О технологии ThermX2

4 марта 2015 г. 14:02

Теплопередача и гидравлическая балансировка в системах отопления

Профессор и доктор технических наук Райнер Хиршберг, дипломированный инженер Ханс-Юрген Хайгль* 

Отсутствие гидравлической балансировки и недостаточные температуры на поверхности в связи с низкими температурами систем отопления постоянно становятся причинами дефектов распределения и передачи тепла при осуществлении отопления. Легко реализуемая на практике гидравлическая балансировка, а также увеличение доли излучения при работе плоских радиаторов отопления на неполную мощность могут исправить ситуацию и повысить эффективность передачи и распределения тепла. Поэтому в настоящем докладе будет представлен приближенный метод, при котором с помощью предварительно настроенных в заводских условиях термостатических клапанов может осуществляться гидравлическая регулировка систем отопления с размером отапливаемой площади 1000 м². Дополнительная экономия энергии, кроме того, достигается в результате конструктивного увеличения доли теплоты излучения плоских радиаторов отопления. 

Основой  всех  методов  оценки энергоэффективности систем отопления, как правило, является ориентированный на  потребление подход, который в качестве существенного критерия учитывает создание термического комфорта помещений как отправную величину. Одним из этих критериев комфорта является «оперативная» или «воспринимаемая» температура помещения.
Она складывается из температуры излучения ограждающих поверхностей, в том числе поверхностей  отопления,  а также температуры воздуха.
Улучшенная тепловая защита нынешних зданий приводит в совокупности к снижению отопительных нагрузок. Так как при расчете внутренние источники тепла во внимание не принимаются, в  ходе  эксплуатации это дополнительно приводит к тому, что используемые сегодня радиаторы отопления в основном работают на неполную мощность  –  с соответственно более низкими температурами поверхностей и долями излучения. При этом критерии комфорта в соответствии с DIN  EN ISO 7730** (Описание условий теплового комфорта) с трудом поддаются соблюдению. Конструктивное улучшение доли излучения поверхностей отопления и, следовательно, теплового  комфорта  при  работе на неполную мощность может быть конструктивно достигнуто за счет схемы последовательного включения  панелей отопления.

*) Профессор и доктор техни-ческих наук Райнер Хиршберг, институт в Ахене; дипломи-рованный инженер Ханс-Юрген Хайгль, продукт-менеджмент отопительной техники компа-нии «Керми ГмбХ»
**) Стандарт DIN EN ISO 7730 имеет международное проис-хождение и описывает метод прогнозирования тепловых ощущений человека в условиях умеренного климата помеще-ния. Стандарт устанавливает краевые условия климата помещений, которые должны приводить к достижению у пользователя ощущения те-плового комфорта. 

Оптимизация теплопередачи за счет последовательной схемы
Поверхности отопления в настоящее время на протяжении более чем 90 % времени работы отопления функционируют на неполную мощность с малыми объемными потоками. В связи с сокращением расхода теплоносителя температура на поверхности радиаторов отопления даже при работе отопления в непрерывном режиме падает до значений ниже 40 °С, в результате чего доля излучения поверхности отопления оказывается очень низкой. Вследствие возникающего дефицита теплоты излучения у пользователя зачастую складывается впечатление, что отопление не работает. В этом случае тепловой комфорт является недостаточным.

Конструкция распространенных на рынке плоских радиаторов отопления в многослойном исполнении такова, что теплоноситель протекает через них параллельно. При этом объемный поток распределяется равномерно между передней и задней панелями.
Производитель «Керми» в случае с многослойными плоскими радиаторами отопления типа «Therm-X2» идет другим путем. На этих моделях передняя панель включается последовательно с расположенной  позади нее панелью, и теплоноситель, таким образом, сначала протекает через переднюю панель. Эта мера улучшает динамические характеристики радиатора отопления, благодаря чему продолжительность фазы разогрева в среднем сокращается.

Исследования и расчеты моделей показали, что по сравнению с плоскими радиаторами отопления с  параллельным протеканием теплоносителя достигается сокращение фазы нагрева приблизительно на 25 % [рис.1].

Рисунок 1: Фазы разогрева в сравнении: слева – характеристики стандартного плоского радиатора отопления, справа – значитель- но быстрее достигнутая, более равномерная картина варианта исполнения с последовательным протеканием теплоносителя.

В результате установления более высокой температуры поверхности  достигается значительно более высокая доля излучения при теплопередаче. В расчетном случае (работа на полную мощность) увеличение доли излучения передней панели составляет до 10 %, в то время как в режиме работы на неполную мощность рост составляет до 100 %. Одновременно с этим в результате установления более низкой температуры задних панелей достигается сокращение лучистого теплообмена приблизительно того же порядка, что и у традиционных экранов защиты от излучения перед остекленными площадями.
Как показали  исследования с использованием статических и динамических моделей  расчета, за счет этой
последовательной схемы можно добиться общего сокращения расхода энергии величиной от 6 до 10 % [рис.1] [рис.2].

Рисунок 2: В нормальном режиме сначала нагревается вся перед- няя панель плоского радиатора отопления с последовательным протеканием теплоносителя. Задняя, холодная панель отопления на данном этапе обеспечивает дополнительное экранирование от наружной стены.

Упрощенная гидравлическая балансировка

Вторая проблема заключается в передаче тепла помещению в зависимости от его потребности в таковом, что имеет предпосылкой предоставление необходимого объемного потока и необходимой температуры теплоносителя. Поэтому гидравлическая балансировка трубопроводной отопительной сети является обязательным условием надлежащего функционирования системы отопления. На практике же этот аспект попрежнему весьма недостаточно принимается во внимание.
По этой причине несбалансированные трубопроводные отопительные сети представляют собой также и самую распространенную причину рекламационных заявлений. Во многих случаях на практике балансировка не предпринимается, поскольку для определения дифференцированных значений предварительной настройки термостатических клапанов требуется детальный расчет трубопроводной сети, а также осуществление согласованной с ним индивидуальной настройки на местах. Эта ситуация может быть исправлена с помощью предварительно настроенных в заводских условиях термостатических клапанов. При этом настройка термостатических клапанов для гидравлической балансировки в основном зависит от топографической конструкции трубопроводной сети. Трубопроводные сети с большой горизонтальной протяженностью имеют гораздо большее влияние на необходимое значение kv на термостатическом клапане и обеспечиваемую степень воздействующей способности клапана по сравнению с трубопроводными сетями со звездообразным распределением.
В трубопроводных сетях с большой горизонтальной протяженностью доля переменного перепада давления меняется в результате сопротивления в трубах и фитингах. Поэтому такие сети представляют собой самый неблагоприятный для рассмотрения вариант. Если же ограничить отапливаемую полезную площадь до разумного значения около 1000 м², то длина труб и, следовательно, их доля в переменном перепаде давления варьируется незначительно. 

В одном из исследований были варьированы ключевые параметры влияния для отапливаемых площадей от 100 до 1000 м² и рассчитаны необходимые значения kv для радиаторов отопления, находящихся как вблизи насоса, так и вдали от него. Кроме того, в эти расчеты были включены различные конструкции генераторов тепла с их соответствующи-ми значениями гидравлического сопротивления, а также различные расчетные температуры. 
В результате удалось указать широкий диапазон размеров радиаторов отопления в сопряжении с предварительно настроенными термостатическими клапанами, настройка которых имеет допустимое отклонение от рассчитанных дифференцированным путем значений настройки.