ч)/Па 0,5 .Под проводимостью подразумевают физическую величину, количественнохарактеризующую способность элемента гидравлической системыпропускать воду при наличии на нем перепада давления. По проводимостинаходят гидравлические потери не только клапана, но и системы вцелом(6.3)где S – характеристика гидравлического сопротивления участкасистемы, Па/(кг/ч) 2 ,(6.4)где А – удельное динамическое давление на участке, Па/(кг/ч) 2 ,А = 6,25/10 8 ρd 4 . (6.5)В центральной Европе потери давления ΔP, бар, на участке трубопроводанаходят по аналогичным уравнениям. Отличие состоит в применяемыхединицах измерения и в учете влияния на потери давления гидравлическогорежима течения в пристенной области трубопровода. Для упрощениярасчетов это влияние выражают переменным показателемстепени m [43].ΔP = CV m , (6.6)где C – характеристика сопротивления участка трубы, бар/(м 3 /ч) m .100

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕПрактические расчеты осуществляют по осредненному показателюстепени. При использовании стальных труб принимают m = 1,9, медных –m = 1,8. Более точные значения указаны в стандартах, например, DIN 2440,DIN 2448. Значения показателя степени m в зависимости от материала идиаметра труб при известной скорости теплоносителя представлены втабл. 6.2.Таблица 6.2МатериалтрубыСтальМедьДиаметртрубы3/8’’1/2’’1’’1 1/2’’65 мм100 мм300 мм10×1 мм18×1 мм28×1,2 мм54×2 ммПоказатель степени ´mª для цилиндрических трубСкорость теплоносителя, м/с0,2 0,5 1,0 1,5 2,0 3,01,8041,8041,8291,7791,7381,8011,8611,8681,8701,8791,8801,8961,7661,7201,8111,8221,9101,9101,9181,9191,9231,9201,9331,7711,7901,8621,7921,7871,8101,8021,8271,9471,9511,9491,9531,7831,8291,9611,9641,966Для обеспечения регулирования системы в заданных пределах необходимыправильный подбор и расчет клапана. Однако на практике зачастуюрегулирующие клапаны не рассчитывают, а подбирают по диаметрутрубопровода, на котором их устанавливают. Это приводит к ухудшениючувствительности регулятора, к потере его регулирующей способности.Наиболее ярким примером являются водоразборные краны горячей илихолодной воды, из которых при незначительном открытии выходит сильнаяструя воды. Дальнейшее их открытие не приводит к существенномуувеличению. В результате – либо перерасход воды, либо психологическаянеудовлетворенность потребителя.Причиной плохой работы системы в целом или регуляторов, в частности,может быть неверный подбор клапанов – лишь по пропускной способностии без учета изменения динамических характеристик. Одним изосновных факторов, влияющих на работу клапана в динамическом режимеработы системы, является его внешний авторитет.Пропускная способность – основная гидравлическая характеристикаклапана, которая учитывает его сопротивление, создаваемое проходутеплоносителя.Подбор клапана по пропускной способности, расчетному перепаду давленияи расчетному расходу теплоносителя пригоден лишь для определениятипоразмера клапана и не отражает его регулировочную способностьв системе.101

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ6.1.2. Внешний авторитет клапанаИзменение расхода теплоносителя клапаном зависит как от его пропускнойспособности, так и от участка системы, на котором клапан вызываетизменение давления теплоносителя. Этот участок называют регулируемым.Он включает трубопроводы с установленными приборами иоборудованием. За пределами этого участка перепад давления остаетсянеизменным или колеблется не более чем на ± 10 %. При проектированиитеплового пункта таким участком может являться либо целикомсистема теплоснабжения, отопления, горячего водоснабжения, либо отдельныеее части, в которых автоматически поддерживается постоянныйперепад давления. Схематическое изображение регулируемогоучастка показано на рис. 6.2.Рис. 6.2. Схема регулируемого участка: 1 - автоматический регулятор;2 - ручной балансировочный клапан; 3 - объект регулирования;4 - вход и выход теплоносителяПредставленная схема системы автоматического регулирования,состоит из регулируемого объекта и взаимодействующего с ним автоматическогорегулирующего клапана. Кроме того, в данную схему включени ручной балансировочный клапан, зачастую устанавливаемый всистеме. Такая схема соответствует, например, системе отопления с терморегуляторамиу отопительных приборов и ручными балансировочнымиклапанами на ответвлениях, либо общим балансировочным клапаномв тепловом пункте за насосом. Схема регулируемого участка вравной степени может быть с одним регулирующим органом – клапаномавтоматического регулятора, либо ручным регулирующим клапаном.Автоматический регулятор – устройство, реагирующее на изменениерегулируемого параметра объекта и автоматически управляющее процессами,выполняемыми для поддержания этого параметра в определенныхпределах или для изменения его по определенному закону. В отличиеот автоматического регулятора, ручным клапаном осуществляют теже задачи, но с помощью манипуляций человека. Далее по тексту дляобоих этих устройств, если идет речь об общих свойствах, применентермин "регулирующий клапан".102

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕОбъект регулирования, следовательно, и регулируемый участок можетбыть разветвленным. Через регулируемый участок проходит весьтеплоноситель системы либо его часть, на которую воздействует клапан.При изменении расхода теплоносителя происходит перераспределениерасполагаемого давления между конструктивными элементамиучастка, в том числе и регулирующим клапаном. По мере открываниярегулирующего клапана на нем уменьшается гидравлическое сопротивление,что приводит, в свою очередь, к увеличению перепада давленияна остальных элементах участка из-за увеличения расхода теплоносителя.Когда регулирующий клапан закрывается, то в остальных элементахучастка уменьшается падение давления, поскольку расход теплоносителястремится к нулю. Все располагаемое давление при этом теряется нарегулирующем клапане. Таким образом, гидравлические характеристикиэлементов участка оказывают влияние друг на друга в процессе регулирования.Разность давления на регулирующем клапане не постоянна.Она, как правило, не равна статической разности давления, по которойего подбирают при проектировании теплового пункта.Отношение потерь давления на максимально открытом регулирующемклапане ΔР vs [5; 56] к максимально возможному перепаду давления ΔРна регулируемом участке называют авторитетом регулирующего клапана. (6.7)Термин "авторитет клапана" является общепринятым за рубежом. Частоприменяют термин "внешний авторитет клапана" [59]. В отечественнойпрактике проектирования применяли термин "коэффициент искаженияидеальной характеристики" [60], либо "величина соотношения"[61]. Во всех случаях физическая суть этих параметров одинакова.Данное уравнение является частным случаем. Оно пригодно лишьдля клапанов, у которых расчетный расход теплоносителя совпадает смаксимально возможным. Такое совпадение присуще регулятору тепловогопотока (для системы отопления) и регулятору температуры (длясистемы горячего водоснабжения) в тепловом пункте. Для ручных балансировочныхклапанов и радиаторных терморегуляторов эти расходыпрактически никогда не совпадают, а максимальный расход через них вполностью открытом состоянии является неизвестной величиной. Поэтомув [5] получены уравнения для определения внешнего авторитетаклапана при расчетном расходе теплоносителя, т. е. расходе, которымоперируют при проектировании.Внешний авторитет регулирующего клапана зависит от его гидравлическойудаленности от насоса либо автоматического регулятора перепада103

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕдавления. Примеры определения внешнего авторитета регулирующегоклапана представлены на рис. 6.3. Самое низкое значение данного параметрау первого и второго клапана (рис. 6.3,а). Это вызвано тем, что регулируемымучастком для первого регулирующего клапана (параметрыдля определения авторитета этого клапана на рис. 6.3 обозначены индексом"1") является вся система теплоснабжения, а для второго (параметрыдля определения авторитета этого клапана на рис. 6.3 обозначеныиндексом "2") – система отопления. Сопротивление указанных системзначительно превышает сопротивление соответствующих регулирующихклапанов, следовательно, а → 0. При таких схемах потери давленияΔР на регулируемом участке принимают равными потерям давления в системе,т. е. давлению, развиваемому насосом.Для того, чтобы а → 1, устанавливают регулятор перепада давления,ограничивающий объект регулирования с регулирующим клапаном отостальной части системы. Границы регулируемого участка в этом случае– точки отбора импульсов давления регулятором перепада давления,поскольку относительно этих точек автоматически поддерживаетсяпостоянный перепад давления. Примеры таких регулируемых участковдля первого и второго регулирующих клапанов показаны на рис. 6.3,б,в.Но, установка общего регулирующего клапана системы за перепускнойперемычкой не является лучшим проектным решением для системы отопления[5], поэтому этот клапан (второй) устанавливают до перепускнойперемычки (рис. 6.3,г).Достичь а = 1 можно только при потерях давления на регулирующемклапане ΔР vs , равных потерям давления на регулируемом участкеΔР. Тогда регулирующий клапан единолично является регулируемымучастком, а объект регулирования вынесен за пределы этого участка. Вэтом случае получают частное решение уравнения (6.7)(6.8)На практике такое решение реализуют двумя способами:• стабилизируют давление на регулирующем клапане при помощирегулятора перепада давления. Схематически это показано дляклапана 1 (рис. 6.3,г);• применяют комбинированный клапан, в корпусе которого конструктивнообъединены регулирующий клапан и регулятор перепададавления (рис. 2.13,б).Особенностью определения внешних авторитетов регулирующихклапанов – третьего и четвертого водоразборных кранов системы горячеговодоснабжения (параметры клапанов на рис. 6.3,д обозначены104

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕабвгдРис. 6.3. Определение регулируемыхучастков: а, б ñ в системе отопленияс зависимым присоединением;в, г ñ в системе отопленияс независимым присоединением;д ñ в системе горячеговодоснабжения105

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕиндексами "3" и "4") – является их расчет по отношению максимальновозможного избыточного давления в начале регулируемого участка к избыточномудавлению перед максимально открытым водоразборным краном.Это обусловлено тем, что система открыта и выход воды из регулируемогоучастка происходит при атмосферном давлении.Гидравлический расчет систем и подбор регулирующих клапановпо внешнему авторитету нагляден и прост для манипулирования потерямидавления при уравновешивании циркуляционных колец и обеспеченияэффективного регулирования. Данный способ находит широкоеприменение в компьютерных расчетах. Однако при этом не уделяютдолжного внимания взаимовлиянию клапанов на регулируемом участкеи достижению линейной зависимости между регулирующим воздействиеми изменением регулируемого параметра. В некоторой мере такоеупрощение допустимо для систем с постоянным гидравлическим режимом.В системах с переменным гидравлическим режимом авторитетырегулирующих клапанов изменяются. Происходит искажение гидравлическиххарактеристик этих клапанов. Поэтому для всех клапанов необходимоопределять эффективную рабочую область потерь давления, вкоторой отклонение параметров системы будет находиться в контролируемыхдопустимых пределах.Изменение внешних авторитетов клапанов можно проанализироватьпо графикам на рис. 6.4. Первым клапаном является терморегуляторна отопительном приборе. Потери давления на нем обозначены индексом«т». Вторым – главный ручной балансировочный клапан у насоса.Потери давления на нем обозначены индексом «v2».График на рис. 6.4,а характеризует состояние гидравлических параметровсистемы отопления в расчетных условиях. При этом отсутствуюткакие-либо дополнительные автоматические устройства обеспеченияэффективной работы клапанов, т. е. принята схема установки порис. 6.3,а. В процессе частичного закрывания терморегуляторов у отопительныхприборов кривая 3 занимает положение кривой 4 на рис. 6.4,б.Возрастающие потери давления на регулируемом участке и потери давленияна терморегуляторах ΔР т уменьшают соотношение между потерямидавления ΔР v2 на балансировочном клапане и потерями давления ΔРна регулируемом участке. Следовательно, уменьшается внешний авторитетбалансировочного клапана.Учитывая, что терморегуляторы в процессе эксплуатации системыотопления не только закрываются, но и открываются относительно расчетногоположения кривой 3, то может быть получен противоположныйрезультат – увеличение внешнего авторитета балансировочного клапана.106

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕTTTабвгРис. 6.4. Изменение потерь давления на клапанах и регулируемомучастке: а ñ при расчетных условиях; б ñ при частичном закрываниитерморегулятора; в и г ñ то же, с учетом влияния соответственноперепускного клапана и регулятора перепададавления; 1 ñ характеристика сопротивления регулируемогоучастка без учета сопротивления терморегулятора и балансировочногоклапана; 2 ñ характеристика регулируемого участкабез учета сопротивления терморегулятора; 3 ñ характеристикасопротивления регулируемого участка при расчетныхусловиях (с учетом сопротивления терморегулятора и балансировочногоклапана); 4 ñ характеристика сопротивления регулируемогоучастка при частичном закрывании терморегулятора;5 ñ характеристика нерегулируемого насоса; 6 ñ характеристикаперепускного клапана пружинного типа; 7 ñ характеристикаперепускного клапана мембранного типа107

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕТаким образом, внешний авторитет балансировочного клапана являетсянепостоянным, так как изменяется не только положение кривой 4, нои изменяется перепад давления на регулируемом участке. Максимальныйперепад давления при этом может достигать напора насоса ΔР н , минимальный– будет характеризовать систему при полностью открытыхтерморегуляторах и находиться между точками пересечения кривых 3 и2 с кривой 5. С практической точки зрения это означает, что довольносложно ручным балансировочным клапаном, находящимся в тепловомпункте, наладить систему отопления с терморегуляторами, посколькуналадка требует длительного периода времени, а гидравлический режимсистемы будет изменяться.Некоторого ограничения диапазона изменения внешнего авторитетабалансировочного клапана в соответствии с графиком на рис. 6.4,в достигаютпри установке перепускного клапана пружинного типа (рис. 6.3,в).Лучший результат получают при установке перепускного клапана мембранноготипа (регулятора перепада давления) (рис. 6.3,в), что показанона рис. 6.4,г. Но даже в этих случаях не достигается полная стабилизациявнешнего авторитета балансировочного клапана во всем диапазоне гидравлическихколебаний системы. Так, при открывании терморегуляторов,характеризуемом приближением кривой 4 к кривой 2, рабочая точкасистемы выходит за пределы прямых 6 и 7 и перемещается по кривой 5.Для избежания нестабильности характеристик рассматриваемого балансировочногоклапана его размещают в циркуляционном кольце обвязкинасоса (рис. 6.3,г) либо не устанавливают вообще. Последний случай допустимпри обязательной стабилизации гидравлических параметров теплоносителяна стояках либо приборных ветках системы отопления. Вэтом случае автоматические регуляторы сбалансируют систему отопления,компенсируя своим сопротивлением излишнее давление насоса.Регулируемый участок определяет границы распространения колебаниядавления теплоносителя, возникающего при работе клапана. Отношениеперепада давления на максимально открытом клапане к располагаемомудавлению регулируемого участка называют (внешним)авторитетом клапана.В процессе работы системы обеспечения микроклимата авторитетырегулирующих клапанов, в том числе и ручных, изменяются.Ограничения изменения диапазона внешних авторитетов регулирующихклапанов достигают установкой автоматических балансировочныхклапанов – регуляторов перепада давления либо ограничителей(регуляторов) расхода.108

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ6.1.3. Расходная характеристика двухходового клапанаЧасть перепада давления регулируемого участка теряется на регулирующемклапане. Она изменяется в процессе регулирования при перемещениизатвора клапана. В это же время изменяется и пропускнаяспособность клапана. В конечном счете, пропускная способность регулирующегоклапана зависит от перепада давления на нем, расположениязатвора клапана и соотношения потерь давления в регулирующемотверстии полностью открытого клапана к потерям давления на регулируемомучастке. Эту взаимосвязь называют пропускной характеристикойклапана.Пропускная (расходная) характеристика клапана – зависимостьмежду относительной пропускной способностью и относительным перемещениемзатвора клапана при изменении распределения давлениямежду регулирующим отверстием и регулируемым участком. В томслучае, если на регулирующем отверстии теряется все давление регулируемогоучастка, пропускную характеристику клапана называют идеальной(внутренней) расходной характеристикой. При любых другихсоотношениях – рабочей (эксплуатационной) расходной характеристикойклапана. Все эти характеристики представляют зависимость относительногомассового G/G 100 либо объемного V/V 100 расхода, %, ототносительного подъема затвора клапана h/h 100 , %.Клапаны конструируют по законам идеальных расходных характеристик,каждому виду которых соответствует определенная форма затвораклапана (за рубежом применяют термин "конус клапана"). Затворга б вРис. 6.5. Профили затвора клапана для характеристик:а - линейной; б - логарифмической; в - параболической;г - логарифмическо-линейной109

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕклапана изготавливают сплошным с внешним искривлением, что показанов верхней части рис. 6.5, либо полым с прорезями или отверстиямина поверхности, что показано внизу этого же рисунка.Идеальные расходные характеристики клапанов с различными профилямизатворов представлены на рис. 6.6. Все они пересекают ось ординатнесколько вышенулевого расхода. Этовызвано технологическимии гидравлическимипричинами, усложняющимирегулированиев области близкой кполному закрытию клапана:люфтом резьбышпинделя, перепадомдавления с разных сторонзатвора клапана,Рис. 6.6. Идеальные расходные характеристикирегулирующих клапанов:1 - линейная; 2 - логарифмическая;3 - параболическая; 4 - логарифмическо-линейная;5 - линейно-линейнаяформой поверхностизатвора клапана и т. д.Для каждой конструкцииклапана эту областьминимизируют, чтобыне допустить потери регулируемости.Профили затворовна рис. 6.5,а в идеальныхусловиях создают линейную зависимость между относительнымходом штока и относительным расходом, изображенную линией 1 нарис. 6.6. В абсолютных координатах линейная характеристика, создаваемаяплоским затвором, отличается от характеристики, создаваемой полымзатвором с прямоугольными отверстиями (окнами). Первая кручевторой. Прямоугольные отверстия полого затвора клапана, показанногона нижней части рис. 6.5,а, позволяют точнее регулировать расходтеплоносителя.Криволинейный профиль затвора либо криволинейные отверстия вповерхности полого цилиндрического затвора, изображенные на рис. 6.5,б,при идеальных условиях создают логарифмическую взаимосвязь междуотносительным ходом штока и относительным расходом. Этой взаимосвязисоответствует кривая 2 на рис. 6.6. При логарифмической характеристикеперемещение затвора клапана на одинаковую величину из любогоначального положения обеспечивает постоянство доли изменения110

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕрасхода теплоносителя относительно начального значения. Если указаннуюдолю выражают в процентах, то эту характеристику называютравнопроцентной.Промежуточной между идеальной линейной и идеальной логарифмическойхарактеристикой является идеальная параболическая характеристика(кривая 3 на рис. 6.6). Ее получают при полом цилиндрическомзатворе с криволинейной прорезью (рис. 6.5,в).Сочетание различных профилей в затворе клапана дает совмещенныерасходные характеристики, например, логарифмическо-линейную.Ей присущи черты логарифмической и линейной характеристик в зависимостиот высоты подъема затвора клапана, что отображено кривой 4на рис. 6.6. Для такой характеристики изготавливают укороченный затворс неполным логарифмическим профилем поверхности (рис. 6.5,г).Логарифмическая характеристика проявляется под влиянием криволинейнойповерхности затвора клапана, а линейная формируется его нижнейчастью, которая может быть либо плоской, либо несколько выпуклой.К комбинированным характеристикам относят также линейно-линейную– кривая 5 на рис. 6.6. Ее получают при сочетании линейныхпрофилей затворов.На рис. 6.6 показаны идеальные расходные характеристики. Онимогут быть получены только при идеальных условиях, когда все располагаемоедавление регулируемого участка теряется в регулирующем отверстииклапана. Для этого необходимо, чтобы данный клапан был нетолько единственным устройством регулируемого участка, но и чтобысопротивление корпуса клапана было нулевым. В реальных условияхэто встречается крайне редко. Некоторым приближением является водоразборныйкран системы водоснабжения, установленный сразу посленасоса, либо регулирующий клапан с автоматическим поддержаниемперепада давления на нем. Самым близким к идеальной расходной характеристикеявляется комбинированный регулирующий клапан с регуляторомперепада давления в одном корпусе.В инженерных системах зданий наибольшее распространение получиликлапаны с линейной и логарифмической (равнопроцентной) характеристикой.Шире начинают применять клапаны с совмещениемэтих характеристик. При этом нередко на одном регулируемом участкеустанавливают различные клапаны без учета их расходных характеристики возникающего несоответствия декларируемой производителемпропускной способности. Такой подход отражается на качестве регулированияи может привести к нарушению оптимального управления системой,а в некоторых случаях – к потере регулируемости. Поэтому рассмотримподробнее идеальные расходные характеристики клапанов и111

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕопределим их деформации, возникающие при изготовлении клапанов ипри их установке в тепловом пункте.Форма затвора регулирующего клапана соответствует виду идеальнойрасходной характеристики.Для автоматизируемой инженерной системы здания подбирают регулирующиеклапаны с учетом их рабочей расходной характеристики.6.1.3.1. Линейная рабочая расходная характеристикаЛинейную рабочую расходную характеристику имеют регулирующиеклапаны, представленные на рис. 6.7. В верхнем ряду показаны автоматическиерегулирующие клапаны, в нижнем – ручные. Зачастую вкачестве двухходовых клапанов применяют трехходовые клапаны с заглушеннымперпендикулярным проходом. В зависимости от типа клапанаего проход может быть перекрыт в процессе формирования корпусаклапана, либо заглушкой. Расходную характеристику таких клапановопределяют по прямому проходу (подробнее см. в п. 6.1.4). Линейнуюрабочую характеристику могут иметь также комбинированные клапаны,например, – AB-QM [5].VS2 (d у = 15)MSV-I USV-I MSV-F2 (d у = 200Ö300)Рис. 6.7. Регулирующие клапаны с линейной расходной характеристикойОтличительной особенностью клапанов больших диаметров MSV-F2(d у = 200…300) является то, что для обеспечения стабильности их работызатвор выполнен полым с прямоугольными окнами (см. нижнийрис. 6.5,а).У клапанов с линейной расходной характеристикой при идеальныхусловиях соблюдается зависимость между расходом воды и ходом штока112

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ, (6.9)где: V 100 и G 100 – максимально возможный соответственно объемный,м 3 /ч, либо массовый, кг/ч, расход воды через клапан; h 100 – полное перемещение(ход) штока клапана, мм; с – коэффициент пропорциональности.Зависимость (6.9) справедлива при полном внешнем авторитетеклапана а + = 1 (все располагаемое давление регулируемого участка теряетсяв регулирующем отверстии). Во всем диапазоне хода штока егоотносительное перемещение Δh/h 100 приводит к равному относительномуизменению расхода ΔV/V 100 . Однако данная пропорция нарушаетсяс уменьшением полного внешнего авторитета клапана.В реальных условиях при выборе клапана без учета авторитета формаего расходной характеристики отличается от предоставленной производителем.Так, если затвор регулирующего клапана установлен в положениеΔh/h 100 = 0,6, то изменение расхода при а + = 0,3 составляет100(0,8 – 0,6)/0,6 = 33 % (см. линии из точек на рис. 6.8). Следовательно,данный клапан вызовет перераспределение потоков в системе и небудет обеспечивать эффективной работы объекта регулирования. Егонеобходимо дополнительно настраивать при наладке системы. Однакоэтого можно избежать, выбрав клапан с учетом авторитета.Рис. 6.8. Линейная рабочая расходная характеристика клапана113

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕРасходные характеристики клапанов могут отличаться от идеальных.В таком случае регулирование происходит по деформированному линейномузакону даже при внешнем авторитете а = 1. Для лучшего пониманияданного утверждения необходимо условно разделить сопротивление клапанана две составляющие: сопротивление регулирующего отверстия подзатвором клапана и сопротивление остальной части канала для проходатеплоносителя внутри корпуса клапана. Идеальные условия наступят тогда,когда второе составляющее будет равно нулю. Гидравлическое сопротивлениекорпуса клапана можно интерпретировать соответствующимсопротивлением участка трубопровода, которое создает первоначальнуюдеформацию идеальной характеристики. Примененный подход вгидравлике называют методом эквивалентных длин. Поэтому гидравлическиехарактеристики регулирующих клапанов (кроме клапанов с нулевымсопротивлением в максимально открытом положении), предоставляемыепроизводителями, уже имеют искажение идеального закона регулирования,которое характеризуют базовым авторитетом. А внешний авторитетспособствует дальнейшей деформации расходной характеристики. Реальноеискажение расходной характеристики клапана происходит под влияниемполного внешнего авторитета а + , который учитывает совместноедействие начального искажения и искажения от внешнего авторитета:а + = а б а, (6.10)где а б – базовый авторитет клапана; а – внешний авторитет клапана.В существующей практике проектирования систем часто принимаютпервоначальную (базовую) расходную характеристику клапана,предоставляемую производителем, как начальную точку отсчета длядальнейшего определения ее деформации под действием внешнего авторитета.Однако базовое искажение этой характеристики уже само посебе отличается от идеальной расходной характеристики и различно укаждого клапана, что усложняет обобщение (определение рекомендуемогодиапазона внешнего авторитета) для гидравлических расчетов.Примером могут быть разнообразные конструкции корпусов клапанов:с перпендикулярным к потоку штоком, с косым штоком, со штоком внутришарового крана... Гораздо практичнее за начало отсчета деформациирасходных характеристик клапанов принять его идеальную характеристику.Тогда все конструкции клапанов можно обобщить математически.Влияние полного внешнего авторитета на зависимость относительногорасхода от относительного хода затвора клапана с линейной характеристикойимеет вид [43]:114

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ(6.11)Уравнение (6.11) в [43] основано на понятии авторитета клапана,которое по физической сути в полной мере соответствует понятию полноговнешнего авторитета, рассматриваемому в настоящей работе. Поэтомувсе уравнения из [43] преобразованы с учетом разграничений впринятой терминологии.Приведенное выше уравнение можно применять для разных типовклапанов – автоматических и ручных. Однако необходимо учитыватьособенности их подбора и работы. Так, автоматические клапаны, применяемыев тепловых пунктах, работают во всем диапазоне хода штока.Подбирают их по расчетному расходу теплоносителя в максимально открытомположении, т. е. расчетный расход через клапан равен максимальному.Ручные клапаны подбирают по расходу теплоносителя впромежуточном положении штока и этот расход, как правило, не равенмаксимальному. Поэтому для ручных балансировочных клапанов необходимопреобразовывать формулу (6.11).Настройку регулирующего клапана с резьбовым шпинделем осуществляютпутем его вращения. Отсчет оборотов начинают из положения«закрыто». Так как резьба шпинделя равномерная, то его полныйподъем h 100 пропорционален максимальной настройке клапана n max .Этот параметр является технической характеристикой клапана и указанпроизводителем. Промежуточному положению шпинделя h соответствуетпромежуточная настройка n. Тогда, заменив в формуле (6.11) отношениеh/h 100 на n/n max , получим уравнение настройки ручного регулирующегоклапана(6.12)Из уравнения (6.12) следует, что настройка клапана зависит не толькоот расхода, но и от полного внешнего авторитета. При идеальных условиях(а + = 1) уравнение (6.12) приобретает линейную зависимость (6.9).Знание полного авторитета клапана на стадии проектирования позволятизначально выбирать клапан, позволяющий осуществлять регулировкуво всем диапазоне хода штока.Расход V 100 определяют расчетным способом. Совпадение этогорасхода с расчетным является частным случаем уравнения (6.12),115

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕкогда n = n max . Такое положение клапана не позволяет увеличивать потоктеплоносителя. При этом весьма маловероятно равенство перепададавления, создаваемого максимально открытым регулирующим клапаномпри номинальном расходе, с перепадом давления, который необходимопотерять на нем для регулирования системы. Из-за ограниченностивыбора гидравлических характеристик трубопроводов, гидравлическиххарактеристик клапанов в максимально открытом положении, разветвленностисистем и многого другого в большинстве случаев применяютбалансировочные клапаны с установленной предварительной настройкой.Тогда расход V 100 и расход V N не совпадают. Графическое пояснениеэтого показано на рис. 6.9.Регулируемый участок, рассмотренный на рис. 6.9, расположенмежду точками отбора импульса давления перепускным клапаном посхеме на рис. 6.3,б. Давление, поддерживаемое данным клапаном ΔP, являетсярасполагаемым для системы отопления. По нему увязывают регулируемыеучастки. Потери давления регулируемого участка без учетапотерь давления на балансировочном клапане обозначены ΔP – . Следовательно,потери давления на балансировочном клапане должны составлятьΔP v = ΔP – ΔP – . Так как слишком мала вероятность совпаденияэтой разности давления с создаваемой максимально открытым клапаном,клапан приходится настраивать. Тогда потери давления на клапанецелесообразно разделить на два слагаемых: потери давления ΔP vs , характеризуемыеконструктивными особенностями пути протекания теплоносителявнутри полностью открытого клапана, и потери давленияΔP n , возникающие вследствие перемещения штока с максимально открытогоположения до положения требуемой настройки. Потери ΔP vs ,бар, определяют по максимальной пропускной способности клапана k vs ,(м 3 /ч)/бар 0,5 , и номинальному (расчетному) расходу V N , м 3 /ч:(6.13)Расход теплоносителя V 100 , м 3 /ч, определяют по перепадам давленияΔP, ΔP vs и ΔP – , бар, на клапане (рассчитанных по номинальномурасходу V N , м 3 /ч) и максимальной пропускной способности клапана k vs ,(м 3 /ч)/бар 0,5 :(6.14)Тогда(6.15)116

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕРис. 6.9. Распределение давлений на регулируемом участке: 1 ñ характеристиканерегулируемого насоса; 2 ñ характеристика автоматическогорегулятора перепада давления (перепускногоклапана, установленного возле насоса); 3 ñ характеристикарегулируемого участка в расчетных условиях; 4 ñ характеристикарегулируемого участка при полностью открытом балансировочномклапане; 5 ñ характеристика регулируемогоучастка без учета сопротивления балансировочного клапанаПодставляя а + по уравнению (6.10) и (V 100 /V N ) 2 по уравнению (6.15)в уравнение (6.12), получают уравнение настройки ручного регулирующегоклапана с линейной рабочей расходной характеристикой в виде:(6.16)Для автоматического регулирующего клапана уравнение (6.16)имеет аналогичный вид, с той лишь разницей, что вместо настройки nнеобходимо подставить текущее положение штока – h, а вместо максимальнойнастройки п max – максимальный ход штока h max . Кроме того,чтобы данное уравнение носило общий характер, а не частный, в нем необходимопривести уравнение (6.7) внешнего авторитета к виду:a = ΔP vs / (ΔP vs + ΔP – ). (6.17)В данном уравнении, в отличие от уравнения (6.7), все перепадыдавления определяют по номинальному (расчетному) расходу теплоносителяV N , а не по максимальному V 100 . Такой подход отличается от117

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕранее применяемой теории. Он носит общий характер и является практичнее,поскольку в данном случае номинальный расход – это расчетныйрасход, который известен при проектировании системы, в отличиеот максимального расхода, который зачастую неизвестен. Равенствоэтих расходов рассматривают, как частный случай.Пример 6.1. Систему отопления зданияприсоединяют по зависимой схеме к системетеплоснабжения. Расчетный перепадтемпературы теплоносителя в теплосетиΔt = 130 – 70 = 60 °С. Тепловая мощностьсистемы отопления Q = 42 кВт. Перепаддавления перед узлом смешивания (послевычитания от располагаемого давления навводе в здание потерь давления в элементахузла ввода, установленных до узла смешивания на подающей и обратноймагистралях, тепломере, грязевике...) составляет ΔP = 1,0 бар.Необходимо подобрать двухходовой автоматический регулирующийклапан теплового потока (первый клапан на схеме) и определить перепаддавления, автоматически поддерживаемый регулятором перепададавления.Решение. Потери давления на клапане регулятора теплового потокаΔP v1 определяют по консолидированному распределению потерь давления– на нем и на автоматическом регуляторе перепада давления, т. е.между двумя клапанами. ТогдаΔP v1 =ΔP/2 = 1,0/2 = 0,5 бар.Определяют пропускную способность клапана (плотность теплоносителяпринимают ρ = 1000 кг/м 3 ) по уравнению из табл. 6.1(м 3 /ч)/бар 0,5 .По каталогу [62] выбирают регулирующий клапан с линейной характеристикой,т. к. должна быть обеспечена линейная зависимость междуходом штока клапана и температурой смеси теплоносителя. Этоклапан VS2 d у = 15 мм c ближайшей большей максимальной пропускнойспособностью k vs = 1,0 (м 3 /ч)/бар 0,5 . Допускается применение клапана сближайшей меньшей пропускной способностью, если это не ухудшаетрегулирование. В любом случае следует проверить клапан на обеспеченностьбескавитационной и бесшумной работы (см. п. 6.1.6).Уточняют потери давления на полностью открытом регулирующем118

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕклапане с учетом выбранной пропускной способности по уравнению (6.13):бар.Определяют автоматически поддерживаемый перепад давления регуляторомперепада давления в узле смешивания. При этом, для упрощениярасчетов, пренебрегают потерями давления в трубопроводах регулируемогоучастка и местных сопротивлениях, считая их ничтожно малыми.Полагая, что на регулируемом участке расположен лишь регулирующийклапан регулятора теплового потока (его внешний авторитет в этомслучае примерно равен единице), автоматически поддерживаемый перепаддолжен быть равным потерям давления на регулирующем клапане,т. е. ΔP 1 = 0,36 бар. Подбирать регулятор перепада давления следуетпо расчетному расходу V N и уточненным потерям давленияΔP – ΔP vs1 = 1,0 – 0,36 = 0,64 бар.Пример 6.1 составлен по традиционной методике подбора клапанов.Такой подбор приемлем лишь в том случае, если рабочая расходная характеристикаклапана близка к идеальной и на регулирующем клапанетеряется почти все располагаемое давление регулируемого участка. Тогдабазовый, внешний и полный внешний авторитеты клапана стремятсяк единице (а б ≈ а ≈ а + → 1). Регулирование в этом случае осуществляетсяпо линейной зависимости. Если же производитель сделал клапан сискаженной характеристикой, т. е. а б < 1, то а + ≈ а б < 1, и результирующеерегулирование будет происходить по искаженной характеристике.В обоих случаях регулирование клапаном будет близко к расходной характеристикеклапана, предоставленной производителем. Более точноопределить эту характеристику можно, если учесть влияние сопротивлениятруб и местных сопротивлений на уменьшение внешнего авторитета,чем пренебрегли в расчете.Особое внимание следует обратить на то, что представленный подходв примере 6.1 по распределению потерь давления ΔP между регуляторомперепада давления и регулятором теплового потока обеспечиваетограничение максимального потока теплоносителя, равного V N . Притаком сочетании клапанов регулятор перепада давления выполняет дополнительнуюфункцию, которая присуща регулятору расхода. Настройкунеобходимого значения расхода теплоносителя определяют приполностью открытом регуляторе теплового потока и обеспечивают автоматическиподдерживаемым перепадом давления. Безусловно, настройкарегулятора перепада давления затем должна быть опломбирована. При119

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕиспользовании такого подхода в проектировании абонентского вводадопускается не устанавливать ограничивающее устройство (лимитнаядиафрагма) [80].Пример 6.2. К системе теплоснабженияприсоединяют двухтрубную системуотопления здания с терморегуляторами уотопительных приборов по зависимой схеме.Подбор автоматически нерегулируемогонасоса предполагается осуществитьпосле выбора общего ручного балансировочногоклапана всей системы отопления(второй клапан на схеме). Регуляторы перепададавления на стояках (либо поквартирныхприборных ветках) системы отопления не предусмотрены. Номинальныйрасход теплоносителя в системе отопления V N = 1,8 м 3 /ч. Потеридавления в системе отопления ΔP 2 = 0,25 бар. Диаметр подающеготрубопровода d у = 32 мм.Необходимо подобрать общий двухходовой ручной балансировочныйклапан (второй клапан на схеме) для последующей наладки системы отопления(выведение насоса в рабочую точку) и определить исходные данныедля подбора перепускного клапана, устанавливаемого на перепускнойперемычке. Настройку общего балансировочного клапана (потеридавления ΔP vs2 ) предполагается определить при наладке системы отопления.Решение. Поскольку в системе отопления запроектированы терморегуляторы,которые предназначены для обеспечения линейного регулированиятепловым потоком отопительных приборов, то задача общегоручного балансировочного клапана состоит лишь в создании дополнительногопеременного сопротивления для выведения насоса в рабочуюточку. Тогда подбор клапана осуществляют по диаметру трубопровода.По каталогу [63] выбирают балансировочный клапан с линейной характеристикой.Это клапан МSV-I (либо USV-I) d y = 32 мм и максимальнойпропускной способностью k vs = 6,3 (м 3 /ч)/бар 0,5 .Настройку балансировочного клапана определяют при наладке системыотопления путем непосредственных замеров потерь давления на нем.Автоматически поддерживаемый перепад давления в системе отопления(в точках присоединения перепускной перемычки за насосом) принимаютна 10 % выше от потерь давления в системе отопления, еслиэтот перепад давления не превышает предельного значения по условию120

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕбесшумной работы терморегуляторов. ТогдаΔP 2 = 1,1×0,25 = 0,28 бар.Проверяют полученный перепад на обеспечение бесшумной работытерморегуляторов по характеристике ΔP = f(V) [64] (см. п. 6.11.2).На этот перепад давления следует настроить перепускной клапан.По этому же перепаду давления и расчетному расходу системыV N определяют пропускную способность перепускного клапана и подбираютего по каталогу.Особо следует обратить внимание на то, что иногда в практике проектированиятепловых пунктов подбирают перепускной клапан на 70 %от V N , мотивируя тем, что терморегуляторы никогда не могут быть одновременнозакрытыми. Теоретическое либо практическое обоснованиетакого подхода автору не известно. Можно с уверенностью утверждатьлишь то, что с увеличением количества терморегуляторов в системе отоплениявероятность их одновременного закрывания снижается. Этомуспособствует также работа регулятора теплового потока по погоднымусловиям.В примере 6.2 балансировочный клапан подобран по диаметру трубопровода,что часто реализуют на практике. В примере 6.1 приведендругой традиционный подбор клапана: по его пропускной способности.Оба метода не учитывают взаимовлияние клапана с системой. Во многихслучаях это приводит к потере регулируемости клапаном, т. е. кдвухпозиционному регулированию, когда при незначительном его открываниидостигают максимального потока теплоносителя и дальнейшееоткрывание не дает никакого результата. Предотвратить такую работуклапана можно при подборе клапана по предлагаемому в примере 6.3методу.Пример 6.3. К системе теплоснабженияприсоединяют двухтрубную системуотопления здания с терморегуляторами уотопительных приборов по зависимой схеме.Регуляторы перепада давления на стояках(либо поквартирных приборных ветках)системы отопления не предусмотрены.Номинальный расход теплоносителя в системеотопления V N = 1,8 м 3 /ч. Потери давленияв системе отопления ΔP – = 0,25 бар(между точками присоединения перепускной перемычки за насосом) без121

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕучета основного балансировочного клапана 2. Диаметр подающего трубопроводаd у = 32 мм. Перепад давления между рабочей точкой насоса смаксимальным к.п.д. и потерями давления в системе с учетом потерьдавления в части циркуляционного кольца, расположенной до перепускнойперемычки со стороны насоса, составляет ΔP = 0,75 бар.Необходимо обеспечить работу насоса с максимальным к.п.д.Работу насоса с максимальным к.п.д. при отсутствии регуляторовперепада давления на стояках или приборных ветках системы отопленияобеспечивают общим двухходовым ручным балансировочным клапаном(второй клапан на схеме) с настройкой на потерю давления ΔP v2 = ΔP == 0,75 бар.Решение. По каталогу [63] выбирают балансировочный клапан с линейнойхарактеристикой. Это клапан МSV-I (либо USV-I) d у = 32 мм имаксимальной пропускной способностью k vs = 6,3 (м 3 /ч)/бар 0,5 . Зависимостьпропускной способности клапана от настройки представлена втаблице.Положение настройки n 0,2 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,2Пропускная способность клапана0,7 1,7 3,1 4,3 5,2 5,7 6,1 6,3k v , (м 3 /ч)/бар 0,5По традиционному методу определения настройки балансировочногоклапана находят расчетную пропускную способность клапана(уравнение из табл. 6.1):(м 3 /ч)/бар 0,5 .Интерполированием значений вышеприведенной таблицы определяютнастройку клапана – 0,62. Настройку принимают с округлением доуказанной на шкале дольной кратности. У данного типа клапана шкаланастройки размечена через десятые доли, следовательно, принимаютнастройку n = 0,6.По предлагаемому методу определения настройки клапана вначалеопределяют базовый авторитет клапана из преобразованного уравнениянастройки (6.12), записанного в виде:В данном расчете следует принимать внешний авторитет а = 1, исходяиз условий гидравлического испытания клапана. Тогда, подставляя122

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕмаксимальные значения параметров из последней колонки, а промежуточные– из любой другой колонки таблицы, находят базовый авторитетклапанаБóльшую точность данного параметра определяют усреднениемзначений, полученных при каждой настройке.Минимальные потери давления на клапане при номинальном расходеПо уравнению (6.17) рассчитываютвнешний авторитет клапана:бар.a = ΔP vs / (ΔP vs2 + ΔP – ) == 0,08 / (0,08 + 0,25) = 0,24.a + =0,077Полный внешний авторитетклапанаa + =1,0а + = а б ×а = 0,32×0,24 = 0,077.Подставляя известные параметрыв уравнение (6.16), находят настройкуклапанаНастройку принимают с округлением до указанной на шкале дольнойкратности. У данного типа клапана шкала настройки размечена черездесятые доли, следовательно, устанавливают настройку n = 0,6.Из примера 6.3 следует, что по традиционному и предлагаемому методамнастройка клапана совпадает, т. е. равна 0,6. В то же время, предлагаемыйметод отображает гидравлическое взаимодействие клапана ссистемой при манипулировании им. Так, полный внешний авторитетуказывает на регулировочную характеристику клапана, по которой осуществляетсярегулирование реальной системы. При а + = 0,077, расходнаяхарактеристика расположена между значениями 0,05 и 1,0, т. е.является очень крутой. Регулирование клапаном близко к двухпозиционному:при его закрывании на 50 % снижается расход теплоносителя123

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕлишь на 10 %. Следовательно, уменьшается задействованная зона шкалынастройки клапана на 50 %, или до 0,5×3,2 = 1,6 оборота рукоятки (маховика)клапана (3,2 – максимальная настройка клапана), и соответственноувеличивается зависимость между регулируемым расходом теплоносителяи положением штока. Чем меньше значение полного внешнегоавторитета клапана, тем хуже его регулировочные характеристики итем меньше значения его настройки.Пример 6.4. В системе отопления установленобщий двухходовой ручной балансировочныйклапан (второй клапан на схеме)MSV-I (либо USV-I) d у = 32 мм с линейнойрасходной рабочей характеристикой.Максимальное значение его настройкиn max = 3,2. Максимальная пропускная способностьклапана k vs = 6,3 (м 3 /ч)/бар 0,5 .Базовый авторитет клапана а б = 0,32 (см.пример 6.3). Перепад давления на насосе при максимально открытом клапанеΔP = 1,0 бар. Перепускной клапан при наладке системы полностьюзакрыт.Необходимо обеспечить расчетный расход теплоносителя при наладкесистемы отопления, равный V N = 1,8 м 3 /ч.Решение. Рассчитывают потери давления на полностью открытомклапане при номинальном расходебар.Далее подставляют известные параметры в преобразованное уравнениенастройки (6.16)В уравнении два неизвестных параметра. Следовательно, можетбыть несколько решений. Они указанны в таблице при различных настройкахклапана.Обеспечения номинального расхода достигают подбором настройкибалансировочного клапана. Для этого измеряют перепад давления теплоносителяна его штуцерах.124

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕn 0,5 0,6 0,7 1,0 1,5 2,0 2,5 3,2ΔР v2 , бар 1,131 0,802 0,604 0,324 0,176 0,123 0,099 0,082Если в процессе расчетов получают отрицательные значения перепададавления для каких-либо настроек, это означает, что ими не можетбыть достигнут номинальный расход. Кроме того, в расчет включаюттолько те настройки, при которых потери давления на клапане меньшеот развиваемого напора насосом (в таблице выделены серым цветом).Изменение настройки n балансировочного клапана влечет соответствующееизменение потерь давления ΔР v2 . Поэтому окончательное положениенастройки определяют последовательным приближением к истинномузначению. В процессе вращения настроечной рукоятки (маховика)балансировочного клапана сравнивают измеряемые и расчетныепотери давления на балансировочном клапане ΔР v2 . Процесс настройкизаканчивают при погрешности менее 15 %. Хорошим результатом являетсядиапазон погрешности от –5 % до +10 %. Значительно упрощаетпроцесс настройки клапана многофункциональный прибор PFM 3000, вкотором автоматически пересчитывается перепад давления на клапанев расход теплоносителя при заданной настройке.После определения настройки балансировочного клапана и потерьдавления на нем выставляют перепускной клапан на автоматическиподдерживаемый перепад давления по рекомендациям в примере 6.2.В примерах 6.2...6.4 рассмотрен вариант установки перепускного клапанана перемычке между подающей и обратной магистралями системы отопления.Аналогичный подход применим и к варианту установки перепускногоклапана на перемычке между входом и выходом насоса (рис. 6.3,в).Следует отметить, что размещение общего балансировочного клапаназа перепускной перемычкой является нежелательным проектнымрешением с точки зрения обеспечения регулируемости системы. В этомслучае на величину сопротивления общего балансировочного клапанавозрастает перепад давления теплоносителя, который необходимо поддерживатьна перемычке. При этом уменьшаются внешние авторитетытерморегуляторов системы отопления, ухудшая линейность регулированиятепловым потоком отопительных приборов. Кроме того, балансировочныйклапан отбирает от терморегуляторов на себя часть располагаемогодавления разветвленных регулирующих участков, что такжеухудшает регулирование отопительных приборов [5]. Поэтому лучшимпроектным решением является размещение общего балансировочногоклапана до перемычки (рис. 6.2,г).125

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕВ однотрубных системах без терморегуляторов и без перепускнойперемычки общий балансировочный клапан также вносит свою лепту вухудшение регулируемости системы. В стояках системы отоплениядолжно теряться не менее 70 % располагаемого давления без учета потерьдавления в общих участках. Это традиционное требование отечественногонорматива [65] по физической сути является не чем иным, какобеспечением того же внешнего авторитета только примененным не кклапану, а к стояку. Это условие было сформулировано для избежанияразрегулирования системы при изменении гравитационного давления.Для обеспечения данного требования необходимо уменьшить сопротивлениеобщих участков и общего регулирующего клапана в том числе.Поэтому для систем с постоянным гидравлическим режимом желательноприменять общий регулирующий клапан с малым гидравлическимсопротивлением и, кроме того, с логарифмической расходной характеристикой.Рабочую расходную характеристику клапана определяют его общимвнешним авторитетом. Общий внешний авторитет учитывает искажениеидеальной расходной характеристики клапана под воздействиемсопротивления корпуса клапана (определяют базовым авторитетомклапана) и сопротивления остальных элементов регулируемогоучастка (определяют внешним авторитетом клапана).Линейная рабочая расходная характеристика клапана не претерпеваетсущественного искажения от внешнего авторитета, если егозначение находится в диапазоне 0,5...1,0.С уменьшением внешнего авторитета ниже 0,5 линейная рабочаярасходная характеристика клапана значительно искажается, чтоследует учитывать при обеспечении регулируемости системы и возможностиее наладки.В тепловом пункте для регулирования процесса образования смеситеплоносителя, подаваемого в систему отопления, наилучшим образомподходят клапаны с линейной рабочей расходной характеристикой.126

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПУНКТЫ. АВТОМАТИКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ6.1.3.2. Равнопроцентная рабочая расходная характеристикаКлапаны, показанные на рис. 6.10, имеют равнопроцентную (логарифмическую)расходную характеристику. Клапаны серии VF 2 и VRB 2выполнены двухходовыми. Третий проход у них заглушен. Все клапаны,за исключением MSV-C, являются седельными и предназначены для совместнойработы с электроприводами.VF2 VFS 2 VRB 2 MSV-CРис. 6.10. Регулирующие клапаны с логарифмическойрасходной характеристикойКлапан серии MSV-C представляет новое поколение ручных балансировочныхклапанов. Он создает уменьшенное гидравлическое сопротивлениеза счет наклонно расположенного штока. Следовательно, отбираетменьшую часть располагаемого давления регулируемого участка,увеличивая внешние авторитеты автоматических регулирующихклапанов и улучшаятем самым их работу.Клапан изготавливаютсо встроенной расходомернойдиафрагмойлибо без нее. Клапанс расходомернойдиафрагмой значительноупрощает наладкуРис. 6.11. Равнопроцентная рабочая расходнаяхарактеристика клапана при c = 3системы, посколькурасход теплоносителячерез него определяютне по изменяющейсяпропускной способностипри каждой настройке,а по стабильнойпропускной способностидиафрагмы.127