автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Работа системы отопления и тепловой режим здания при отключении теплоснабжения

005532982

На правах рукописи

Петров Дмитрий Юрьевич

Работа системы отопления и тепловой режим здания при отключении

теплоснабжения

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г СЕН 2013

Москва-2013 г.

005532982

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный

сотрудник Малявина Елена Георгиевна

Официальные оппоненты: Кочев Алексей Геннадьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой теплогазоснабжения

Сасин Виталий Иванович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ОАО "НИИсантехники", заведующий отделом отопительных приборов и систем отопления

Ведущая организация: ОАО «ЦНИИПромзданий»

Защита состоится «¿¿{»0/СТя£к>!1201 Зг. в /Ь " часов на заседании диссертационного совета Д 212Л38Л0, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд.ч '/-£?. 027Б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан Я&гусТ<-1 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Гогина Елена Сергеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время в Российской Федерации основным способом обеспечения потребителя тепловой энергией является централизованное теплоснабжение (около 72 % от всей генерируемой тепловой энергии страны). Современная система централизованного теплоснабжения в нашей стране обладает относительно невысокой степенью надежности, а как следствие характеризуется высокой частотой аварийных отключений абонентов.

Нарушение теплоснабжения здания во время отопительного периода ведет к снижению температуры теплоносителя во внутридомовой системе отопления, а соответственно и к возникновению опасности замерзания воды в системе. Действующие рекомендации для эксплуатирующих организаций устанавливают время допустимого присутствия теплоносителя в системе отопления после прекращения теплоснабжения - 2-нб часов в зависимости от температуры наружного воздуха. Указанные отрезки времени представляются существенным образом заниженными, т.к. они не учитывают высокий уровень теплозащиты зданий современного строительства, а также не отражают различий в тепловой инерции и аккумулирующей способности зданий с различными архитектурно-строительными и теплотехническими характеристиками. Кроме того, не учитывается независимый способ присоединение системы отопления к тепловой сети, наиболее характерный для нового строительства.

Преждевременный слив воды из системы отопления влечет за собой неоправданные потери химически очищенной воды, сокращает срок службы системы и увеличивает время восстановления расчетного теплового режима здания. Для исключения приведенных негативных последствий необходимо более точно определить момент достижения критического уровня температуры внутреннего воздуха в помещениях здания, до наступления которого слив воды производить нецелесообразно.

Этим определяется актуальность темы настоящей работы.

Отдельный интерес с точки зрения конструирования и эксплуатации системы отопления, представляет вопрос потокораспределения при отключении теплоснабжения, и в частности работа современной терморегулирующей и автоматической балансировочной арматуры, обязательность применения которой закреплена в последней актуализированной редакции СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».

Цель работы - получение значений допустимой продолжительности работы системы отопления после отключения теплоснабжения по результатам многовариантных расчетов на программе для ЭВМ, реализующей разработанную математическую модель совместной работы системы отопления и теплового режима помещений здания при отключении теплоснабжения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать модель тепло-гидравлического режима работы современной системы отопления, позволяющую изменять в широких пределах ее тепловые и гидравлические характеристики, в том числе и динамически во времени;

- разработать, адаптированную к расчету гидравлического и теплового режимов системы отопления, модель изменяющегося во времени теплового режима помещений здания;

- реализовать связь между вышеуказанными моделями на одном временном шаге для моделирования взаимного влияния этих двух зависимых систем;

- разработать программу для ЭВМ на основании полученной совмещенной модели работы системы отопления и теплового режима здания;

- осуществить проверку корректности работы программы-модели на основании проведенных натурных исследований, а также на основании экспериментальных данных, приведенных в технической литературе;

- выполнить многовариантные расчеты и проанализировать их результаты, провести оценку значимости различных факторов влияющих на работу системы отопления и на тепловой режим помещений в условиях изменяющейся температуры теплоносителя;

- разработать методику упрощенного расчета допустимого времени работы системы отопления после отключения теплоснабжения, а также рекомендации по ее использованию.

Объект исследования - двухтрубная вертикальная система отопления и

отапливаемые этой системой помещения здания.

Предмет исследования - изменяющиеся во времени тепловой и гидравлический режимы системы отопления и тепловой режим помещений здания.

Теоретико-методологическая основа исследования варьируется в зависимости от решаемой задачи:

- для определения фактических значений расходов и потерь давления во всех элементах системы отопления применяется решение системы матричных уравнений, составленных на основании теории графов и решаемых на основании модифицированного гибридного алгоритма Пауэлла;

- для определения фактического значения теплоотдачи системы отопления в заданный момент времени применяется решение системы уравнений, основанных на уравнении переходных тепловых процессов в системе отопления с использованием теории подобия для нахождения коэффициентов теплообмена;

- для определения температуры воздуха в заданный момент времени используется расчет дискретно изменяющегося во времени теплового режима помещения в конечных разностях с построением неявной разностной схемы методом теплового баланса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получена система формул для расчета характеристик гидравлического сопротивления всех возможных видов местных сопротивлений, в том числе современной регулирующей арматуры - автоматических балансировочных клапанов и терморегулирующих клапанов с предварительной настройкой;

- на основании проведенного теоретического обобщения формул для расчета коэффициентов теплопередачи отопительных приборов и труб, коэффициентов теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях теплопроводов, а также уравнения теплового баланса участков системы отопления, была

предложена математическая модель изменяющегося во времени теплового режима работы системы отопления, учитывающая, в том числе, тепловую инерцию элементов системы отопления, величины фактических расходов теплоносителя в системе, а также различную температуру теплоносителя, сливающегося в тройниках и крестовинах в один и тот же момент времени;

- получен алгоритм расчета совместной работы дискретно изменяющегося с малым шагом по времени теплового и гидравлического режимов работы системы отопления и теплового режима помещений здания для получения наиболее достоверных сведений о распределении температуры теплоносителя в системе, а также возможных изменениях в действии автоматической регулирующей арматуры.

Практическая значимость работы заключается в:

- создании методики и программы на ЭВМ для расчета допустимой продолжительности работы системы отопления после отключения теплоснабжения здания;

- разработке метода упрощенного получения рекомендательных сведений для эксплуатирующих организаций по допустимой продолжительности работы системы отопления после отключения теплоснабжения;

- создании методики расчета гидравлического разрегулирования в двухтрубной системе отопления, оснащенной терморегулирующей и автоматической балансировочной арматурой при работе термостатических головок;

- проведенной комплексной оценке основных влияющих факторов на время остывания помещений здания при отключении теплоснабжения.

Апробация и публикация результатов работы.

По содержанию диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 работы, опубликованы в изданиях Перечня ВАК РФ.

По теме диссертации были сделаны доклады в рамках: второй и третьей международных научно-технических конференций «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (МГСУ) 2007 и 2009 гг.; Молодежного научно-инновационного конкурса «УМНИК-2009» (МГСУ) 2009 г.; IV Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики» (НИИСФ РА-АСН) 2012 г.

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель совместной работы системы отопления и теплового режима помещений здания с дискретным изменением во времени их тепловых и гидравлических характеристик;

- результаты аналитических и натурных исследований функционирования системы отопления и теплового режима помещений жилого здания в период нарушения теплоснабжения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (117 наименований, в том числе 13 зарубежных источников) и приложений. Общий объем диссертационной работы: 167 страниц машинописного текста, в том числе 18 таблиц, 43 рисунка, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности работы, формулируются ее цель и задачи, определяются научная новизна, а также практическая и теоретическая значимость работы.

В первой главе дана оценка состояния теплосетей в РФ, рассмотрены действующие требования по опорожнению систем отопления, а также проведен анализ научных работ по переменному режиму работы системы отопления и тепловому режиму здания.

Были проанализированы труды основоположников теории теплоустойчивости В.Д. Мачинского, Г.А. Селиверстова, O.E. Власова, С.И. Муромова, К.Ф. Фокина, J1.A. Семенова, Е.Я. Соколова, A.M. Шкловера, В.Н. Богословского, а также более поздние работы В.Э. Сварича, Ж.Д. Батпенова, A.A. Кылатчановой.

Проанализированы работы, посвященные переменному режиму работы водяных систем отопления, авторов П.Н. Каменева, В.К. Дюскина, С.А. Чисто-вича, В.П. Туркина, В.Е. Константиновой, М.М. Грудзинского, В.И. Ливчака, М.Н. Стрельчук, а также ранее упомянутых В.Э. Сварича и Ж.Д. Батпенова.

На основании проведенного анализа сделан вывод о том, что в настоящее время нет методики совместного расчета гидравлического и теплового режимов работы системы отопления, связанных на одном шаге по времени с тепловым режимом здания, а соответственно и нет возможности точного определения времени остывания помещений здания после отключения теплоснабжения.

Рассмотрена теоретическая база для построения такой методики и программной модели на ее основе.

Вопросам потокораспределения в гидравлических сетях посвящены работы А.П. Меренкова, Э.Я. Гинцбурга, С.Г. Валюхова, Б.М. Кагановича и др.

Работа регулирующей арматуры рассматривается в трудах Г.И. Нудлера, Г.Б. Когана, Э.Э. Дзелтиса, В.В. Пыркова, Р. Петитджена, Яушоветца, Г. Рооса и др.

Теории теплопередачи, необходимой для построения эффективного алгоритма расчета изменяющегося во времени теплопоступления от системы отопления, посвящены работы О.Н. Брюханова, В.П. Исаченко, М.А. Михеева, Э.Х. Одельского и др.

Инструментом изучения теплового режима помещений здания принята программа для ЭВМ, основанная на методе конечных разностей с построением неявной разностной схемы методом теплового баланса (авторы Е.Г. Малявина, P.P. Асатов). Впервые, применительно к расчету теплового режима помещения, такой метод был применен и реализован Ю.А. Табунщиковым. Метод позволяет выполнить пошаговое изменение характеристик теплового процесса во времени при достаточной точности получения результата. Указанная программа была адаптирована к расчету гидравлического и теплового режима системы отопления.

Анализ рассмотренной литературы и существующих программных методик позволил изучить состояние вопроса и сформировать задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели функционирования современной системы отопления и теплового режима здания, которая позволяет выполнять расчет:

- развития тепловых и гидравлических процессов в системе отопления с заданным шагом по времени;

- дискретно изменяющегося во времени теплового режима помещений здания.

Расчет фактического распределения расходов теплоносителя в системе отопления базируется на теории графов и состоит в решении системы матричных уравнений, физический смысл которых базируется на 1-м и 2-м законах Кирхгофа:

(Ах = О

\ (!)

[В8Хх = ВН

Для составления матриц А (инциденций) и В (циклов), определяющих структуру системы отопления, система разбивается на участки. За отдельный участок принимается часть теплопровода с постоянным расходом теплоносителя, постоянным диаметром, одинаковым пространственным положением, содержащим не более одного регулирующего элемента, а также находящуюся в пространстве одного помещения. Отопительный прибор является отдельным участком. Узлом считается условная точка, разделяющая два участка системы. Каждому узлу присваивается собственный порядковый номер. Название участка формируется из двух номеров узлов его ограничивающих.

Матрица А составляется по принципу взаимного расположения узлов (по строкам) и участков (по столбцам) системы и состоит из цифр 0 (узел не принадлежит участку), 1 (конечный узел участка совпадает с рассматриваемым узлом) и -1 (начальный узел участка совпадает с рассматриваемым узлом). Матрица В составляется по принципу взаимного расположения участков (по столбцам) и гидравлических контуров системы (по строкам) и состоит из цифр 1 (участок принадлежит циклу), 0 (участок не принадлежит циклу).

Для системы, состоящей из р участков, g узлов и к независимых циклов, количество строк в матрице А равно (#-1), количество столбцов - р. Количество строк в матрице В равно к, столбцов - р.

Н - вектор действующих источников давления, Па. 5 - диагональная матрица характеристик сопротивления участков системы, Па/(кг/ч)2. X, х - диагональная матрица и вектор неизвестных величин фактических расходов теплоносителя в системе, кг/ч.

В матричной форме система (1) записывается следующим образом:

Г аи а,2 ■■■ % «21 «22 ••' «2р

|_а<8-1>1 "(8-1)2 "' %-Щ

Ьп Ь, 2 • ■ К] Г5' 0 • • 0" \а> 0 • • 0" р>„ Ь,2 • •• К ГЯ,1

Ъ.„ Кг ■ К X 0 • 0 V 0 С2 • • 0 - К Ьа ■■ К X Н2

К, Кг ' • V 0 0 ■ ■ V 0 0 • • СР. Л' Кг • ■ КЛ Ир.

Выполнено преобразование системы (2) из матричной формы в систему нелинейных уравнений второго порядка:

=0,

(2)

Я11С1+а1202+"-а1рСр=° а2|с,+а2202+...а2р0р=0

о, +а(„1)2°2 + ---а(г-1)рср =0

¿>„5,С,2 + А|252С2 +...Ь,ЛСр2 =Й„Я| +ЪпН2 + ..\Нр

Ь2Ж + +. ..Ь2А°1 = + Ъ22Н2 +. ..Ь2?Нр

Начальным приближением для решения этой системы уравнений является проектное распределение расходов в системе отопления, определяемое из системы уравнений (4) для каждого отопительного прибора системы.

>

70

360

м

(4)

о,=-

з,бе0

^вых.пр )

Для решения системы уравнений (3) были получены расчетные формулы характеристик сопротивления 5 всех возможных видов гидравлических сопротивлений, встречающихся в двухтрубных системах отопления.

Расчет характеристики сопротивления трубы, соответствующей потерям давления по ее длине, Па/(кг/ч)2 основан на формулах Дарси-Вейсбаха для определения потерь давления, а также формул Пуазейля и А.Д. Альтшуля для расчета коэффициента гидравлического трения, применяемых в зависимости от режима течения воды - ламинарного (5) или турбулентного (6) соответственно:

о =4(ЛГ + 4(*о + а„Л°>^10-6 (5) ' ™<1в6ярж

бМЩко + а^п+бЯу^ПО-'

(6)

Обе формулы учитывают возрастание шероховатости труб с учетом количества лет эксплуатации и качества воды.

Расчет характеристик сопротивления, Па/(кг/ч)2, отводов, тройников, крестовин и других местных сопротивлений, заданных через коэффициент местного сопротивления С основан на формуле Дарси-Вейсбаха и включает в себя расчет коэффициентов С по выведенным из эмпирических табличных данных, аппроксимирующим формулам.

Разработана методика расчета характеристик сопротивления, Па/(кг/ч)2, терморегулирующих клапанов с предварительной настройкой справедливая для всех возможных зон пропорциональности терморегуляторов, любых предварительных настроек дросселя, для всех видов термостатических сенсоров, а также при любых положениях штока клапана от полностью закрытого до полностью открытого:

1. Шток клапана находится в номинальном положении, ((„„,, - г„) = 0:

иом

2. Шток клапана находится в промежуточном положении между номинальным и полностью закрытым, -Хр„ом < (¡п„р - /„) < 0:

X2 104

2 - -ГУ (8)

С 11 — t —У I

ном \ п п.пр р.ном)

3. Шток клапана полностью закрыт, (и„р - г„) < -Хршш: —> +оо

4. Шток клапана находится в промежуточном положении между номинальным и полностью открытым, 0 < (г„.„р - г„) < (Хрж - Хр.ном):

5 ~~.)2">4__(9)

Ш _- Х^ +1,- 1„„р) + С_(г„ - 1„„р))2

5. Шток клапана полностью открыт, (/„.„,, - г„) > (Хрлшкс - Хриои):

104

.макс

Разработана методика расчета характеристик сопротивления, Па/(кг/ч)2, автоматических балансировочных клапанов (АБК).

1. Определяется суммарная характеристика сопротивления регулируемой клапаном подсистемы (например стояка) по формулам для последовательного (11) и параллельного (12) соединения участков, Па/(кг/ч)2:

^ (» 1 т2

(П) 5,я= Х-ПТ <12>

2. Определяются потери давления в магистральных теплопроводах, располагающихся между циркуляционным насосом и связкой АБК и его клапана-спутника (КС), Па:

N

(13)

¡=1

3. Определяются расходы воды, через каждую регулируемую подсистему, кг/ч:

Ар

РП.АБК /1 ИЛ

ч '

°И7

а затем находится полный расход в системе отопления йсо, как сумма расходов теплоносителя через все регулируемые подсистемы.

4. По графику характеристики нерегулируемого насоса составляется уравнение (15), с помощью которого определяется его циркуляционное давление.

Арц = А + ВСсо + СС2со (15)

Полученная величина заносится в соответствующую строку вектора Н, в который также заносятся величины естественного циркуляционного давления для всех циркуляционных колец по числу отопительных приборов в системе.

5. Определяются потери давления в клапане-спутнике, Па:

с2 1 п5

Рж у.КС

6. Определяется пассивная составляющая потерь давления на АБК, Па, обусловленная конструкцией клапана, исключая его регулирующую функцию:

^АБК.пасс ! ,2 V1'-'

РжКп.АБК

7. Определяется активная составляющая потерь давления на АБК, Па:

ЪРлБК.а,:т = ^РлВК.пасс " ^ " 4Рл7.ЛЯГ " ¿РкС (18)

8. Определяется характеристика сопротивления АБК, Па/(кг/ч)2:

£ _ АР АБК.акт ^РАБК. пасс (19)

СРП

Теплоотдача системы отопления определяется на основании решения системы уравнений (20), составленной в зависимости от типа участка (труба или отопительный прибор):

=3,6оЛ(/„ - О - -I (2°)

г„103 ' "" >"4 2

, 1 ■ I 70 ) 1360

к.

> 1 1 , Л 1 , с/, 1 уч°" 70 Г

-+--1п——ь--У

Коэффициенты теплообмена й; и йг определяются на основании теории подобия и рассчитываются в том числе и для теплоизолированных труб.

За шаг по времени гш, с, для системы уравнений (20) принято минимальное время прохождения воды по наименее протяженному кольцу системы, определяемое, как сумма времени прохождения теплоносителя по всем участкам этого циркуляционного кольца - трубам (21) и отопительным приборам (22).

^3600/^ с (21) гоя=М/Щс (22)

Ж Ж

Все гидравлические и тепловые характеристики системы отопления корректируются на каждом временном шаге гш.

Расчет температуры теплоносителя на выходе из тройников и крестовин определяется строго для одного и того же момента времени, с учетом расходов теплоносителя в сливающихся потоках.

Установлен единый шаг во времени для гидравлического режима системы отопления и теплового режима каждого помещения здания г„ (12-г18 мин), равный нескольким «малым» шагам по времени в системе отопления, гш.

Теплоотдача отопительного прибора и теплопроводов, рассчитанная на каждом шаге г„ является исходным данным для расчета температуры воздуха и температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций помещения,

по значениям которых определяется радиационная температура и результирующая температура помещения.

Последовательность расчета теплового и гидравлического режима работы системы отопления и теплового режима здания, а также связь между ними определяется алгоритмом программы-модели. Блок-схема алгоритма представлена на рис.1.

Начало программы )

Корректировка давления насоса ф

( Конец программы )

Рис.1. Блок-схема алгоритма программы моделирования работы системы отопления и теплового режима здания Третья глава посвящена проверке корректности созданной математической модели на основании проведенных натурных исследований и экспериментальных данных, отраженных в специальной технической литературе.

Проведено натурное исследование остывания жилого дома коттеджного типа после прекращения подачи теплоты в систему отопления. По результатам эксперимента построены графики (рис.2) изменения средней температуры отопительных приборов и температуры внутреннего воздуха для двух наиболее характерных помещений здания и выполнено их сравнение с расчетными данными, полученными для условий эксперимента. Состав ограждений рассмотренных помещений приведен в табл.1.

3)

(, "С

5)1, 22

20 ^ 19

18

— . 1

----2

Л-,-

ч

г, ч

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Рис.2. Изменение температуры: 1 - отопительного прибора по расчету; 2 - отопительного прибора по экспериментальным данным; 3 — внутреннего воздуха по расчету; 4 - внутреннего воздуха по экспериментальным данным (а - помещение 1, б — помещение 2).

Таблица 1.

Состав ограждений исследуемых помещений_

Тип ограждения Материал слоя Толщина, м Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) Суммарная площадь ограждений помещения 1(рис.2а), м2 Суммарная площадь ограждений помещения 2 (рис.2б), м2

Наружная стена кирпич 0,25 0,81 17 (в т.ч. 0,3 м2 окон) 33 (в т.ч. 8,8 м2 окон)

минеральная вата 0,13 0,046

штукатурка 0,006 0,81

Внутренние перегородки деревянные панели 0,03 0,15 10 20

ячеистый бетон 0,15 0,37

деревянные панели 0,03 0,15

Перекрытия ковролин 0,002 0,07 10 35

цементно-песчаная стяжка 0,02 0,93

звукоизоляция 0,03 0,05

ж/б плита 0,2 2,04

акмигран 0,02 0,052

Для дополнительной проверки корректности математической модели было осуществлено сравнение (рис.3) результатов расчета времени снижения температуры внутреннего воздуха по программе с результатами расчетов по методикам, опирающимся на значения коэффициентов аккумуляции зданий старой застройки (данные «Роскоммунэнерго», методики Е.Я. Соколова и В.Н. Богословского). (л, °С

Проведенные исследования позволили установить, что расчет по программе-модели обеспечивает достаточную степень сходимости результатов с экспериментальными данными, полученными автором и данными, приведенными в специальной технической литературе.

Четвертая глава посвящена аналитическому исследованию гидравлического режима двухтрубной вертикальной системы отопления при отключении теплоснабжения с помощью программы-модели. Расчетная система отопления оснащена терморегуляторами с предварительной настройкой на всех отопительных приборах. Рассмотрены два варианта балансировочной арматуры на стояках: ручные или автоматические балансировочные клапаны.

По результатам исследования установлено, что терморегулирующие кла-

Рис.З. Изменение температуры воздуха после отключения теплоснабжения в зданиях с низким уровнем теплозащиты: 1 -дом из ж/б элементов с утеплителем из минеральной ваты, расчетные данные; 2 -тоже, данные «Роскоммунэнерго»; 3 — тоже, методика Е.Я.Соколова; 4 - дом в 2,5 кирпича, расчетные данные; 5 - тоже, данные «Роскоммунэнерго»; б - тоже, методика Е.Я.Соколова; 6 - тоже, методика В.Н. Богословского.

паны, открываясь после отключения теплоснабжения производят перераспределение расходов в системе отопления.

Перераспределение происходит за счет того, что на клапанах выставлены различные предварительные настройки, а также различные начальные положения регулирующих штоков. Комплексно это различие выражается через значения коэффициентов управления терморегуляторов:

АР,-АР, _ АР,-АР2

АР,

(23)

АР.

(24)

В терморегуляторах со значительным потенциалом к увеличению расхода (общий коэффициент управления более 0,2) расход при открытии клапана, как правило, возрастает, а в терморегуляторах с меньшим значением коэффициента управления, его величина не только не возрастает, а может наоборот снизиться. В результате расходы теплоносителя на всех без исключения терморегуляторах существенно отклоняются от ожидаемых величин, полученных от производителя клапанов. Это приводит к тому, что одни отопительные приборы «недополучают» теплоноситель, в то же время другие получают его «в избытке».

Установлено, что масштабы такого гидравлического разрегулирования зависят от типа балансировочных клапанов, установленных на стояках системы. Для системы с ручными балансировочными клапанами масштаб разрегулирования - вся система отопления, а то время как для системы с автоматическими балансировочными клапанами перераспределение расходов возможно только между отопительными приборами одного и того же стояка.

Для системы отопления с автоматическими балансировочными клапанами дано графическое описание работы гидравлики при остывании системы (рис.4).

Рис.4. Совместная работа терморегули-рующего клапана и АБК при отключении теплоснабжения, Арст - располагаемый перепад давления на стояке (без учета потерь давления на АБК и КС); Лрст.тк -потери давления на терморегулирующем клапане; Арст,„асс - потери давления в пассивных элементах стояка (теплопроводы и арматура не имеющие возможности изменять свои характеристики сопротивления и расположенные между АБК и его КС); Лрабк - потери давления на АБК; Аркс~ потери давления на КС; Армаг - потери давления на магистралях В результате для такой системы установлено, что несмотря на постоянную величину располагаемого давления на стояке, обеспечиваемую автоматическим балансировочным клапаном, перепад давления на термостатических клапанах АрСт.тк не стабилизирован и уменьшается. Снижение значения перепада давления происходит не так интенсивно, как в системе отопления с ручными балансировочными клапанами, однако, оно есть. Причина - в увеличившемся перепаде давления на пассивных элементах стояка с Арст.„ас.нач до Арст.„ас.кон за счет увеличившегося расхода теплоносителя через стояк. Причем, величину Арст.гшс.кон будет формировать суммарное изменение расхода всех терморегуляторов стояка.

Сделан вывод о том, что чем ближе будет установлен автоматический балансировочный клапан к терморегулятору и чем меньшее суммарное количе-

дРст=1с!ет

ство терморегуляторов он обслуживает, тем более эффективной будет стабилизация перепада давления на рассматриваемом терморегуляторе, а соответственно и более прогнозируемой величина расхода на нем.

Пятая глава посвящена аналитическому исследованию теплового режима помещений здания при отключении теплоснабжения. Рассмотрено остывание внутреннего воздуха до 0°С трех различных помещения здания в 2-х этажном жилом доме коттеджного типа при отключении теплоснабжения.

Проведены серии расчетных опытов при изменении каждого из основных влияющих на время остывания факторов:

- воздухопроницаемость окон - для расчета приняты три варианта расхода инфильтрационного воздуха 0,5 кг/(ч'м2) - 1 (здесь и далее номер графика рис.5) ; 3 кг/(ч'м2) - 2; 5 кг/(ч м2) - 3;

- сопротивление теплопередаче наружных ограждений - для расчета приняты два варианта сопротивления теплопередаче 2,81 м2-°С/Вт - 4; 3,37 м2-°С/Вт -5;

- теплоемкость наружных ограждений - для расчета рассмотрены три состава наружных стен с кирпичным - 6, бетонным - 7 и ячеистобетонным конструктивным слоем - 8, при равном сопротивлении теплопередаче всех трех вариантов ограждений;

- теплоемкость внутренних ограждений - для расчета рассмотрены два варианта составов перекрытий и внутренних перегородок - более теплоемкий (потолок - железобетон, пол - плитка, перегородка - железобетон) - 9 и менее теплоемкий (потолок - акмигран, пол - ковролин, перегородка - керам-зитобетон с выравнивающим слоем) - 10;

- теплоемкость системы отопления - для расчета рассмотрены два варианта системы отопления - с отопительными приборами, подобранными в зависимости от теплопотребности помещений - 11 и с отопительными приборами максимально возможного типоразмера -12.

Каждая серия расчетных опытов (рис.5 а-д) была проведена для трех помещений здания (обозначены штрихами над номерами графиков), обладающих различной площадью наружных и внутренних ограждений, площадью окон и тепловой мощностью отопительных приборов (характеристики помещений представлены в таблице 2). Для каждой серии опытов изменялся только один влияющий фактор при прочих равных условиях.

в) tu,'С

О 50 100 150 200 250 300 350 400

д) (л, 'С

0 50 100 ISO 200 250 300 350 400 450 500

Рис.5. Изменение температуры воздуха после отключения теплоснабжения

По результатам сделаны выводы о существенном влиянии на время остывания помещений здания первых четырех факторов при ориентировочном численном равенстве влияния каждого из них. Меньшее влияние на время остывания помещений оказала теплоемкость системы отопления. В то же время для помещений, темп остывания которых выше смежных или же расход инфильтрационного воздуха значителен, система отопления продолжает служить источником теплопоступлений, тем самым выравнивая скорость остывания всех помещений здания.

Для удобства сравнения остывания различных помещений введены понятия приведенных характеристик помещений (для рассмотренных на рис.5 помещений- см.табл.2):

1) Ншф и Нт/„ - коэффициенты теплопотерь помещения инфильтрацией и теплопередачей соответственно, Вт/°С:

Я.„

С,

__м

3,6

(25)

Hmln=±K„,pFHa;v (26)

2) С„- суммарная теплоемкость помещения, кДж/°С;

Q — Снарм-р + Свнут.огр + ССО' (27)

С = ^ к

нар.огр ' < »

нар.огр нар.огр'

(28)

F

внут. огр внут. огр'

(29)

С-„ = с т +с р V

СО уч уч жг^лс ж

(30)

Предложено вычисление поверхностной теплоемкости наружных и внутренних ограждений по методу «эффективной толщины».

(3D =¿¿1.(32)

i=i ;=i где St — эффективная толщина внутренней стороны ограждения, м, принимаемая равной минимальному значению из следующих: половине толщины стены; суммарной толщине всех слоев от внутренней стороны до слоя эффективной теплоизоляции; максимальной эффективной толщине, определяемой в зависимости от периода температурных изменений : 1 ч - 20 мм, 1 день -100 мм, 1 неделя - 250 мм.

Таблица 2.

Приведенные характеристики исследуемых помещений_

Помещение Ншф, ВтГС Вт/°С с "—иар.о.'р* кДж/°С с ^внут.огр, кДж/°С Ссо, кДж/°С. С„, кДж/°С

X 6,7 59 38000 79600 400 118000

хч 7,4 25 7400 13100 100 20600

х" 0,2 12 10000 8200 30 18230

Для быстрого расчета ориентировочной величины времени остывания системы отопления до критической температуры, предложена методика, основанная на определении величины постоянной времени.

С„/ 3,6

ч 700 180 160 140 120 100

Г = "

НтЫ + ф

(33)

..............

............../у .....

•V......................

г/

остывающих здания были

Для наиболее быстро помещений расчетного определены соответствующие

постоянные времени. По их значениям, а также по предварительно рассчитанным по программе значениям времени остывания этих помещений до

критического уровня температуры был построен график их зависимости (рис.6).

Рис.6. Зависимость времени остывания Точки, указанные на графике соответ-помещений здания до 0°С го от постоян- ствуют полученным парам данных. По ной времени г этим точкам получена аппроксимирую-

щая линейная зависимость с расчетным коэффициентом корреляции 0,91 , после чего она была смещена до минимальных значений по оси ординат. Полученная прямая может быть использована для определения времени остывания теплоносителя до критической температуры в зданиях со схожими характеристиками.

Для получения аналогичных сведений для зданий со значительно отличающимися характеристиками, необходим предварительный расчет хотя бы одного здания подобного типа по программе-модели.

Основные выводы: 1. Разработанная программа моделирования изменяющегося во времени теплового и гидравлического режимов системы отопления, встроенной в здание, позволяет выполнять многовариантные расчеты теплообмена в помещении с учетом воздухопроницаемости окон, различного состава и площади наруж-

ных и внутренних ограждений, различной структуры и элементного состава системы отопления, включая использование современной регулирующей арматуры. С ее помощью определяется время остывания внутреннего воздуха в здании до критического уровня. Это дает возможность принимать решение о допустимом времени работы системы отопления после отключения теплоснабжения.

2. Полученные формулы расчета характеристик сопротивления S всех возможных видов гидравлических сопротивлений, встречающихся в двухтрубных системах отопления, позволяют в полной мере использовать наиболее точный метод гидравлического расчета - по характеристикам сопротивления, как в рамках настоящей работы, так и для прикладных инженерных расчетов.

3. Проведенные натурные исследования показали, что расчет времени остывания помещений здания по программе-модели обеспечивает достаточную степень сходимости результатов с реальным остыванием помещений в жилом здании. Максимальная величина среднеквадратичного отклонения экспериментальных данных от расчетной зависимости составила - 0,8°С для внутреннего воздуха, а отклонения экспериментальных значений температуры теплоносителя лежат в пределах погрешности прибора измерения.

4. Выполненные расчеты остывания здания после отключения теплоснабжения по разработанной программе для ЭВМ показали хорошую сходимость результатов с ранее выполненными работами Е.Я. Соколова, В.Н. Богословского, A.A. Кылатчановой с учетом ограничений, принятых в расчетах перечисленных авторов.

5. Проведенные расчеты по программе-модели показали, что отключение теплоснабжения и последующее остывание помещений здания вносят ощутимые изменения в работу современной системы отопления. В системе отопления с использованием ручных балансировочных клапанов происходит перераспределение расходов по всей системе отопления. В системе отопления с автоматическими балансировочными клапанами - только в пределах частей системы, обслуживаемых этими клапанами. Масштабы таких разрегулирований зависят от количества отопительных приборов в системе, настроек терморегулирующих и балансировочных клапанов, а также конструкции системы отопления. Для рассмотренной в настоящей работе системы отопления такие отклонения доходят до 25 % от ожидаемых по данным производителя терморегуляторов. Применение программы-модели позволяет установить новое распределение расходов в системе отопления, вызванного разрегулированием, а следовательно, и установить фактическое количество теплоты поступающее в помещения здания. Такая возможность программы может быть использована и для других прикладных задач. Например, при моделировании систем отопления с прерывистым или переменным режимом работы или анализа гидравлических разрегулирований действующих систем отопления зданий.

6. Установлено значительное влияние коэффициентов управления терморегулирующих клапанов на работу системы отопления в условиях изменяющейся температуры внутреннего воздуха в помещениях здания. Особенно замет-

но это влияние в системе отопления без использования автоматических балансировочных клапанов. Для терморегуляторов с существенным потенциалом к увеличению расхода через себя (общий коэффициент управления более 0,2) расход через терморегулятор при открытии клапана возрастает. В терморегуляторах с меньшим потенциалом к увеличению расхода, его величина способна снизиться, не смотря на физическое открытие клапана.

7. Установлено, что уровень теплозащиты здания (сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций, воздухопроницаемость окон) и уровень его теплоустойчивости (теплоемкость наружных и внутренних ограждений) являются основными факторами, определяющими время его остывания. Их влияние сравнимо по своему значению и зависит от конкретных характеристик рассматриваемых помещений. Различные значения этих факторов для помещений с прочими равными параметрами дают отличие во времени остывания, измеряющееся несколькими сутками.

8. Упрощенная методика расчета остывания здания, предложенная на основании анализа зависимости между временем остывания помещений жилого здания и величинами постоянной времени, позволяет достаточно быстро определить минимальное время остывания теплоносителя в системе отопления до критической температуры. Методика обеспечивает запас не менее среднего линейного отклонения времени остывания расчетного здания от аппроксимирующей функции zo=f(j). При этом корреляция самой аппроксимирующей функции для рассмотренного здания составила 0,91, что отражает высокую степень точности описания полученных пар данных.

Условные обозначения: ав- внутренний коэффициент управления терморегулятора; а0бщ - общий коэффициент управления терморегулятора; М - произведение поправочных коэффициентов отопительного прибора; с^ — удельная массовая теплоемкость материала, из которого изготовлен элемент системы отопления, кДж/(кг-°С); с„ - удельная массовая теплоемкость наружного воздуха, кДж/(кг-°С); с/ - удельная массовая теплоемкость материала i-го слоя наружного ограждения, кДж/(кг-°С); Снар.огр - внутренняя теплоемкость наружных ограждений помещения, кДж/°С; Стут.огр -теплоемкость внутренних ограждений помещения, кДж/°С; Ссо- теплоемкость системы отопления, расположенной в объеме помещения, кДж/°С; di...di — диаметры трубы от внутреннего до наружного, м; Fy4 - площадь наружной поверхности участка, м2; FOK - площадь окна, м2; Fmp,olp - площадь наружного ограждения, м2; FeHужогр - площадь внутренних ограждений, м2; Gx - расход теплоносителя на участке, кг/ч; G„as - расход теплоносителя на участке магистральной трубы, кг/ч; GMaKC — расход через терморегулятор при полностью открытом штоке, кг/ч; G„„.„ - расход через терморегулятор при номинальном положении штока, кг/ч; Gpn - расход теплоносителя в регулируемой подсистеме, кг/ч; Geo - полный расход теплоносителя в системе отопления, кг/ч; G„„0 - приведенная массовая воздухопроницаемость окна, кг/(ч-м2); G„p - проектный расход теплоносителя через отопительный прибор, кг/ч; Кнар.огр- поверхностная теплоемкость наружного ограждения, кДж/(м2°С); Ктут,огр-поверхностная теплоемкость внутренних ограждений, кДж/(м2-°С); к — коэффициент, учитывающий структуру внутреннего объема прибора; ко - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности новой трубы; kv.Kc - пропускная способность клапана-спутника, (м3/ч)/бар0,5; кг1лЕК

- максимальная пропускная способность АБК, (м3/ч)/бар0,5; kyv - коэффициент теплопередачи участка, Вт/(м2-°С); k„,orp - коэффициент теплопередачи наружного ограждения, Вт/(м - С); /

— длина участка, м; ту, - масса отопительного прибора без учета массы теплоносителя в нем, кг; п, т - эмпирические коэффициенты отопительного прибора; Quy • номинальный тепловой поток от отопительного прибора, Вт; Qon„P - проектная теплоотдача отопительного прибора, Вт; Si - характеристика сопротивления участка теплопровода, Па/(кг/ч)2; 5,„ог- характеристи-

ка сопротивления участка магистральной трубы, Па/(кг/ч)2; Spn - суммарная характеристика сопротивления регулируемой подсистемы, Па/(кг/ч)2; t„.f - проектная температура теплоносителя на входе и выходе из отопительного прибора, °С; t„, teax - температуры теплоносителя на входе и выходе из участка на текущем шаге по времени,°С; t^ui-i), W.fia /j -температуры теплоносителя на входе и выходе из участка на предыдущем расчетном шаге по времени, °С; t„ - текущая температура воздуха в помещении, °С; t„.„p- проектная температура внутреннего воздуха в помещении, °С; Vx - внутренний объем участка системы отопления, м3; Von - объем теплоносителя в отопительном приборе, л; w - скорость теплоносителя, м/с; Хрмакс - максимально возможное для данного терморегулятора значение зоны пропорциональности, °С; Хрном - номинальное значение зоны пропорциональности терморегулятора, °С; Y - количество лет эксплуатации труб; zon - время прохождения воды через отопительный прибор, с; гтр - время прохождения воды по участку теплопровода, с; а; - коэффициент теплообмена на внутренней поверхности трубы, Вт/(м2-°С); а2 - коэффициент теплообмена на наружной поверхности трубы, Вт/(м2оС); аш - коэффициент характеризующий быстроту возрастания шероховатости, м/год; АР/ - потери давления на терморегуляторе, принимаемые равными 10 кПа; ДРг - потери давления на терморегуляторе при полном открытии его штока для конкретной предварительной настройки, определяются при той же величине расхода теплоносителя, что и АР/, кПа; Др„аг - потери давления на магистральных трубах циркуляционного кольца, Па; АРр - располагаемое давление на регулируемой подсистеме, кПа; АРрплбк - поддерживаемый АБК перепад давления на регулируемой подсистеме , Па; Арч-циркуляционное насосное давление, Па; ~ коэффициенты теплопроводности со-

ставляющих конструкции трубы, Вт/(м-°С); v^ - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м2/с; р: - плотность материала i-ro слоя ограждения, кг/м3.

По содержанию диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 работы, опубликованы в изданиях Перечня ВАК РФ:

1. Петров Д.Ю. Влияние элементов системы отопления на интенсивность ее теплоотдачи. // Вестник МГСУ, 2009, -JV«2, с.443-451

2. Петров Д.Ю. Математическая модель современной системы отопления. // Вестник МГСУ, 2009, -№2, с.367-381.

3. Петров Д.Ю. Исследование динамического режима работы системы отопления. // Водоснабжение и санитарная техника, 2011. -№1, с.56-61.

4. Малявина Е.Г., Петров Д.Ю. Сопряженный расчет нестационарного теплового режима водяной системы отопления и здания. // Жилищное строительство, 2012, -№6, с.66-69.

5. Петров Д.Ю. Влияние элементов системы отопления на интенсивность ее теплоотдачи. Материалы Второй Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». - М., 2007, с.130-134.

6. Петров Д.Ю. Влияние современных элементов системы отопления на интенсивность ее теплоотдачи . // Сантехника, отопление, кондиционирование (СОК), 2008, -№7, с.28-34.

7. Петров Д.Ю. Математическая модель современной системы отопления. Третья Междуна-родная^учно-техническая конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентилящги». СборнцУТшкладов. - М., 2009, с.134-139.

Заказ № 03-Р/08/2013 Подписано в печать 06.08.13 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,0

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76 www.cfr.ru; e-mail: info@cfr.ru