< назад к техническим статьям

Автоматическая и динамическая гидравлическая балансировка

В циркуляционных системах водяного отопления мы используем воду в качестве емкости для хранения и транспортировки тепла. Но сколько воды требуется на самом деле и как обеспечить "правильное" количество воды по отношению к количеству транспортируемого, передаваемого или хранимого тепла? В этой статье мы хотим показать, что термостатический подход может решить эту проблему проще (автоматически) и лучше (динамически).

В чем преимущества гидравлической балансировки? Цель гидродинамической балансировки - обеспечить каждого потребителя в распределительной сети "правильным" количеством воды. Оно не должно быть слишком маленьким, поскольку в противном случае потребитель не получит достаточного количества тепла; но и не должно быть слишком большим, поскольку в противном случае нагрузка на циркуляционные насосы возрастет непропорционально и, возможно, ухудшит снабжение других потребителей. Кроме того, гидродинамическая балансировка решает еще одну задачу - повышение эффективности тепловой сети, поскольку низкая температура обратки является одним из необходимых условий для того, чтобы низкотемпературные источники, такие как скрытое конденсационное тепло, солнечное тепло или другие регенеративные источники тепла, могли быть реально использованы потребителями. Кроме того, практический опыт показывает, что системы с чрезмерно высокими температурами обратной воды или чрезмерно большими объемами циркулирующей воды имеют значительно меньшее потребление (в некоторых случаях до 40%) даже без регенеративных источников после гидравлической реконструкции.
Эта же задача в принципе применима и к гидравлической интеграции теплогенераторов: Если объем протекающей через них воды слишком велик, температура потока не достигнет желаемой уставки с теми же негативными последствиями, особенно при загрузке буферных емкостей. Поэтому "правильное" количество воды всегда как можно меньшено, конечно, всегда настолько большой, насколько это необходимо. Но теперь возникает вопрос: как найти эти "правильное" количество воды и как их можно надежно отрегулировать?

Рис. 1: При переносе тепла мы используем воду как транспортный контейнер, подобно тачке, на которой мы перевозим песок. Количество перевозимого песка зависит от количества поездок на тачке и разницы в весе при поездке туда и обратно.

§ 1 термодинамики всегда применим

В циркуляционных системах водяного отопления для тепловой мощности Qꞌ, переносимой или передаваемой поверхностями нагрева, расхода Vꞌ и разности температур ΔT применяется следующее упрощенное правило трех, где c - постоянная теплоемкость греющей воды:
Qꞌ = c - Vꞌ - ΔT
Таким образом, тепловая мощность Qꞌ, передаваемая потребителю, пропорциональна произведению расхода Vꞌ и разности температур подачи и обратки или разброса ΔT:
Qꞌ ~ Vꞌ - ΔT (скорость потребления энергии)
Поэтому одно и то же количество тепла можно перенести, передать или сохранить, охладив (или нагрев) немного воды или охладив (или нагрев) немного воды, см. рис. 1. Хорошее приближение для теплоемкости воды - это
c ≈ 4,2 Дж/(г-К) = 1 кал
Это означает, что вы можете отнять (добавить) 4,2 джоуля тепла к 1 грамму воды, охладив (нагрев) ее на 1 Кельвин [К]. Таким же образом можно охладить ½ г воды на 2 К или ¼ г воды на 4 К. Это количество тепла также называется "одной калорией". Поскольку один ватт - это мощность, при которой количество тепла в один джоуль передается или переносится за одну секунду (1 Вт = 1 Дж/с), вышеупомянутая мощность в три единицы может быть записана в стандартных единицах следующим образом:
Qꞌ [кВт] = 7/6 - Vꞌ [м³/ч] - ΔT [K]²
Например, потребитель с номинальной мощностью Qꞌ_N = 28 кВт, что для номинального разброса ∆T_N = 20 K (например, 80/60°C или 50/30°C), номинальный расход:
Vꞌ_N = 7/6 - 28 кВт / 20 K = 1,2 м³/ч
Пока ничего нового.

Неавтоматическая и статическая гидравлическая балансировка ...

...теперь нужно регулировать расход через этот потребитель в соответствии с этим номинальным объемным расходом после его предварительного расчета. Под "неавтоматическим" мы подразумеваем, что балансировка гидросистемы не может быть выполнена без знания всех отдельных номинальных объемных расходов, что является препятствием, которое не следует недооценивать только в случае реконструкции. Но что произойдет, если потребитель, который был "правильно" сбалансирован таким образом, будет потреблять меньше номинальной мощности при частичной нагрузке? Например,

• потому что это воздухонагреватель, вентилятор которого отключен электрическим комнатным термостатом?
• потому что это резервуар для хранения питьевой воды, который должен покрывать только резервные потери при циркуляции горячей воды?

Если количество воды Vꞌ не приводится в соответствие с уменьшенной мощностью Qꞌ, то разность температур ∆T должна уменьшаться, поскольку Qꞌ ~ Vꞌ - ∆T всегда имеет место! Таким образом, под "статическим" мы подразумеваем, что расход Vꞌ не регулируется в соответствии с фактической тепловой мощностью Qꞌ, передаваемой при частичной нагрузке.

Кстати, о частичной загрузке

На этом этапе мы хотели бы провести четкое различие между двумя совершенно разными типами "частичной нагрузки":

Частичная нагрузка с учетом погодных условий

При частичной нагрузке с погодной компенсацией мы предполагаем, что нагрузка на отопление обычно увеличивается пропорционально разнице между наружной и комнатной температурой из-за теплопроводности ограждающих конструкций здания. Температура потока повышается по кривой отопления по мере снижения наружной температуры. Крутизна кривой нагрева показывает, на сколько Кельвинов повышается температура потока при снижении наружной температуры на один Кельвин. Таким образом, частичная нагрузка регулируется температурой потока при почти постоянной циркуляции воды. Поскольку теплопередающая способность нагревательных поверхностей примерно пропорциональна разнице между их средней температурой и температурой в помещении, температура обратного потока следует второй, более плоской кривой нагрева, которая пересекает первую кривую нагрева при нулевой нагрузке. В этой точке разброс также равен нулю. Таким образом, отопительная нагрузка Qꞌ пропорциональна разбросу ∆T, а циркуляция воды Vꞌ остается практически постоянной во всем диапазоне нагрузок, компенсируемых погодными условиями:
Qꞌ ~ ∆T | Vꞌ = const. (Дельта-Т управление по температуре потока), см. рис. 2.

Рис. 2: При частичной нагрузке с погодной компенсацией температура потока снижается с увеличением нагрузки, в то время как расход остается почти постоянным. Поскольку средняя температура поверхности нагрева также снижается, температура обратки также следует кривой нагрева, хотя и более пологой.

Частичная нагрузка под руководством медиума

При частичной нагрузке с контролем среды мы предполагаем, что в любом случае нагрузки с контролем погоды - т.е. с любой предполагаемой, но фиксированной температурой наружного воздуха и достаточно размеренной, но также постоянной температурой потока, полученной из нее с помощью правильной кривой отопления - существует заданное/фактическое отклонение температуры целевой среды, например, комнатной температуры. В идеальном случае регуляторы целевой температуры дросселируют поток через нагревательные поверхности:
Qꞌ ~ Vꞌ |∆T = const. (управление потоком)
Например, термостатические клапаны радиаторов в двухтрубных системах работают, если закрыты байпасы в блоках отводов. В случае частичной нагрузки на среду с регулированием расхода расход через поверхности нагрева уменьшается, и распределение остается, по крайней мере, постоянным. В случае термостатических клапанов температура обратки даже снижается, поскольку средняя температура поверхности нагрева падает вместе с нагрузкой на отопление. Сеть разгружается гидравлически, и ее тепловая эффективность повышается, см. рис. 3.
К сожалению, существует также другой случайРасход тепла снижается при постоянной скорости потока:
Qꞌ ~ ∆T | Vꞌ = const. (Дельта-Т-регулирование по температуре обратки)

Рис. 3: Если, например, термостатические клапаны дросселируют поток через радиаторы двухтрубной сети при слишком высокой температуре в помещении, то разброс даже увеличивается, поскольку средняя температура поверхности нагрева падает вместе с передаваемой мощностью, что также снижает температуру обратки. Таким образом, сеть разгружается гидравлически (циркуляция воды) и термически (температура обратки).

Это происходит, например, когда вентилятор воздушного теплообменника отключается электрическим комнатным термостатом или в однотрубных радиаторных системах: Теперь разброс ∆T должен уменьшаться вместе с тепловой мощностью Qꞌ, что означает, что температура обратки повышается, если температура подачи остается постоянной. Сеть не разгружается гидравлически, ее тепловая эффективность снижается, см. рис. 4.

Рис. 4: Если, с другой стороны, передача мощности уменьшается без снижения расхода, как это происходит, например, в воздухонагревателях или в однотрубных теплотрассах, температура обратки повышается, поскольку распространение уменьшается только с уменьшением передаваемой мощности. Таким образом, сеть не разгружается гидравлически (циркуляция воды), и ее тепловая эффективность снижается (температура обратки повышается).

Какое влияние это оказывает на отдельные нагревательные поверхности?

Почти все нагревательные поверхности оснащены отдельными индивидуальными контроллерами для регулирования температуры целевой среды:

• AHU: Трехходовой смеситель открывается/закрывается непрерывно^IIIк сожалению, обычно развязаны переключателем перед ним^I
• Змеевик воздушного отопления: комнатный термостат включает/выключает вентилятор^I
• Потолочные панели: комнатный термостат полностью открывает/закрывает клапан зоны^II
• Радиаторная/2-трубная система: термостатический клапан плавно дросселирует расход воды^III
• Радиатор/1-трубная система: все байпасы остаются открытыми^I
• Напольное отопление: термостатический клапан полностью открывается/закрывается^II
• Резервуар для хранения питьевой воды: включение/выключение зарядного насоса^II
• Вода в бассейне: зональный клапан полностью открывается/закрывается^II

Можно выделить три следующих случая:
(I) Расход остается постоянным во всем диапазоне частичной нагрузки (без регулирования расхода).
(II) Расход остается постоянным при частичной нагрузке, равной нулю (двухпозиционное регулирование расхода вкл/выкл).
(III) Расход регулируется во всем диапазоне частичных нагрузок (непрерывное регулирование расхода 0-100%). Очевидно, что случай I является наихудшим, случай II - вторым наихудшим, и только случай III - наилучшим решением для достижения желаемой цели - максимизации надежности снабжения и эффективности гидравлической и тепловой сети.

Двухточечное управление и тепловая эффективность

Поскольку суть двухточечного управления заключается в полном включении и выключении теплопередачи, ее можно уменьшить только путем ограничения времени передачи. Это означает, что

• Во время Фазы отключения нагревательные поверхности не влияют на температуру обратного потока, так как поток отсутствует.
• Во время Фазы включения теплообмен должен происходить в ограниченном объеме и, следовательно, с более высокой удельной поверхностной мощностью (мощность на единицу площади поверхности нагрева или теплообменника), что приводит к более высокой температуре поверхности и, следовательно, к более высокой скорости потока и более высокой температуре возврата.

Таким образом, двухточечное регулирование уступает пропорциональному или непрерывному не только по соображениям теплового комфорта (в новых зданиях часто критикуют холодные поверхности пола), но и по причине более эффективного использования дефицитных поверхностей нагрева.

Автоматическая и динамическая гидродинамическая балансировка

Если вы поместите термостатический нагревательный элемент в обратный трубопровод нагревательной поверхности Ограничитель температуры возврата (RTB) который, как автоматический регулирующий клапан, дросселирует расход в зависимости от температуры обратки, повышение температуры обратки, связанное с двумя наихудшими случаями I и II, приводит к уменьшению расхода через поверхность нагрева и, таким образом, к компенсации повышения температуры обратки. Это происходит как при полной нагрузке в номинальном состоянии "автоматически" - т.е. без знания номинального расхода воздуха - так и при частичной нагрузке с регулированием по среде "динамически" - т.е. в зависимости от температуры целевой среды. Таким образом, два нежелательных случая I и II, упомянутых выше, преобразуются в желательный случай III без необходимости проходить процедуру расчета всех индивидуальных расходов, что зачастую невозможно даже при реконструкции и является довольно спортивной задачей даже при полном расчете трубопроводной сети в новых зданиях, если иногда посмотреть на рассчитанные на компьютере ковры цифр, которые выдаются монтажникам для этой цели.

То же самое относится, в частности, к котлам с пиковой нагрузкой

Если, например, котел с пиковой нагрузкой должен поддерживать в верхней зоне буферной емкости минимальную температуру без немедленной зарядки всего буфера, который обычно резервируется для более слабых регенеративных теплогенераторов, он, конечно, должен заряжать буфер до температуры не ниже этой (плюс надбавка за транспортные потери и гистерезис). Но как это можно обеспечить, если, в частности

• температура возврата и
• мощность модуляции

котла с пиковой нагрузкой? Тогда единственное решение - измерять температуру потока в котле и регулировать расход в зависимости от этого. Мы назвали эти клапаны, которые, в отличие от клапанов потребителей тепла, должны открываться при повышении температуры, ограничителями температуры потока (VTB).

А как насчет качества правил?

Мы обнаружили, что эти ограничители температуры обратного потока (RTB), а также ограничители температуры подачи (VTB) выгодно оснащать минимальным расходом (MUL), составляющим порядка одного процента от номинального расхода, чтобы расход никогда не достигал нуля. В противном случае в случае перерасхода после резкого снижения нагрузки - например, при отключении двигателя вентилятора теплообменника воздушного отопления, как упоминалось выше, - существует риск того, что датчик температуры обратного потока будет отключен от фактического теплопотребления нагревательной поверхности из-за остановки воды, а это означает, что ограничитель температуры обратного потока (RTB) не откроется или откроется слишком поздно, если в это время возникнет новый запрос нагрузки. В частности, для нагревательных поверхностей с вентилятором связанный с этим теплый пуск является не только требованием комфорта, но и эксплуатационной безопасностью в случае подачи наружного воздуха при морозе.
Конечно, качество контроля, как всегда, зависит от качества измерения температуры. Поэтому в процессе эксплуатации Датчики вблизи выходов нагревательных поверхностей (минимальное время ожидания!) и - особенно для контроллеров без дополнительного питания - в качестве датчиков погружения. Полностью окружен отопительной водой Это означает, что необходима соответствующая подготовка к работе. Кроме того, каждый отдельный параллельный трубопровод сети должен быть откалиброван одинаково, т.е. каждая система кондиционирования воздуха, каждый змеевик воздушного отопления, каждый однотрубный трубопровод радиатора, каждый контур панельного отопления, каждый резервуар для хранения питьевой воды и каждый теплообменник воды в бассейне.

Как это выглядит в сочетании с кривой нагрева?

Использование ограничителя температуры обратки (RTB) приводит к уплощению кривой нагрева температуры обратки и, следовательно, средней температуры поверхности нагрева в диапазоне регулирования частичной нагрузки с погодной компенсацией по сравнению с расчетным вариантом. Это должно быть компенсировано соответствующим увеличением температуры подачи или крутизны кривой нагрева. Приведем несколько примеров, см. рис. 5.

Рис. 5: Если поверхности нагрева работают с ограничителями температуры обратки (RTL) на кривых отопления с погодной компенсацией, температура обратки остается постоянной. Однако мощность поверхности нагрева может поддерживаться только при той же средней температуре поверхности нагрева, поэтому температура подачи должна быть увеличена. Благодаря более высокому распределению мощность передается при значительно меньших расходах и значительно меньших температурах обратки, что означает гидравлическую разгрузку и термическую эффективность работы сети. При этом сохраняется условие, что расход практически постоянен во всем диапазоне погодокомпенсированной нагрузки, что можно определить по тому, что распределение увеличивается и уменьшается пропорционально погодокомпенсированной нагрузке.

Какое значение это имеет для эффекта саморегуляции?

Для систем напольного отопления, отмеченных * в таблице 1, температура обратного потока, регулируемая RTB, практически равна температуре в помещении. В результате повышается так называемый эффект саморегулирования напольного отопления. Термин "эффект саморегуляции" означает, что средняя температура поверхности нагрева системы напольного отопления всего на несколько Кельвинов выше комнатной температуры. Например, в новом здании (проект: 35/28 °C) с частичной нагрузкой 50 %iger с погодным регулированием (28/24 °C), это на 26 °C и, следовательно, на 6 К больше, чем комнатная температура 20 °C. Если температура в помещении теперь повысится на 1 К до 21 °C, то эта разница температур уменьшится на 1 К до 5 К, т. е. на 1/6 или 17 %. Однако эта разница температур примерно пропорциональна тепловой мощности, выделяемой нагревательной поверхностью, поэтому повышение температуры в помещении компенсируется уменьшением подачи тепла.
Однако, как уже объяснялось, поверхность нагрева с постоянным расходом и пониженной теплоотдачей реагирует на повышение температуры обратки и, следовательно, на повышение средней температуры поверхности нагрева. Поэтому при статической гидродинамической балансировке без RTB эффект саморегулирования частично сходит на нет. При динамической балансировке с РТБ, напротив, повышение температуры обратки сводится на нет снижением расхода, что означает, что эффект саморегулирования проявляется только в полной мере, см. рис. 6.

Рис. 6: В системах поверхностного и напольного отопления температура в обратном трубопроводе может быть настолько близка к температуре в помещении, что поддерживается эффект саморегуляции, и "автоматически действующее устройство для регулирования температуры в помещении" в смысле EnEV может быть реализовано с помощью ограничителя температуры в обратном трубопроводе (RTB), который, однако, не имеет дистанционного управления и функции отключения. Однако в качестве регуляторов непрерывного действия ограничители обратной температуры (RTB) превосходят двухточечные регуляторы с точки зрения комфорта и эффективности.

Что именно требуется от EnEV?

Согласно § 14 (2) EnEV, "отопительные системы с водой в качестве теплоносителя ... должны быть оснащены автоматическими устройствами для регулирования температуры в помещении при установке в зданиях". Поэтому не оговаривается, что уставка должна вводиться в помещении. Поскольку большинство индивидуальных комнатных регуляторов для систем напольного отопления оснащены двухточечными регуляторами, управление температурой в помещении с помощью непрерывно действующих RTB является более предпочтительным с точки зрения тепловой эффективности - как описано выше. Только если помещение используется как гостиная и спальня, дополнительная функция отключения обычных индивидуальных комнатных регуляторов окажется полезной.

А что говорят BAFA + KfW?

В пункте 5.25 "Вступительная оговорка для инновационных технологий" "Приложения к брошюрам KfW" для "Энергоэффективной реконструкции - кредит (151/152)", "Инвестиционный грант на энергоэффективную реконструкцию (430)" и "Энергоэффективное строительство (153)" написано: "Если компоненты технической системы используются в жилых зданиях, для энергетической оценки которых не существует признанных технологических правил или надежных эмпирических значений, опубликованных в соответствии с разделом 9 (2) предложения 2 полупредложения 3 EnEV, для этой цели могут быть использованы компоненты с эквивалентными или худшими энергетическими свойствами". Термин "компоненты могут быть использованы для этой цели" относится к традиционным методам и компонентам неавтоматической и статической гидродинамической балансировки, описанным в нормах расчета EnEV.
Поэтому инновационная технология должна быть эквивалентной или лучшей, на что может претендовать термостатический ограничитель температуры обратного трубопровода, представляющий собой автоматическую и динамическую гидравлическую балансировку отопительных контуров. По этой причине установка и правильная настройка RTB (VTB) субсидируется как BAFA, так и KfW.

Рис. 8: Благодаря установке ограничителей температуры обратного потока (RTB) расход воздуха в воздухонагревателях автоматически регулируется как при полной нагрузке (полная скорость вентилятора), так и при частичной нагрузке (пониженная скорость вентилятора), а также при выключенном вентиляторе. Функция термостатического контроля с фиксированной минимальной циркуляцией гарантирует теплый пуск и защиту от замерзания.

И последнее замечание по поводу балансировки энергии

Энергия управления - это механическая работа, необходимая для открытия или закрытия регулирующего клапана. В больших системах она часто генерируется с помощью вспомогательной электрической энергии, т.е. с помощью электрических приводов. В небольших системах, в частности, большое количество регулирующих клапанов используется для гидравлической балансировки без вспомогательной энергии. Однако это означает лишь то, что они не нуждаются в дополнительном энергоснабжении, но не то, что им не нужна энергия для работы. Но откуда они берут энергию, необходимую для работы?

Клапаны с гидравлическим приводом

Используемые балансировочные клапаны предназначены для поддержания постоянного перепада давления или расхода. В большинстве случаев механический ход привода клапана создается через мембрану за счет перепада давления в самой гидравлической сети. Для того чтобы регулятор работал, необходимо обеспечить минимальный перепад давления - обычно около 2 mWS, что означает дополнительную работу циркуляционных насосов.

Клапаны с термоприводом

В клапанах с термоприводом, напротив, эта работа происходит в результате расширения или испарения среды, которой заполнен датчик температуры. Поскольку энергия управления при этом извлекается из нагретой воды в виде тепла, качество теплового соединения датчика играет здесь особую роль, как описано выше. Однако, решив эту задачу при монтаже, такие клапаны не требуют дополнительного минимального перепада давления до конца срока службы, а значит, не требуют дополнительной работы циркуляционных насосов, не говоря уже о проблеме "шума потока". Таким образом, можно сделать вывод, что термостатически сбалансированная сеть может работать при значительно меньшем перепаде давления и, следовательно, значительно меньшей гидравлической нагрузке на циркуляционные насосы, чем гидравлически сбалансированная сеть.

Резюме

Установка термостатических ограничителей температуры обратного потока

• обеспечивает автоматическую балансировку гидросистемы, т.е. без знания индивидуальных номинальных объемных расходов
• Повышает эффективность тепловых сетей благодаря динамической адаптации к частичной нагрузке, зависящей от среды.
• освобождает сеть от дополнительной работы насоса при эксплуатации балансировочных клапанов, приводимых в действие перепадом давления
• может использоваться с напольным отоплением в качестве индивидуального управления помещением - но без функции отключения
• признана и продвигается BAFA и KfW как, по крайней мере, эквивалентная и
• уже проверено тысячами раз.

Скачать техническую статью в формате PDF

< назад к техническим статьям