Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Выбор приоритета в авторегулировании теплоотдачи систем отопления жилых зданий

В. И. Ливчак, член президиума НП «АВОК»

Традиционно сложилось, что при проектировании авторегулирования теплоотдачи вертикальных систем водяного отопления жилых зданий предусматривается центральное регулирование в индивидуальном тепловом пункте ИТП или автоматизированном узле управления АУУ (при подключении к тепловым сетям централизованного теплоснабжения через ЦТП) и индивидуальное авторегулирование на отопительных приборах с использованием термостатов, а также в последнее время рекомендуется установка балансировочных клапанов в основаниях стояков системы. Казалось бы, все логично, но на практике оказывается неоправданно избыточно. Рассмотрим эту проблему в режиме реальной эксплуатации.

Следует отметить, что человек, система отопления и создаваемый ею тепловой и воздушный режимы в квартире в отсутствие термостатов являются отличной саморегулируемой системой при обеспечении поступления количества теплоты в эту квартиру, как принято в нормах проектирования, в объеме, компенсирующем теплопотери через наружные ограждения и на нагрев вентиляционной нормы наружного воздуха за вычетом бытовых теплопоступлений, на что и рассчитываются системы отопления [1].

При современных герметичных окнах и естественной вытяжной вентиляции в жилых домах окна в закрытом положении не обеспечивают поступления свежего наружного воздуха в объеме нормативного воздухообмена даже в нижних этажах здания [2]. Поэтому, если в систему отопления поступает количество теплоты из расчета нагрева нормативного воздухообмена, а окна закрыты, то повышается температура воздуха в отапливаемых помещениях, она выходит за пределы, воспринимаемые человеком как комфортные, и он вынужден приоткрывать окна, чтобы увеличенным воздухообменом вернуть температуру воздуха в помещении на комфортный уровень. Многолетний опыт подскажет жителю, при какой наружной температуре и при каком направлении и силе ветра, какова должна быть степень открытия окна или форточки, чтобы обеспечить воздухообмен в квартире и желательную температуру воздуха в помещении.

Гигиенисты свидетельствуют, что особенности воздействия микроклимата на человека таковы, что он быстро реагирует на изменение окружающей температуры, а незначительные изменения количества воздуха для вентиляции не так ощутимы для него. Поэтому, если в предыдущем примере будет добавлено регулирующее воздействие в виде термостатов на отопительных приборах, которые по определению должны закрываться при повышении температуры воздуха в отапливаемом помещении, то у жителя не возникает потребности в открывании окон. Но воздухообмен в квартире будет ниже нормативного, вследствие чего повышается влажность воздуха, возможно образование плесени на стенах — отсюда синдром «больных» зданий, которых в европейских странах значительно больше, чем у нас, поскольку жители их более законопослушны, чем мы — не открывают окна, стремятся к экономии энергии и настраивают термостаты на поддержание желательной им температуры воздуха в допустимых нормами пределах.

А наша незаконопослушность выливается в то, что мы не стремимся к экономии теплоты в доме и раскрываем форточки — температура воздуха в помещении понижается, но житель не успевает на это среагировать, поскольку термостат автоматически раскроется, добавив количество теплоты большее, чем необходимо для нагрева нормативного воздухообмена, поскольку отопительные приборы подобраны всегда с запасом. В результате термостаты вызовут перерасход тепловой энергии на отопление.

В связи с этим внедрение термостатов должно быть обусловлено наличием постоянно действующей вентиляции в квартирах в объеме нормативного воздухообмена и наличием устройств, демонстрирующих жителю снижение теплопотребления при правильной настройке термостата, чтобы он понимал, что за таким его действием последует снижение платы за сэкономленную теплоту. А это значит, что квартиры должны быть обеспечены саморегулируемыми приточными клапанами в наружных стенах или оконных переплетах, работающей естественной или гибридной вытяжной вентиляцией и теплораспределителями или другими устройствами, позволяющими жителю оценивать его энергосберегающие действия.

Только при этих условиях термостаты могут принести пользу, выполняя индивидуальные потребности жителей в обеспечении желаемой температуры в отапливаемом помещении, но не превышающей комфортный уровень при нормативном воздухообмене, и сберегая тепловую энергию на отопление в периоды теплопоступлений с солнечной радиацией либо при увеличении внутренних теплопоступлений (например, во время приготовления пищи или выпечки пирогов). Считается, что измерение теплоотдачи отопительного прибора (в условных величинах, по значению которых будет затем распределяться измеренный расход тепловой энергии на отопление всего дома) будет стимулировать жителей к энергосбережению [3].

А пока это не реализовано и жители не прониклись осознанием неотвратимости энергосбережения, не следует форсировать обязательную установку термостатических головок, а передать их в розничную торговлю. Но обязательно в каждом доме следует предусматривать автоматизированный узел управления системой отопления (АУУ), позволяющий оптимизировать подачу теплоты на отопление для достижения максимальной экономии тепловой энергии при обеспечении комфортных условий в жилище. Производители термостатов, подтверждая энергоэкономический эффект от их применения на практике, забывают, что термостаты устанавливают в системах отопления, оборудованных автоматическим центральным регулированием подачи тепла на отопление в зависимости от изменения наружной температуры, и эффект, приписываемый термостатам, на самом деле получается от центрального авторегулирования.

Практика применения термостатов в московском строительстве

Подтверждением того, что в достигнутой экономии за счет наличия АУУ и настройки контроллера и циркуляционного насоса системы отопления на оптимальный режим работы не участвовали термостаты, служат результаты натурных испытаний на домах серии II-18-01/12, приведенные в [4]. На рис. 1 представлен режим работы системы отопления одинаковых домов 57 и 59 по ул. Обручева, оборудованных АУУ, и в системе отопления последнего, кроме термостатов, установлены еще и балансировочные клапаны на стояках и теплораспределители на отопительных приборах.

Рис. 1. Режим работы систем отопления жилых домов серии II-18-01/12 после капитального ремонта, оборудованных АУУ, а в доме 59 дополнительно термостатами и теплораспределителями на каждом отопительном приборе

В верхней части рисунка приведены величины среднечасового за сутки расхода теплоты на отопление обоих домов по измерениям домовыми теплосчетчиками за период декабря 2009 — января 2010 гг. в сопоставлении с требуемым, установленным для поддержания контроллером АУУ на проектный график. В средней части — среднечасовой за сутки расход теплоносителя из тепловой сети в систему отопления, и внизу — среднесуточная температура наружного воздуха.

Как видно из рисунка, в доме 57 АУУ находился в рабочем режиме, и фактический расход теплоты был несколько ниже требуемого, особенно при температурах наружного воздуха выше средней температуры отопительного периода, поскольку контроллер этого дома был настроен на поддержание не проектного графика, как в доме 59 в декабре, а заданного с учетом увеличивающейся доли внутренних теплопоступлений в тепловом балансе дома с повышением наружной температуры [признавая приоритет автора и его 40-летний опыт внедрения этого решения, а также для краткости из­ложения редакция журнала «АВОК» назвала такую зависимость «графиком Ливчака» («АВОК» № 1, 2014 г.)]. Средний за сутки расход теплоносителя из тепловой сети в систему отопления колебался в пределах 1,2–3,2 т/ч.

В доме 59 до 20.12 АУУ также находился в рабочем режиме, и фактический расход теплоты соответствовал требуемому. Но с 20.12 по 19.01 автоматика АУУ была отключена — это четко видно по резкому увеличению расхода теплоносителя на отопление до максимума с 2,4 до 4,5 т/ч (почти в 2 раза), и расход теплоты, потребляемый системой отопления, вырос на 40–50% по сравнению с требуемым — термостаты не смогли снять этот перегрев. И только когда вновь была включена автоматика на АУУ 19.01, теплопотребление восстановилось до проектного (18–25.12 и 13–16.01 — были нарушения в измерениях расхода теплоты дома 59). Почему же термостаты не стали закрываться при таком колоссальном перегреве?

Такой перегрев помещений здания стал следствием того, что термостаты были оборудованы термостатическими головками с максимальным пределом температурной настройки в 26 °С. Это означает, что при полном открытии термостата (а менталитет российского жителя оказался таков, что он не будет искать промежуточных положений, тем более что терморегуляторы не оцифрованы по градусам температуры) клапан не будет автоматически закрываться, пока температура воздуха в помещении не превысит 26 °С. Естественно, даже самые теплолюбивые жильцы воспринимают такую температуру как избыточную и раскрывают окна, сбрасывая теплоту на улицу. Чтобы предотвратить это, следует ограничить настройку термостатической головки на среднекомфортное значение температуры в 21°С. С учетом коэффициента неравномерности это будет означать поддержание температуры воздуха в помещениях в оптимально комфортном диапазоне 20–22 °С.

Поэтому и в СНиП СП 60.13330.2012 написано очень осторожно:

«6.1.3. …В системах центрального отопления следует предусматривать, как правило, автоматическое регулирование теплоотдачи отопительных приборов… При этом автоматическое регулирующее устройство должно иметь ограничение диапазона регулирования температуры воздуха в помещении…»

О преимуществах вертикально-однотрубной системы отопления и бесполезности балансировочных клапанов на стояках

Следует заметить, что вертикально-однотрубная система отопления является самой гидравлически устойчивой и малометаллоемкой из всех известных. Даже при работающих термостатах расход теплоносителя через стояки практически не меняется, а правильное распределение теплоносителя по стоякам обеспечивается приемами, рекомендуемыми СНиП при гидравлическом расчете трубопроводов: до 70% потерь давление обеспечивается в стояке и только 30% на общих участках подающего и обратного розливов. При этом установки балансировочных клапанов не требуется и СНиПом не рекомендуется. О некорректности доказательств достижений экономии тепла от применения балансировочных клапанов на стояках в натурных испытаниях на домах серии II-18-01/12 указано в [4].

В секционных жилых домах 2-го и 3-го поколений индустриального домостроения, как и в башнях типа серии II-18-01/12, системы отопления в плане не превышают 30х15 м. Поэтому максимальная длина плеча таких систем (при подводе теплоносителя в центр системы) не превышает 20 м, а количество стояков в отдельной ветке системы не более 5–7 шт., что чрезвычайно мало, чтобы испытывать трудности в распределении теплоносителя. Вот если их было бы на одной ветке в 2 раза больше, тогда бы стоило задуматься, хотя и в этом случае можно отказаться от применения балансировочных клапанов, а перейти на схему попутного движения теплоносителя в разводящих магистралях, к которым подключаются вертикальные стояки (обратная магистраль начинается не с последнего стояка по подаче теплоносителя, а от первого, и кольца через любой стояк системы отопления становятся одинаковыми по длине).

Судить о разрегулировке стояков по несовпадению температуры обратной воды также неправильно, так как вертикально-однотрубные системы отопления проектируют с переменным температурным перепадом. Балансировочные клапаны понадобятся только на ответвлениях секционных систем отопления при питании от одного ИТП нескольких секционных систем, а на стояках в домах типовых серий не нужны.

Объяснять необходимость установки на каждом стояке балансировочных клапанов на случай ошибок, допускаемых при проектировании или монтаже — это по крайней мере несерьезно, и ни в одном нормативном документе нет указаний на необходимость установки дополнительного дорогостоящего импортного оборудования «на случай если». Эти ошибки должны выявляться во время настройки системы отопления до сдачи в эксплуатацию и устраняться.

Основная экономия теплоты от правильной настройки АУУ, и она может быть достигнута в любом эксплуатируемом доме

Должна быть выполнена правильная настройка контроллера АУУ и выбор производительности циркуляционного насоса с учетом установленного запаса в поверхности нагрева отопительных приборов, после сопоставления проектной нагрузки системы отопления и ее расчета в энергетическом паспорте в соответствии со стандартом [1].

Для демонстрации сказанного воспользуемся результатами комплексных испытаний, осуществленных в отопительном сезоне 2009–10 гг. по инициативе Мосгосэкспертизы и мэрии Москвы при поддержке Департамента капитального ремонта жилищного фонда г. Москвы и префектуры ЮЗАО на 8 жилых домах серии II-18-01/12 по адресу ул. Обручева, в которых был выполнен комплексный капитальный ремонт, включающий утепление стен до R_ст.^пр = 3,06 м²·°С/Вт, замену окон на более герметичные с R_ок.^пр = 0,55 м²·°С/Вт, замену системы отопления с отопительными приборами, оборудованными термостатами, и устройство автоматизированного узла управления (АУУ) подачи теплоты в систему отопления здания.

Системы отопления заменены летом 2008–09 гг., утепление зданий выполнено: домов 47, 49, 53, 57, 59, 61 — зимой 2008–09 гг., 51 и 63 — зимой 2009–10 гг. На доме 57 по ул. Обручева 18.11.2009 г. была реализована подача теплоты на отопление по расчетной зависимости, описанной выше (в [5] показано, как пришлось при этом перенастраивать контроллер), а в домах 47, 49 и 61 той же серии контроллеры АУУ были включены на поддержание проектного графика температур, в домах 51 и 63 АУУ еще не были установлены, регулирование подачи теплоты осуществлялось в ЦТП, к которому были подключены все перечисленные здания. Результаты измерений теплопотребления системы отопления искомых домов по ул. Обручева с 1 октября по 30 апреля 2010 года при изменении среднесуточной наружной температуры от +12,8 °С до -23,1 °С получены обработкой замеров домовых теплосчетчиков, распечатка которых была предоставлена МОЭК. Дома 53 и 59 исключены из-за сбоев в работе АУУ, описанных в [6].

В соответствии с МГСН 2.01-99 требуемый расчетный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию дома серии II-18-01/12 с учетом проектных значений полученных в результате капремонта сопротивлений теплопередаче наружных ограждений, фактической заселенности дома из расчета 20 м² площади квартир на человека, соответственно принятой нормой воздухообмена в 30 м³/ч на человека плюс дополнительные 5% на инфильтрацию воздуха в ЛЛУ без пожарных переходов через балкон и удельной величиной бытовых теплопоступлений 17 Вт/м² площади жилых комнат составил Q_от.тр.^р = 175,7 кВт. Сюда вошли также потери тепла трубопроводами, проложенными в неотапливаемых помещениях, дополнительные теплопотери через зарадиаторные участки наружных ограждений здания и за счет округления в большую сторону при подборе площади нагрева отопительных приборов, оцениваемые вместе в 11% к общим теплопотерям для зданий башенного типа.

Проектный расчетный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию дома такой серии с учетом 5% надбавки к расчетным теплопотерям здания-башни (из проекта) на потери тепла трубопроводами, проложенными в неотапливаемых помещениях (остальные дополнительные и добавочные теплопотери учтены при подборе площади нагрева отопительных приборов) составили Q_от.пр.^р = 195,4*1,05 = 205,2 кВт. Соответственно расчетный запас в поверхности нагрева отопительных приборов будет К_зап. = Q_от.пр.^р/ Q_от.тр.^р = 205,2/175,7 = 1,17.  С учетом этого запаса были пересчитаны расчетные параметры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы отопления для установления требуемого температурного графика, задаваемого для поддержания контроллеру АУУ дома 57 (подробно, почему в проекте оказался скрытый запас, как рассчитать оптимальный график подачи теплоты и как на поддержание его настроить контроллер, изложено в [1 и 6]).

По результатам измерений построены графики (рис. 2) изменения среднечасового за каждый месяц отопительного периода фактического теплопотребления систем отопления перечисленных зданий в зависимости от разности средних за месяц температур воздуха внутри и снаружи здания согласно рекомендациям ГОСТ 31168-2003.

Рис. 2. Результаты измерения фактического теплопотребления на отопление домов серии II-18-01/12 в Москве по ул. Обручева в отопительном сезоне 2009–10 гг. и расчетные зависимости изменения расхода тепла на отопление Qот, кВт от разности температур внутри и снаружи здания tв – tн, °С (значками результаты измерений: средние за месяц по домам 47, 49, 61, 51, 63 и за несколько суток дома 57; линиями зависимости изменения расхода тепла на отопление: 1 — рас¬четная требуемого расхода; 2 — обобщающая результаты измерения дома 57; 3 — расчетная по проекту; 4 — обобщающая измерения домов 51, 63)

На рис. 2 линией 1 показана расчетная зависимость изменения расхода теплоты на отопление и вентиляцию согласно ГОСТ 31168-2003, удовлетворяющая оптимальному теплопотреблению, построенная по двум реперным точкам со следующими координатами: расходу теплоты равному Q_от.тр.^р = 175,7 кВт при расчетной температуре наружного воздуха t_н^р = -26 °С (в координатах t_в – t_н = 20 – (-26) = 46 °С) и нулевой расход теплоты при t_н = 12 °С (t_в – t_н = 20 – 12 = 8 °С). Линией 3 — проектная зависимость изменения расхода теплоты на отопление и вентиляцию, соответствующая расчетному расходу теплоты равному Q_от.пр.^р = 205,2 кВт и нулевому расходу теплоты при t_н = t_в = 18 °С (t_в – t_н = 20 – 18 = 2 °С), на поддержание которой в соответствии с проектом был настроен контроллер в домах 47, 49, 61. Эта линия совпала с обобщающей зависимостью линейной аппроксимации фактических измерений теплопотребления этих домов на отопление за каждый месяц отопительного периода (указано на рисунке оранжевыми значками), приведенные в табл. 2 по каждому дому (в знаменателе) и отнесенные к одному часу.

Зелеными треугольниками на рис. 2 показаны результаты таких же измерений за меньший период в несколько суток, по возможности с исключением переходных периодов влияния динамических процессов, дома 57, настроенного на оптимальный режим работы, в то же время обеспечивающий поддержание заданной температуры внутреннего воздуха 20 °С и нормативного воздухообмена. Следует отметить, что в зоне поддержания требуемого теплопотребления менее 20% от расчетного автоматика работала неустойчиво, сбиваясь на 2-позиционный режим работы (закрыть-полуоткрыть), что вызывало нарекание жильцов на «холодные батареи», хотя температура внутри помещений не опускалась ниже 21 °С. Стрелкой показано, как после 27.03 при t_н = +6 °С вручную контроллер был переведен с оптимального режима работы на проектный.

Фактический расход теплоты на отопление дома 57 аппроксимируется линией 2, которая выше расчетной зависимости, заложенной для поддержания в контроллере, на (186–175,7)*100/ 175,7 = 6%. Как оказалось позже, это было связано с инициативой жильцов по увеличению площади нагрева отопительных приборов сверх проекта, что при использовании в качестве отопительных приборов чугунных радиаторов не вызывает затруднений, так как не требует сварочных работ. Побуждения жителей вполне объяснимы: во-первых, когда у тебя под окном устанавливают меньшее количество секций радиаторов, чем было до ремонта, это справедливо вызывает недоверие, и, во-вторых, очень одиноко смотрятся 2–3 секции радиатора шириной до 0,2 м в нише под окном на кухне, имеющем ширину 1,2–1,5 м, конечно, в этом случае надо ставить прибор с меньшей теплоплотностью.

Но, поскольку увеличение площади нагрева отопительных приборов сверх проекта было выполнено жильцами только отдельных квартир, этот запас нельзя устранить централизованно. Этот перегрев будет иметь место, пока жителей, нарушивших условия совместного проживания, не обяжут восстановить систему общего пользования всего дома, какой является система отопления с отопительными приборами, в проектное состояние.

Линия 4 обобщает показатели фактического теплопотребления домов 51 и 63, в которых еще не были закончены ремонтные работы. В расчетных условиях расчетный расход теплоты на отопление превышал проектное значение домов с выполненным капитальным ремонтом на (290–205)*100/205 = 40%.

Оценка эксперимента по показателю энергоэффективности здания

Перейдем к оценке эксперимента по показателю удельного годового расхода тепловой энергии на отопление, отнесенного к м² площади квартир, символизирующего энергетическую эффективность многоквартирного дома (табл. 1). Как было сказано выше, нормативное значение в соответствии с требованиями МГСН 2.01-99 составляет 95 кВт·ч/м², и экспертиза подтвердила, что проект соответствует нормативному требованию. По итоговой строке табл. 1 фактический удельный расход тепловой энергии на отопление дома 57, пересчитанный на нормативный по МГСН 2.01-99 и СНиП 23-02-2003 отопительный период (ГСОП = 4943 °С•сут.) составляет 118 кВт·ч/м².

Таблица 1. Результаты обработки измерений теплопотребления системами отопления домов серии II — 18- 01/12 в г. Москве по ул. Обручева за отопительный период 2009-2010 гг.

Таблица 1. Результаты обработки измерений теплопотребления системами отопления домов серии II-18-01/12 в г. Москва по ул. Обручева за отопительный период 2009–2010 гг.

Если определять фактическое теплопотребление дома 57 только по периодам работы контроллера без отклонений от заданного режима, то удельный расход тепловой энергии на отопление за нормативный отопительный период составил бы 99,5 кВт·ч/м². А если еще учесть 6% реального увеличения поверхности нагрева отопительных приборов по сравнению с проектом, зафиксированного соответствующими актами при обходе квартир, то фактическое теплопотребление дома было бы даже ниже норматива. Это убедительно доказывает, что нормируемое значение энергоэффективности на домах типовых серий вполне достижимо. Средний удельный годовой расход тепловой энергии на отопление по 3 домам такой же серии, но подача теплоты в которых выполнялась на проектные параметры, составил 140 кВт•ч/м² или на (140-95)*100/95 = 47% больше нормативного значения.

Любопытно, что в следующем отопительном се­зоне 2010–11 гг. Москомэкспертизу отстранили от продолжения эксперимента, несмотря на то, что она передала документацию на расширение его на все 8 домов, разработала методику настройки контрол­леров АУУ и циркуляционных насосов отопления, предложила в качестве расширения эксперимента с целью достижения экономии энергии на горячее водоснабжение перенести узел приготовления го­рячей воды из ЦТП в жилые дома. Но все тщетно — эксперимент был заброшен. В результате факти­ческий удельный расход тепловой энергии на ото­пление за 2010–2011 гг. дома 57, пересчитанный на нормативный отопительный период (для коррект­ности сравнения), составил 148 кВт•ч/м2, домов 47, 49, 61 — 182 кВт•ч/м², домов 51, 63 — 202 кВт•ч/м².

Температура обратной воды в этих же домах почти везде завышена более чем на 10 °C, что очень много, и подтверждает, что циркуляционные насо­сы отопления работали на избыточной скорости. В доме 57 вообще непонятно, как работал регулятор: независимо от изменения температуры наружного воздуха от 3,8 до минус 11 °C расход теплоты практически не менялся.

Все это свидетельствует о явном пренебрежении энергосбе­режением при эксплуатации жилищного фонда го­рода. Это нельзя отнести к случайности, поскольку уже было продемонстрировано в предыдущем ото­пительном сезоне, как правильной настройкой контроллера АУУ можно достичь расчетной эко­номии теплоты на отопление.

И это возможно осуществить на любом жилом доме с минимальным энергетическим эффектом в 15–25% независимо от степени утепления дома, а при наличии запаса в поверхности нагрева отопительных приборов на стадии проектирования еще на столько же выше, на сколько процентов оценивается этот запас.

Литература

1. Руководство по расчету теплопотерь помещений и тепловых нагрузок на систему отопления жилых и общественных зданий. Рекомендации НП «АВОК» 2.3. 2012, включенные в стандарт Национального объединения проектировщиков «Требования к содержанию и расчету показателей энергетического паспорта проекта жилого и общественного здания» СТО НОП 2.1-2014.  М. 2014 г.

2. Малявина Е. Г., Бирюков С. В., Дианов С. Н. Воздушный режим жилых зданий. Учет влияния воздушного режима на работу системы вентиляции жилых зданий. «АВОК», № 6. 2003.

3. Карпов В. Н.  Проблемы внедрения поквартирного учета расхода тепла в системах отопления. «АВОК», № 4. 2012 г.

4. Ливчак В. И. Сомнения в обоснованности энергоэффективности некоторых принципов автоматизации систем водяного отопления. «Новости теплоснабжения», № 6. 2012.

5. Ливчак В. И. Реальный путь повышения энергоэффективности за счет утепления зданий. «АВОК», № 3. 2010 г.

6. Ливчак В. И., Забегин А. Д. Преодоление разрыва между политикой энергосбережения и реальной экономией энергоресурсов.  «Энергосбережение», № 4. 2011г.

Скачать статью в pdf-формате: Выбор приоритета в авторегулировании теплоотдачи систем отопления жилых зданий