Автоматическое регулирование систем отопления с применением регулятора Т-48

В. И. Ливчак, начальник отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы

В 1978 году по техническому заданию МНИИТЭП и Челябинскгражданпроекта при участии Госгражданстроя Госстроя СССР СКБ Прибор (г. Орел) закончил разработку регулирующего прибора Т-48 для систем отопления. Прибор для производства передан в Могилев-Подольский приборостроительный завод и в Улан-Удэнский завод «Теплоприбор» им. 60-летия СССР.

Прибор Т-48 предназначен для автоматического регулирования расхода тепла в системе отопления на центральных и индивидуальных тепловых пунктах, а также для автоматического регулирования температуры в системах приточной вентиляции, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения путем воздействия на клапаны с электрическим приводом. Прибор построен по блочно-модульному принципу, позволяющему выпускать его в различных модификациях. Первая, вторая, третья и пятая модификации предусматривают регулирование температурных параметров теплоносителя, четвертая (выполненная по заданию Челябинск-гражданпроекта) – температуры внутреннего воздуха.

В модификациях прибора, выполненных по заданию МНИИТЭП, предусмотрено регулирование разности температур воды в подающем и обратном трубопроводах систем отопления либо температуры воды в подающем трубопроводе по графику отопительных систем в зависимости от температуры наружного воздуха. Причем регулятор при определенном значении t_н воздуха и дальнейшем ее понижении поддерживает постоянное значение регулируемого параметра теплоносителя, исключая разрегулировку тепловых сетей, работающих по графику с верхней срезкой. Это значение tн воздуха является одной из реперных точек графика отопительных систем, при которой расход тепла на отопление является предельным.

Другой характерной реперной точкой этого графика является значение температуры наружного воздуха, при которой теплоотдача системы отопления равна нулю, что и позволяет регулятору поддерживать для каждого объекта график расхода тепла с учетом фактической относительной доли внутренних тепловыделений.

Предусмотренная в приборе реализация графика разности температур воды значительно повышает точность регулирования отпуска тепла и облегчает наладку и эксплуатацию системы авторегулирования. Во-первых, график разности температур воды является линейным в отличие от нелинейного графика температуры воды в подающем трубопроводе системы отопления, а прибор может поддерживать только линейный график. Во-вторых, при постоянстве расхода воды в системе отопления, что является характерным и необходимым, график разности температур воды позволяет реализовать непосредственно требуемый график отпуска тепла, имеющий также линейный характер. При этом не требуется знать теплотехнические характеристики регулируемой системы отопления, т. к. регулятор в процессе работы автоматически выходит на поддержание необходимой, согласно графику расхода тепла, температуры воды в подающем трубопроводе системы отопления.

В связи с тем, что определение расчетных теплопотерь и подбор нагревательных приборов для систем отопления проводили по различным методикам, для реализации графика отпуска тепла, построенного для всех зданий по единым методическим принципам, потребовалось бы на каждом объекте поддержание индивидуального графика температур воды в подающем трубопроводе. Для определения этого графика необходимо проведение специальных эксплуатационных тепловых испытаний систем отопления. Реализация графика разности температур воды дает возможность персоналу, осуществляющему наладку и эксплуатацию систем, не проводить таких испытаний.

Для учета дополнительных (кроме температуры наружного воздуха) факторов (солнечная радиация, ветер и т. д.), влияющих на отпуск тепла в системы отопления, во второй и третьей модификациях прибора предусмотрена коррекция графика отпуска тепла при отклонениях температуры внутреннего воздуха от заданного значения (Выделено редакцией как решение, предваряющее метод регулирования отопления, предлагаемый профессором В. Б. Харитоновым).

Степень коррекции зависит от знака отклонения. При снижении температуры внутреннего воздуха степень коррекции небольшая, а при повышении – значительная. Это объясняется различием возмущающих факторов. Так, снижение температуры внутреннего воздуха происходит в результате действия ветра, которое может потребовать увеличения теплоотдачи системы в пределах 10–20 %. При этом важно исключить необоснованное повышение теплоотдачи в результате некоторого снижения температуры внутреннего воздуха, происходящего при проветривании квартир. Поэтому необходимо, чтобы увеличение теплоотдачи сопровождалось некоторым (достаточно ощутимым) снижением температуры внутреннего воздуха. Это позволяет избежать разгерметизации здания. Увеличение теплоотдачи в пределах 10–20 % необходимо обусловить снижением температуры внутреннего воздуха примерно до 20 °С против обычно поддерживаемого значения комфортного уровня в 21 °С.

Повышение же температуры внутреннего воздуха происходит в результате действия солнечной радиации, которая по величине может превышать теплоотдачу системы отопления. Важно, чтобы отработка этого возмущения происходила при незначительном повышении температуры внутреннего воздуха, для того чтобы, как и в первом случае, избежать проветривания квартир, к которому будет побуждать повышение температуры внутреннего воздуха t_в. Возможность изменения степени коррекции в зависимости от знака отклонения t_в позволяет поддерживать температуру внутреннего воздуха на комфортном уровне при минимально необходимом расходе тепла.

В связи с разной относительной долей бытовых тепловыделений в квартирах верхних и нижних этажей из-за разной величины расчетной инфильтрации в них, а также в связи с изменением инфильтрации в зависимости от температуры наружного воздуха в зданиях повышенной этажности может возникнуть необходимость в осуществлении вертикального регулирования системы отопления, в процессе которого будет меняться соотношение теплоотдачи приборов верхних и нижних этажей. Для этой цели служит прибор третьей модификации, в котором при появлении разницы в температурах внутреннего воздуха помещений верхних и нижних этажей формируется команда по трехпозиционному закону на второй исполнительный механизм, осуществляющий изменение расхода воды в местной системе отопления.

Во второй и третьей модификации прибора предусмотрена возможность временного снижения, например, в ночное время, заданного значения температуры внутреннего воздуха на определенную величину – к регулятору дополнительно подключается выносное программное реле времени.

Кроме того, регулятор позволяет производить непосредственное измерение параметров системы авторегулирования с помощью дискретного оптического индикатора, встроенного в прибор, а также имеет аналоговый выход 2,5 мВ/°С для подключения показывающего или записывающего выносного прибора, измеряющего отклонение фактического значения параметра от заданного. При использовании оптического индикатора точность измерения составляет 0,2 от величины отклонения. Измерение может быть произведено по следующим параметрам:

– осредненная температура внутреннего воздуха;

– разница между средними температурами верхних и нижних этажей;

– температура наружного воздуха;

– разница между температурами воды в подающем и обратном трубопроводах или температура воды в подающем трубопроводе;

– положение исполнительного механизма;

– индикация наличия и знака команды на исполнительный механизм.

С помощью выносного прибора можно осуществлять одновременное измерение первого, третьего и четвертого параметров.

В регулирующем блоке (БР) регулятора для основного канала регулирования предусмотрена возможность реализации астатического с постоянной скважностью импульсов трехпозиционного регулирования с регулируемой зоной нечувствительности («РС» закон); интегрального закона (И) с зоной нечувствительности 0,3 °С и пропорционально-интегрального закона (ПИ) с устанавливаемыми по шкале зоной пропорциональности и зоной нечувствительности. Реализация заданного закона регулирования осуществляется изменением продолжительности паузы при постоянной длительности импульса, определяемой настройкой 0,3–3 с.

В блоке коммутации регулятора предусмотрены преобразование аналогового сигнала напряжения регулирующего блока в трехпозиционный сигнал и подача на исполнительный механизм двух команд по выбранному закону регулирования. Блок коммутации может быть контактным (БК) для контактного управления двумя исполнительными механизмами при помощи исполнительных реле или бесконтактным (ББК) для бесконтактного (симисторного) управления исполнительным механизмом. В блоке коммутации предусмотрено также ручное управление одновременно двумя исполнительными механизмами для контактного исполнения и одним исполнительным механизмом для бесконтактного управления.

В качестве регулирующего органа принимается клапан 25ч931нж с исполнительным механизмом ПР-1м со временем хода 120 с или аналогичный ему болгарский клапан.

Применение регулятора Т-48 в системах отопления

Для регулирования расхода тепла систем отопления группы зданий применяется прибор Т-48-1, осуществляющий регулирование разности температур воды в подающем и обратном трубопроводах квартальных сетей отопления или только температуры воды в подающем трубопроводе в зависимости от изменения температуры наружного воздуха по заданному графику до предельной заданной t_{н мин}, при t_н < t_{н мин} обеспечивается поддержание постоянной температуры воды.

В зависимости от условий присоединения ЦТП к тепловым сетям рекомендуемые схемы автоматизации тепловых пунктов представлены на рис. 1. При располагаемом напоре на вводе в ЦТП менее 40 м вод. ст. (исходя из сопротивления квартальных сетей отопления с элеватором 25 м) и давлении в подающем трубопроводе теплосети на 30 м вод. ст. больше статического давления системы отопления самого высокого здания, подключенного к данному ЦТП, применяется схема с насосами на обратном трубопроводе тепловой сети.

Рисунок 1 (подробнее)   Рекомендуемые схемы автоматизации ЦТП а) при установке насосов отопления на обратном трубопроводе; б) фрагмент схемы при установке насосов на подающем трубопроводе; в) фрагмент схемы при независимом присоединении квартальных сетей отопления

При располагаемом напоре на вводе в ЦТП менее 40 м вод. ст. и давлении в подающем трубопроводе менее чем на 30 м вод. ст. превышающем статическое давление системы отопления здания применяется схема с насосами на подающем трубопроводе тепловой сети. Если же при этом давление в обратном трубопроводе будет больше превышающего механическую прочность системы, применяется независимое присоединение.

Для регулирования пофасадных систем отопления применяется прибор Т-48-2, осуществляющий, в дополнение к тем функциям, которые выполняет прибор Т-48-1, корректировку принятого температурного графика при отклонении усредненной по нескольким (до восьми) показаниям датчиков температуры внутреннего воздуха в квартирах от заданной.

Рекомендуемые схемы автоматизации пофасадных систем отопления представлены на рис. 2.

Рисунок 2 (подробнее)   Рекомендуемые схемы автоматизации системы отопления с пофасадным регулированием а) при установке насоса на обратном трубопроводе; б) при установке насоса на подающем трубопроводе

Для пофасадного и вертикального регулирования вертикально-однотрубных систем отопления зданий повышенной этажности применяется прибор Т-48-3, осуществляющий, в дополнение к тем функциям, которые выполняет прибор Т-48-2, по отдельному каналу регулирование разности температур воздуха верхних и нижних этажей здания, усредненных в пределах каждой группы по нескольким (до четырех) датчикам. Рекомендуемые схемы автоматизации вертикально-однотрубной «опрокинутой» системы отопления с пофасадным и вертикальным регулированием представлены на рис. 3.

Рисунок 3 (подробнее)   Рекомендуемые схемы автоматизации системы отопления с пофасадным и вертикальным регулированием а) при независимом присоединении; б) при зависимом присоединении

Соответствие заданному графику температуры воды в подающем трубопроводе системы отопления достигается воздействием на клапан К-1, который изменяет расход сетевой воды. Корректировка температурного графика в зависимости от отклонения средней температуры воздуха в квартирах всего фасада от заданной осуществляется по тому же каналу регулирования путем воздействия на тот же клапан К-1. При повышении температуры воздуха в квартирах верхних этажей здания по сравнению с нижними этажами от регулятора по второму каналу регулирования поступает сигнал на закрытие клапана К-2 до 50 % сокращения расхода, циркулирующего в системе отопления. При этом за счет сокращения циркуляционного расхода воды в отопительные приборы верхних этажей вода поступает со сниженной температурой, что повлечет уменьшение температуры воздуха верхних этажей и приближение ее к температуре воздуха в нижних этажах. При отрицательной разнице температур воздуха верхних и нижних этажей клапан К-2 откроется.

Применение регулятора Т-48 в системах вентиляции и кондиционирования воздуха

Функциональные возможности регуляторов позволяют эффективно использовать их для автоматизации нагрева воздуха в системах вентиляции. В частности, целесообразно использовать регуляторы для автоматического регулирования нагрева наружного воздуха в системах приточной вентиляции и в 1-м подогреве кондиционеров, т. к. регулятор Т-48-2 может одновременно с регулированием основного параметра обеспечить защиту калориферов от замерзания, причем более эффективно, чем это принято в существующих проектах.

Рекомендуемая схема представлена на рис. 4. Измерение температуры приточного воздуха t1 производится термометром, предназначенным по функциональной схеме регулятора для измерения температуры теплоносителя, измерение температуры обратной воды – термометром, предназначенным для измерения температуры внутреннего воздуха; а вместо термометра, измеряющего температуру наружного воздуха, устанавливается постоянное омическое сопротивление. В регуляторе отключается автокоррекция по температуре внутреннего воздуха выше заданной (соответствующий автокорректор устанавливается в положение «0»). Заданная температура внутреннего воздуха устанавливается на значение минимально допустимой температуры обратной воды.

Рисунок 4 (подробнее)   Применение регулятора Т-48-2 в системах вентиляции с защитой от замерзания

Управление осуществляется следующим образом. В нормальном режиме, пока температура обратной воды выше допустимой, регулятор поддерживает заданную температуру приточного воздуха либо заданную температуру после форсуночной камеры. В режимах, когда температура обратной воды снижается до минимально допустимой, автоматически корректируется (повышается) заданная температура приточного воздуха, пока не стабилизируется температура обратной воды на допустимом уровне. Таким образом, при наступлении опасного режима происходит не аварийное выключение системы или полное открытие клапана, а некоторое нарушение заданных параметров: несколько повышается температура приточного воздуха с тем, чтобы температура обратной воды стала не ниже предельного значения минимально допустимой. Аналогичная технология авторегулирования предусматривается Моспроектом-2 в системах пневмоавтоматики центральных кондиционеров.

Второй целесообразной областью применения регуляторов Т-48-2 в системах вентиляции являются установки, в которых регулирование нагрева или охлаждения воздуха осуществляется по температуре внутреннего воздуха в помещениях. Трудности в этом случае возникают в связи с большой инерционностью регулируемого объекта, состоящего из калориферов, каналов, помещения и датчика, что приводит к длительному выходу на режим либо к потере устойчивости. Схема регулирования такой установки с применением регулятора Т-48-2 представлена на рис. 5. По этой схеме датчик температуры теплоносителя устанавливается для измерения температуры приточного воздуха, остальные датчики устанавливаются в соответствии с функциональным назначением прибора.

Рисунок 5 (подробнее)   Применение регуляторов Т-48-2 в системе вентиляции с регулированием температуры помещений

Температура приточного воздуха при этом поддерживается по графику в зависимости от температуры наружного воздуха в системах воздушного отопления или поддерживается постоянной в системах вентиляции. Этот контур регулирования, поскольку он включает только малоинерционную часть объекта, позволяет обеспечить динамически устойчивый процесс регулирования с коротким временем выхода на ражим.

Второй контур регулирования, изменяющий заданное значение температуры приточного воздуха пропорционально отклонению температуры внутреннего воздуха, благодаря пропорциональной связи входного (температура внутреннего воздуха) и выходного (температура приточного воздуха) параметров этого контура, может обеспечить поддержание температуры внутреннего воздуха в узких пределах 0,5–1 °С в динамически устойчивом режиме. Для этого необходимо степень коррекции температуры приточного воздуха устанавливать в соответствии с реальной величиной внешних возмущающих воздействий, что облегчается возможностью устанавливать расчетную степень коррекции в зависимости от знака отклонения.

Вывод

Применение электронного регулятора Т-48 позволяет осуществлять автоматическое регулирование расхода тепла на отопление как в центральных, так и в индивидуальных тепловых пунктах, а также автоматическое регулирование нагрева воздуха в системах приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. При этом достигается значительное сокращение расхода тепловой энергии при обеспечении комфортных условий в отапливаемых и кондиционируемых помещениях.