Термостаты в российских системах отопления

В. И. Сасин, директор ООО «Витатерм», член президиума НП «АВОК»

Больший эффект экономии теплоты на отопление (до 25—35 %) достигается комплексным оборудованием системы отопления не только индивидуальными термостатами, но и регуляторами у источника тепловой энергии или в ИТП (для пофасадного регулирования, для программирования режимов отпуска теплоты в отопительный период и т. п.).

С учетом изложенного с 01.07.94 г. в России введены в действие изменения в ряд строительных правил и норм, в частности, в СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование», в соответствии с которыми проектным и строительным организациям при проектировании и строительстве новых и реконструкции существующих зданий и сооружений необходимо, в частности, предусматривать оснащение отопительных приборов систем водяного отопления жилых и общественных зданий (за исключением расположенных на лестничных клетках, в вестибюлях зданий, переходах и т. п.), как правило, автоматическими терморегуляторами (термостатами).

В дальнейшем, ориентируясь в основном на задачу снижения непроизводительного расхода теплоты на отопление, московские нормативы (МГСН 2.01-99) и ряд региональных более жестко регламентировали необходимость применения термостатов. Тем не менее практика внедрения термостатов далека от требований этих нормативов.

Рассмотрим несколько причин такой ситуации.

Известно, что единственным производителем отечественных термостатов к моменту публикаций перечисленных требований являлось Казанское ПО «Теплоконтроль», выпускавшее «для внутреннего потребления» терморегуляторы «Комфорт», по своим характеристикам предназначенные лишь для двухтрубных систем отопления, а в СССР и в России в 1990-х годах доля этих систем составляла около 2 %, поскольку повсеместно применялись однотрубные системы отопления.

Специалисты фирмы «Данфосс» — первой пришедшей на российский рынок с термостатами мирового уровня, быстро поняли, что для широкого использования в России необходимо налаживать поставку и производство специальных термостатов пониженного гидравлического сопротивления, пригодных для однотрубных систем отопления. Такое решение было связано с тем, что традиционные зарубежные термостаты ориентированы на использование в двухтрубных системах отопления и характеризуются высоким гидравлическим сопротивлением, а также позволяют, как правило, осуществлять дополнительно к обычной регулировке температуры воздуха в помещении с помощью доступных для пользователя термостатических элементов (термостатических головок) и монтажную регулировку гидравлического сопротивления термостата. Это дает возможность погасить у отопительного прибора, оснащенного термостатом, около 80—85 % располагаемого напора в системе отопления и в то же время позволяет обеспечить разный уровень потерь давления на разных этажах многоэтажных зданий.

Используемый в системах отопления терморегулятор состоит из корпуса и термостатического элемента (головки) с рукояткой установки температурного режима и встроенным датчиком, заполненным специальной средой (воском, жидкостью или газовым конденсатом) (рис. 1). Изменение объема среды в датчике в зависимости от изменения температуры воздуха в помещении передается на положение штока термостата, в большей или в меньшей мере перекрывающего клапан для прохода теплоносителя в отопительный прибор, изменяя тем самым расход теплоносителя через прибор и его тепловой поток.

Рисунок 1. (подробнее) Автоматический терморегулятор

Первыми на отечественном рынке начали применять в основном проходные (прямые) и угловые модификации термостатов, затем стали использовать целые узлы (гарнитуры) для традиционного бокового подсоединения отопительных приборов при размещении подводящих теплопроводов в полу или плинтусе (рис. 2), в т. ч. и для одноместного подсоединения через одну нижнюю боковую пробку прибора. В дальнейшем термостаты стали встраивать непосредственно в отопительные приборы, а для их подсоединения к подводкам, расположенным в полу или в стене, стали использовать унифицированные Н-образные узлы (рис. 3). В тех случаях, когда эти узлы были оснащены байпасами для регулирования доли теплоносителя, затекающего в прибор, появилась возможность применять термостаты для двухтрубных систем в поквартирных системах отопления с горизонтальной однотрубной разводкой.

Рисунок 2. (подробнее) Гарнитура для бокового подключения отопительных приборов при нижней подводке теплопровода

Для традиционных решений бокового подключения отопительных приборов в однотрубных системах отопления со смещенным замыкающим участком рядом фирм («ГЕРЦ Арматурен», «Овентроп» и др.) были разработаны и представлены на российский рынок многочисленные модификации терморегулирующих узлов с трехходовыми термостатами, например, модели «Герц-УТК» (рис. 4). Эти узлы адаптированы для эксплуатации в системах отопления, подключенных даже по зависимой схеме, и позволяют регулировать коэффициент затекания, доводя его до 0,6, практически не изменяя гидравлического сопротивления узла в целом. Они могут монтироваться как на сварке, так и на резьбе при межосевом расстоянии замыкающего участка от 80 до 500 мм. Важно также, что ось штока этого трехходового термостата перпендикулярна стене, что позволяет использовать, как правило, автономные датчики, а не выносные, т. к. они не подвержены влиянию нагретого воздуха от термостата и теплопроводов.

Рисунок 3. (подробнее) Н-образные узлы с регулируемыми байпасами для подключения отопительного прибора к подводкам в полу или стене

Как известно, коэффициент затекания в отопительный прибор α_пр равен отношению количества теплоносителя, поступающего в этот прибор М_пр, к общему расходу воды в стояке М_ст (при одностороннем подсоединении прибора) или в магистрали и определяется по формуле:

(1)

Очевидно, что при оснащении отопительных приборов термостатами в однотрубных системах каждый узел подключения прибора должен иметь замыкающий участок (байпас), обеспечивающий пропуск теплоносителя через стояк или магистраль к другим приборам, если один из пользователей перекроет свой прибор. Поскольку от характеристики узла присоединения прибора, в частности от соотношения диаметров подводок и замыкающего участка, а также от гидравлического сопротивления прибора и термостата сильно зависит значение α_пр и, как следствие, теплопередача прибора, то стараются, во-первых, выполнять замыкающий участок смещенным и, по возможности, меньшего диаметра, чем у подводок, и, во-вторых, уменьшать гидравлическое сопротивление термостата.

Поскольку доля однотрубных систем отопления в России за последние 10 лет, несмотря на призывы повсеместно внедрять двухтрубные системы, уменьшилась в целом по стране незначительно (до 80—85 %), вслед за «Данфоссом» и ряд других зарубежных фирм, серьезно ориентированных на российский рынок, освоили производство и поставку термостатов пониженного гидравлического сопротивления. Отметим, что специалисты этих фирм, как правило, при разработке новой для них регулирующей арматуры учитывали разработанные ООО «Витатерм» рекомендации по гидравлическим, прочностным и эксплуатационным свойствам термостатов, предназначенных для использования в реальных российских условиях.

При подборе термостатов учитываются их дизайн, размеры, предельные параметры теплоносителя, при которых они будут работать, возможности монтажа и эксплуатации, в т. ч. ремонтопригодность без перекрытия стояков систем отопления и ценовые показатели. После анализа всех этих факторов, выбора конструкции терморегулятора и его термостатического элемента проектировщики осуществляют предварительный гидравлический расчет системы, который предопределяет размеры теплопроводов и отопительных приборов, необходимость установки той или иной запорно-регулирующей арматуры, а затем проводят окончательный расчет системы отопления и определяют ее стоимость.

Гидравлический расчет систем отопления, включающий наряду с трубами, отопительными приборами и другими элементами системы запорно-регулирующую и регулирующую (термостаты) арматуру, проводится по существующим методикам с применением основных расчетных зависимостей, изложенных в специальной справочно-информационной литературе [1, 2].

В общем случае при гидравлическом расчете систем отопления потери на трение теплопроводов и преодоление местных сопротивлений следует определять по методу «характеристик сопротивления»:

(2)

или по методу «удельных линейных потерь давления»:

(3)

где ∆Р — потери давления на трение и преодоление местных сопротивлений, Па;

S = Аζ‘ — характеристика сопротивления участка теплопроводов, равная потере давления в нем при расходе теплоносителя 1 кг/с, Па/(кг/с)2;

А — удельное скоростное давление в теплопроводах при расходе теплоносителя 1 кг/с , Па/(кг/с)²;

ζ‘ = — приведенный коэффициент сопротивления рассчитываемого участка теплопровода;

λ — коэффициент трения;

d_вн — внутренний диаметр теплопровода, м;

λ/d_вн — приведенный коэффициент гидравлического трения, 1/м;

L — длина рассчитываемого участка теплопровода, м;

Σζ — сумма коэффициентов местных сопротивлений на рассчитываемом участке сети;

M — массный расход теплоносителя, кг/с;

R — удельная линейная потеря давления на 1 м трубы, Па/м;

Z — местные потери давления на участке, Па.

Гидравлические характеристики регулирующей арматуры в отечественной практике обычно представлены коэффициентом местного сопротивления ζ и характеристикой сопротивления S или перепадом сопротивления (потерями давления) ∆Р на рассматриваемом участке при различных расходах теплоносителя М и различных уровнях предварительной монтажной и текущей настроечной регулировок.

При нахождении гидравлических характеристик термостатов ζ = ζ‘.

В зарубежной практике для характеристики термостатов используются расходные коэффициенты К_v и К_vs. Первый определяет расход теплоносителя М в м³/ч при определенном положении устройства предварительной монтажной настройки, подъеме шпинделя над седлом клапана, соответствующем настроечному режиму погрешности регулирования на 1 К, 2 К или 3 К (на 1 , 2 или 3 °С), второй — при максимальном подъеме шпинделя (при снятых термостатической головке и защитном колпачке) и максимальном открытии устройства для монтажной настройки при перепаде давления на клапане ∆Р равном 1 бару (0,1 МПа).

Значение К_v (и К_vs при указанных выше условиях) вычисляют по формуле:

(4)

Следует отметить, что эта формула весьма своеобразна, т. к. фактически вольно обращается с размерностью: М в м³/ч (в некоторых изданиях более правильно в т/ч, тогда вместо k_v следует принимать обозначение k_м) и ∆Р в барах, причем чаще показывают К_v (или k_м) не по полной размерности, а лишь как расходную характеристику — м³/ч (или т/ч) — без учета размерности перепада давления.

После преобразования формул (2), (3) и (4) имеем:

(5)

Затем, устраняя несоответствия в размерностях и принимая значения А по известным справочным материалам, получим:

(6)

или для полного открытия клапана

(7)

где с₁ — коэффициент, устраняющий несоответствие в размерностях, использованных в формуле аргументов (с некоторой погрешностью из-за температурного фактора).

В первом приближении с допустимой для практических гидравлических расчетов погрешностью можно принять при d_у 15 мм с₁= 97,3 и при d_у 20 мм с₁ = 324 при условии, что расход теплоносителя определяется в кг/с, а перепад давления ∆Р — в Па.

Очевидно, что из тех же формул можно получить, что:

(8)

(9)

Значения с₁ и с₂ зависят также от температуры теплоносителя при испытаниях термостатов и ряда других факторов, причем с₂ = 1,37•с₁ при d_у15 и с₂ = 0,412•с₁ при d_у20, т. е. в обоих случаях с₂ = 133,3. Очевидно, что размерность S соответствует указанной для уравнения (2).

Следует учесть, что принятый при определении К_v перепад давления на клапане в 1 бар не всегда практически выполним: максимальный перепад давления на клапане обычно не должен превышать 0,3 бар.

Отметим, что рекомендуемый предел этого перепада для большинства конструкций термостатов составляет от 0,1 до 0,2 бар (иначе нарушается нормальная работа термостата, в частности, эквивалентный уровень шума может превышать 25 дБ). Поэтому, согласно EN 215, в качестве нормативного перепада принят ∆Р = 0,1 бар (0,01 МПа), а номинальное значение расходных коэффициентов К_v или К_vs определяется расчетным способом по формуле (4), хотя при этом вносится погрешность из-за неквадратичности зависимости перепада давления от расхода теплоносителя, различной у разных термостатов. Поэтому в ряде случаев термостаты с лучшими значениями К_v по расчету, исходя из опытов при ∆Р = 0,1 бар, могут иметь реально несколько худшие значения К_v при определении их непосредственно при ∆Р = 1 бар (при наличии такой возможности).

Как известно, согласно российским нормативам, ориентированным на однотрубные системы отопления, расход теплоносителя через отопительный прибор М_пр принят равным 0,1 кг/с (360 кг/ч) [3]. Очевидно, что при монтаже термостата у отопительного прибора в однотрубной системе и необходимой при этом установке замыкающего участка (байпаса), доля теплоносителя, проходящего через прибор М_пр, существенно меньше 0,1 кг/с и определяется коэффициентом затекания α_пр согласно зависимости (1).

По данным ООО «Витатерм», значения коэффициента затекания при использовании термостатов относительно низкого гидравлического сопротивления (ζ = 25—65) находятся обычно в пределах 0,15—0,3, т. е. характерный расход через прибор в этих условиях должен составлять 50—100 кг/ч.

В двухтрубных системах отопления при расчетных параметрах теплоносителя 95—70 °С обычно М_пр = 25—75 кг/ч, а при зарубежных рекомендациях по этим параметрам (75—65 °С) этот же расход составляет 50—150 кг/с [4].

Несмотря на новые европейские рекомендации по снижению расчетных температур теплоносителя и увеличению его расхода, стандарт EN 215 регламентирует номинальный расход теплоносителя равным 36 кг/ч. В связи с этим в общем случае испытателям целесообразно давать для проектировщиков значения ζ и S при различных расходах теплоносителя, например, при 36 и 90 кг/ч, т. к. значения ζ и S , как указывалось, не являются постоянными из-за фактической неквадратичности зависимости ∆Р от М_пр. В то же время, если различие ζ и S  при разных расходах теплоносителя не столь значительно, то их можно определять при усредненных расходах теплоносителя, например, в пределах 60—72 кг/ч (для случаев оснащения отопительных приборов термостатами).

При разработках рекомендаций по применению различных отопительных приборов ООО «Витатерм» в последнее время ориентируется на значения М_пр = 60 кг/ч и М_пр = 360 кг/ч.

Обычно фирмы, представляющие свои термостаты, сопровождают проспекты на них графиками зависимостей ∆Р = f (М) при различных режимах монтажной настройки (степени открытия дополнительного «обводного» канала в теле корпуса термостата). Для термостатов двухтрубных систем отопления — это линии в логарифмических координатах при 1-м, 2-м и последующих настроечных режимах, а также при полном открытии клапана (при снятой термостатической головке) при температурной настройке на режим 2К.

Для термостатов однотрубных систем отопления, не имеющих монтажной регулировки, аналогичные зависимости даются при настройке термостатической головки на температурный режим 2 К (2 °С), иногда дополнительно на 1 К и 3 К и также на полное открытие клапана. Эти данные затем используются при гидравлических расчетах системы отопления, а на основе значений К_v или после пересчета их на значения ζ вычисляются коэффициенты затекания и определяются необходимые площади нагрева отопительных приборов.

ООО «Витатерм» в своих рекомендациях по применению отопительных приборов приводит усредненные значения α_пр при различных соотношениях диаметров труб узлов присоединения в однотрубных системах отопления при их настройке на режим 2 К.

В первом приближении при α_пр = 0,2; 0,25 и 0,3 площадь поверхности нагрева отопительных приборов при этом режиме придется принимать с увеличением соответственно примерно на 22, 15 и 8 % по сравнению со случаем, когда α_пр = 1.

Если расчет ведется на режим 1 К, то «запас» по теплоотдающей поверхности должен увеличиться примерно вдвое, на режим 3 К — уменьшиться вдвое от приведенных выше значений.

Согласно данным ООО «Витатерм», для однотрубных систем отопления допустимо применять термостаты с К_v ≥ 1,2 (при настройке на режим 2 К). Лучше, если эти значения превышают 1,5 и приближаются к 2. Такими показателями характеризуются термостаты фирмы «Данфосс» модели RTD-G (для установки на подводках условным диаметром 15, 20 и 25 мм) и РТД 1 для встраивания в отопительные приборы, фирмы «ГЕРЦ Арматурен» модели ТS-Е (под диаметры подводок 15, 20 и 25 мм) и для встраивания в приборы ГЕРЦ Г1, фирмы «Комап» модели «Comap 830 3/4") и специальный термостат фирмы «Хаймайер» для патрубков диаметром 20 мм и фирмы «Хоневелл» модели Н (для патрубков диаметром 15, 20 и 25 мм). В однотрубных системах отопления очень выгодно, как указывалось, применять адаптированные к российским условиям трехходовые термостаты фирм «ГЕРЦ Арматурен» и «Овентроп».

Практически любые термостаты можно применять при использовании Н-образных узлов, но в этом случае надо тщательно подбирать насосы соответствующих напоров и мощностей.

Для двухтрубных систем монтажная установка определяет гидравлическое сопротивление термостата также при настройке на режим 2 К и в конечном итоге общее сопротивление системы и выбор типа насоса.

Термостаты для двухтрубных систем отопления характеризуются значениями К_v обычно в пределах 0,5—0,9, и для них не столь важно это значение, т. к. главная задача — это, как указывалось, погасить 80—85 % напора именно у отопительного прибора. В этом случае возможные ошибки при проектировании, монтаже и эксплуатации систем отопления в значительной мере устраняются.

Следует особо указать, что расчетный режим настройки датчика термостата на 2 К предопределяет подъем клапана над седлом: жидкостного на 0,43—0,45 мм, газоконденсатного на 0,56—0,58 мм. Из этого следует, как важно обеспечить высокую чистоту теплоносителя в системе отопления, оснащенной термостатами, во избежание их загрязнения. Согласно данным ООО «Витатерм», это требование более актуально из-за опасности загрязнения «обводного» отверстия устройства монтажной регулировки термостатов для двухтрубных систем, чем постоянно меняющегося в период эксплуатации и поэтому способного в определенной мере к самоочистке зазора между штоком и седлом клапана.

С учетом изложенного, ООО «Витатерм» не рекомендует вести монтажную настройку на позиции 1, 2 и даже 3, т. к. в период эксплуатации они быстро загрязняются, а иногда дают эффект локального завоздушивания внутри корпуса термостата.

По этой же причине для двухтрубных систем отопления за рубежом в последнее время стали применять более дешевые термостаты без устройства для монтажной настройки, а монтажную настройку осуществлять расположенным на второй подводке ручным регулятором, который к тому же выполняет роль циркуляционного тормоза.

Укажем, что, например, при полном закрытии проходного или углового термостата, расположенного на верхней подводке, остаточная теплоотдача отопительного прибора мощностью около 1 кВт составляет 35—42 % при условном диаметре подводок 20 мм и 25—32 % при диаметре 15 мм. Поэтому рекомендуется или устанавливать термостат на нижней подводке, или дополнительно монтировать циркуляционный тормоз, или выполнять замыкающий участок профильным с использованием эффекта элеватора (в однотрубных системах), или совмещать автоматический и ручной регуляторы по указанному выше принципу.

Следует иметь в виду, что термостат является не запорной, а регулирующей арматурой (особенно это замечание относится к термостатам с защитой от замерзания). Поэтому при необходимости снятия отопительного прибора, например, для его ремонта или замены можно использовать термостат в качестве запорной арматуры при выполнении работ в следующей последовательности:

- снять термостатическую головку;

- специальным металлическим или упрочненным пластмассовым колпачком закрыть полностью термостат;

- снять отопительный прибор;

- со стороны снятого прибора на термостат установить заглушку.

В заключение отметим, что термостаты — это необходимый, но отнюдь не достаточный элемент системы отопления, дающий возможность свести практически до минимума непроизводительный расход теплоты на отопление и оптимизировать его как в традиционных жилых и общественных, так и в интеллектуальных зданиях.

Однако если для интеллектуального здания насыщение его полной инфраструктурой для обеспечения высокого уровня комфорта при оптимальных затратах энергии воспринимается как естественное решение его инженерных систем, то для обычных жилых и общественных зданий полагают зачастую достаточным лишь установку термостатов без надлежащего оснащения другой запорно-регулирующей арматурой и жесткого контроля за качеством теплоносителя и уровнем эксплуатации. Эта ситуация приводит к существенно меньшему эффекту в энергосбережении, чем предусмотрено нормативами.

Рисунок 4. (подробнее) Трехходовые термостаты для однотрубных систем отопления

Отметим также, что если система отопления здания не оснащена надежными, вандалозащищенными и доступными для контроля и ремонта узлами учета потребления тепловой энергии, а также не решены законодательные, технические и социальные вопросы по этому учету, то положительные качества термостатов могут превратиться в негативные. Уже будет недостаточно сказать, что при «форточном» регулировании теплового режима ухудшаются комфортные условия в помещениях из-за чрезмерного снижения относительной влажности, что сквозняк не лучший способ для закалки организма, а лишь увеличивает риск замерзания отопительного прибора, чтобы, ссылаясь на требования по экономии тепловой энергии, обосновать весьма значительные затраты на дополнительную запорно-регулирующую арматуру, в т. ч. термостаты.

Отрицательную реакцию дают и факты безграмотных проектирования, монтажа и эксплуатации систем отопления. Так, зачастую в узлы однотрубных систем отопления устанавливают термостаты повышенного гидравлического сопротивления для двухтрубных систем, резко снижая при этом теплоотдачу отопительных приборов.

Известна практика установки в системах отопления без согласования с жильцами термостатов с фиксированным ограничителем по температуре воздуха в помещении, например, в пределах 21 °С. Мало того, что эта температура ниже регламентированной СНиПом для целого ряда помещений жилых зданий, так и желание жильца повысить температуру воздуха за свой счет до комфортной для него с помощью, например, электронагревателя ничего, кроме лишних денежных затрат не даст, т. к. при превышении фиксированной температуры воздуха в помещении, термостат штатного отопительного прибора будет снижать его тепловую мощность. Эта ситуация нарушает права потребителя и очень часто приводит к съему термостатической головки или к демонтажу термостата, что в свою очередь ведет к разрегулировке системы отопления.

Если обеспечить работоспособность инфраструктуры системы отопления в необходимой мере не удается, например, из-за ограниченного финансирования или из-за отказа производителей тепловой энергии принимать к эксплуатации ИТП с насосными установками, ориентируясь на нетребовательные, но плохо регулируемые элеваторные вводы, то лучше ограничиться традиционными решениями систем отопления с ручной регулирующей арматурой, не дискредитируя очень важную и необходимую идею повсеместного применения термостатов. Такое решение стало возможным, поскольку с 2003 года обязательность применения в РФ тех или иных ГОСТов, СНиПов, МГСН и др. нормативных требований определяется договором между заказчиком и строителями.

Литература

1. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 1. Отопление / Под ред. И. Г. Староверова. М.: Стройиздат, 1990.

2. Альтшуль и др. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1987.

3. Методика определения номинального теплового потока отопительных приборов при теплоносителе воде / Г. А. Бершидский, В. И. Сасин, В. А. Сотченко. М.: НИИсантехники, 1984.

4. Сасин В. И. К вопросу о снижении расчетных параметров теплоносиетля в системах отопления // АКВА-ТЕРМ. 2002. № 1.

 

Тел. (095) 482-38-79