Автоматизация инженерных систем.
Комплектные приточные вентиляционные системы

И. Д. Степанов, государственный эксперт, отдел инженерного обеспечения Главгосэкспертизы

В 90-х годах прошлого века проектирование в нашей стране почти не велось. Когда потребовалось реализовывать желания новых состоятельных людей, выяснилось, что приобрести определенное оборудование в России стало практически невозможно, поскольку его перестали выпускать. Обратились за рубеж. Но зарубежные производители должны поставлять оборудование в нашу страну по соответствующей лицензии и с сертификатом соответствия. Вот и пришлось зарубежным поставщикам оборудования подгонять это оборудование под российские требования. Но поскольку у поставщика на первом месте стоит продажа товара, то о научном подходе к решениям такого рода задач речи не идет – важно получить лицензию на продажу. Так в нашей стране, в частности, появились комплектные приточные вентсистемы, изображенные на рис. 1. Отечественные производители не остались в стороне и тоже стали выпускать продукцию по аналогичной компоновке. Нашлись люди, которые подвели некую теоретическую базу под подобные решения, не слишком задумываясь над тем, насколько это правильно. Мало того, отражение по­­добных решений появилось в нормативных документах.

Так, в пункте 7.8.2 СНиП–41–01 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» упоминается необходимость использования насоса в обвязке калорифера (и в редакции 2003 года, и в новом, предварительно представленном варианте).

Когда ошибка единична – это просто ошибка. Когда ошибка превращена в систему и подтверждена нормами – это уже техническая диверсия. Можно сказать, что эта техническая диверсия удалась.

Обидно то, что подавляющее большинство исследований и разработок в мире в области вентиляции, кондиционирования воздуха, котлостроения, теплотехники, гидравлики, гидродинамики приходится на нашу страну. Для прочтения только библиографии потребуется не менее суток. Однако все забыто, все начинается сначала.

Рассмотрим рис. 1. Что в нем неправильно?

Рисунок 1. Схема комплектной приточной вентиляционной системы

Начнем с трехходового регулирующего клапана.
Использование таких клапанов в обвязке калориферов недопустимо. Они используются, когда обеспечено постоянное давление в точке смешивания двух сред независимо от того, в каком положении находится шток клапана. Разница в давлении двух сред может быть не более 0,5 м вод. ст. В данном случае давление в подающем и обратном трубопроводе разное. Трехходовой регулирующий клапан через 5–6 часов после пуска системы выйдет в автоколебательный режим.

В обвязке калориферов регулирующие клапаны должны быть только двухходовые. Причем, при теплоносителе «вода» клапан должен устанавливаться на обратном трубопроводе, при теплоносителе «пар» – на подающем.

Желательно (это особенно важно для систем с повышенными требованиями к точности регулирования), чтобы регулирующий клапан с теплоносителем «вода» имел логарифмическую расходную характеристику, а при теплоносителе «пар» – линейную. Сейчас все предприятия, и в России, и за рубежом, выпускают регулирующие клапаны и с теми, и с другими характеристиками. Достаточно не забыть учесть это в заказной спецификации.

Рассмотрим роль насоса.
Насос в обвязке калорифера ни на подающем трубопроводе, ни на обратном устанавливаться не должен и, тем более, не должен постоянно работать. Поясню, почему:

1. Предположим, из теплового пункта к калориферу подается вода с температурой 130 °С. Требуется поддерживать температуру приточного воздуха, допустим, 20 °С. Для того чтобы с помощью теплоносителя с такой температурой нагреть воздух до 20 °С, требуется калорифер определенной площади поверхности теплоотдачи.

Если работает насос, к горячей воде из теплового пункта подмешивается охлажденная вода из обратного трубопровода. Следовательно, в калорифер поступает теплоноситель с температурой значительно ниже, чем 130 °С (около 100 °С).

В этом случае, чтобы поддерживать температуру приточного воздуха 20 °С, потребуется калорифер с большей поверхностью теплоотдачи, а это и больше металла, и больший объем оборудования, и больше вес, и больше площади. Увеличение калорифера осуществляется не только за счет увеличения рядов трубок, но и за счет увеличения живого сечения калорифера, что, в свою очередь, ведет к снижению весовой скорости воздуха (1) и к увеличению времени запаздывания регулирования, как следствие, снижается вероятная возможность для устойчивой работы системы:

(1)

где G – количество воздуха, проходящего через калорифер, кг/ч;
f – живое сечение калорифера, м².

Отсутствие методики определения динамики сооружений при проектировании делает невозможным расчет важных для автоматизации объекта регулирования параметров, в частности, термовлагодинамики. Это можно рассчитать, только сняв соответствующие характеристики на действующей системе. Но мы знаем, от чего зависят эти параметры и какое они имеют значение для устойчивости системы, так, время запаздывания зависит от технических характеристик элементов объекта регулирования (инерционность датчика, инерционность регулирующего органа и т. д.), в том числе и от весовой скорости воздуха в данном случае.

Экспериментально установлен интервал в значениях весовой скорости воздуха: 4–10 кг/м²•с.

При весовой скорости больше 10 кг/м²•с меньше габариты вентсистемы, выше вероятность ее более устойчивой работы с точки зрения поддержания заданных параметров, однако, требуется более мощный двигатель вентилятора, чтобы преодолеть сопротивление малогабаритной системы, и усложняется борьба с шумами. При весовой скорости меньше 4 кг/м²•с габариты вентсистемы больше, хуже качество регулирования, но вентилятор потребуется меньшей мощности.

2. При постоянной (непрерывной) работе насоса коэффициент теплопередачи калорифера, при уже подобранном конструктиве, будет величиной постоянной, поскольку зависит от весовой скорости воздуха, проходящего через калорифер, и от скорости воды в трубках калорифера. Весовая скорость воздуха определяется возможностями вентилятора и является для конкретной системы величиной определенной и постоянной. При постоянной работе насоса скорость воды в трубках также будет величиной постоянной.

При расчете площади поверхности калорифера обязателен расчет скорости потока воды в трубках калорифера (2):

(2)

где Q – количество тепла, необходимое для нагрева воздуха от отрицательной расчетной величины до заданного значения температуры приточного воздуха, ккал/ч;

Т_Г – температура прямой сетевой воды (расчетное значение), подаваемой в калорифер, °С;

Т_О– температура обратного теплоносителя (расчетное значение), °С;

f_ТР – живое сечение трубок калорифера, м².

Заданное значение скорости потока воды в трубках калорифера без расчета обязательно приведет к увеличению площади поверхности теплоотдачи калорифера.

Следовательно, при повышении температуры наружного воздуха, когда не требуется уже расчетного количества тепла для поддержания заданной температуры приточного воздуха, при существующей площади поверхности теплоотдачи калорифера очевидным будет снижение температуры теплоносителя при постоянном коэффициенте теплопередачи. Таким образом, работающий насос при температурах наружного воздуха, близких к 0 °С, будет провоцировать сигнал об угрозе замораживания.

Это вытекает из анализа формулы расчета площади поверхности теплоотдачи калорифера (3):

(3)

где t_К – заданная температура приточного воздуха, подаваемого в помещение, °С;

t_Н – температура наружного воздуха (расчетное значение), °С;

k – коэффициент теплопередачи.

При повышении температуры наружного воздуха знаменатель в (3) должен обеспечить поддержание равенства.

После выполнения расчета площади поверхности теплоотдачи калорифера и подбора ближайшего большего по площади поверхности теплоотдачи реального калорифера определяется коэффициент запаса площади поверхности теплоотдачи калорифера – С (1,2 ? С ? 1,1).

И, в конце концов, при отказе насоса, установленного на подающем или обратном трубопроводе в обвязке калорифера, потребуется отключить всю вентсистему. Устанавливать два насоса (рабочий и резервный), руководствуясь вышесказанным, не имеет смысла.

Может ли понадобиться насос в обвязке калорифера?
Если может, то в каких случаях и как он должен размещаться?

Да, может. Если в помещениях, куда подается приточный воздух от вентсистемы, значительные теплоизбытки и эти теплоизбытки в той или иной степени могут воздействовать на датчик температуры, определяющий и поддерживающий заданную температуру приточного воздуха, то есть присутствует явная тенденция к повышению температуры приточного воздуха от заданного значения, то насос, выбранный по правилам подбора циркуляционных насосов и установленный на перемычке между обратным и подающим трубопроводами и включаемый только по команде «параметр выше нормы», поможет решить задачу поддержания заданной температуры приточного воздуха.

Одна из характеристик объекта регулирования – время переходного процесса регулирования. Это время, за которое отклонившийся параметр в результате нанесенного возмущения должен возвратиться в заданное значение.

В объектах со значительными теплоизбытками для того, чтобы догреть воздух до заданного значения при его возможном отклонении в сторону уменьшения, требуется времени меньше, чем для снижения температуры воздуха до заданного значения при его отклонении в сторону увеличения.

Время переходного процесса регулирования – очень важный параметр системы, который должен быть учтен в программе контроллера. Оно не должно быть больше 20 мин. Реальное время замеряется достаточно просто при наладке системы.

Предположим, что время переходного процесса регулирования, требуемое для повышения температуры, – 5 минут, а время переходного процесса регулирования, требуемое для снижения температуры, – 12 минут. Разница значительная. Необходимо эту разницу уменьшить. Включив насос на 4 минуты (ниже меньшего времени переходного процесса) и одновременно прикрыв регулирующий клапан, можно это время сократить, например, до 5,5 минут, то есть почти выровнять с меньшим временем. Учитывая возможную неточность замера, к полученному результату добавить еще минуту, и это время зафиксировать в контроллере.

Если за это время отклонившийся параметр восстановится в заданном значении, следовательно, система работает в штатном режиме. Но если пройдет команда «параметр не в норме», следовательно, необходимо выяснять причину, почему параметр не восстановился за время переходного процесса. Одной из таких причин может быть снижение температуры теплоносителя. Угрозы замораживания калорифера еще нет, температура обратного теплоносителя еще достаточно высокая, но ситуация уже нештатная.

Вот для этой, описанной выше, цели насос может пригодиться.

Наконец, обратим внимание на размещение датчика температуры, предназначенного для защиты калорифера от замораживания по температуре воздуха.

На всех рисунках в каталогах этот датчик размещен после калорифера по потоку воздуха, что абсолютно неправильно – необходимо защищать калорифер от замораживания, а не датчик от переохлаждения.

Датчик за калорифером всегда находится в теплой зоне. При работающей системе температуру за калорифером определяет датчик в приточном воздуховоде или в помещении, определяющий заданную температуру приточного воздуха. При неработающей системе датчик находится со стороны помещения, и при отсутствии активного потока воздуха также находится в теплой зоне. Подать в помещение холодный воздух мы не имеем права, чтобы не допустить этого, перед пуском вентилятора калорифер прогревается. Аварийных ситуаций, при которых бы температура за калорифером стала бы ниже температуры воздуха, подаваемого в помещение, просто не может быть по второму закону термодинамики – не может холодное тело отдать тепло более теплому телу.

Реакция датчика, установленного за калорифером, может быть спровоцирована в отдельных случаях работающим насосом, о чем говорилось выше.

Итак, датчик температуры за калорифером ничего не защищает. Датчик защиты калорифера от замораживания по температуре воздуха должен размещаться только перед калорифером.

Пороговые значения температур, при которых начинается процесс замораживания калорифера:

• 3 °С – температура воздуха перед калорифером;

• 20 °С – температура обратного теплоносителя при работающей приточной вентсистеме.

Поскольку требуется контролировать угрозу замораживания, то уставки температур для этого контроля должны быть выше:

• для воздуха – 5 °С;

• для обратного теплоносителя – 30 °С.

Угроза замораживания при работающей приточной вентсистеме может наступить лишь в том случае, когда одновременно и низкая температура воздуха перед калорифером, и низкая температура обратного теплоносителя.

Если любая из этих двух температур выше уставок, никакой угрозы замораживания нет, и, если обеспечивается поддержание заданной температуры приточного воздуха, система может продолжать работать.

При неработающей приточной вентсистеме контроль угрозы замораживания ведется только по датчику температуры перед калорифером.

Логика защиты калорифера от замораживания отражена на рис. 2.

Рисунок 2. Логика защиты калорифера от замораживания

В случае остановленной системы при низкой температуре наружного воздуха, при отсутствии активного потока воздуха, возможны состояния, когда температура воздуха непосредственно перед калорифером выше уставки контроля угрозы замораживания. Следовательно, если в этой ситуации нет угрозы замораживания, незачем расходовать теплоноситель.

Вернемся к насосу.

Попытки использовать насос, установленный на перемычке между обратным и подающим трубопроводами, для защиты калорифера от угрозы замораживания при неработающей вентсистеме являются совершенно не энергосберегающим и громоздким решением. В этом случае при неработающей приточной вентсистеме включается насос и в трубопроводе обратного теплоносителя поддерживается температура 35 °С. Решение достаточно странное. Вентсистема по прямому своему назначению не работает, но тратится электроэнергия на поддержание условий незамораживания калорифера.

Что получается в этом случае?

При теплоносителе 130 °С, поступающем из теплового пункта, и при поддержании температуры обратного теплоносителя 35 °С перед калорифером образуется воздушно-тепловая подушка с температурой 26–28 °С, а за калорифером, учитывая то, что это объект регулирования с самовыравниванием, образуется воздушно-тепловая подушка с температурой 40–42 °С.

Если насос выключить, температуру обратного теплоносителя специально не поддерживать, но, если при остановленной системе пройдет команда об угрозе замораживания, регулирующий клапан приоткрыть на 15–20 % и оставить в таком положении до пуска приточной вентсистемы, то воздушно-тепловая подушка перед калорифером будет с той же температурой 26–28 °С и за калорифером те же 40–42 °С. При этом температура обратного теплоносителя при температуре прямого теплоносителя 130 °С будет 50–55 °С. По графику температура обратного теплоносителя может быть 70 °С. Следовательно, для чего использовать насос? Каждый такой насос, работая постоянно, за отопительный сезон расходует около 400 кВт • ч электроэнергии. А если таких насосов десятки тысяч по стране? Сколько электроэнергии уходит впустую? И это при постоянных разговорах о технико-экономической эффективности и об энергосбережении.

Итак, приточная вентсистема должна быть скомпонована и автоматизирована так, как показано на рис. 3. Может быть, с насосом на перемычке, может быть без насоса.

Рисунок 3. Схема комплектной приточной вентиляционной системы

Желательно, если позволяет конструкция калорифера, теплоноситель в калорифер подавать сверху (в калориферы второго подогрева центральных кондиционеров – снизу). Это позволит при температурах наружного воздуха, близких к 0 °С, избежать так называемого «опрокидывания потока» при значительно прижатом регулирующем клапане и возможном выравнивании давлений в подающем и обратном трубопроводах. Это снизит вероятность прохождения команды об угрозе замораживания примерно на два порядка.

Учитывая то, что более теплый воздух, находящийся выше по потоку, будет подогреваться более горячей водой, и то, что при этом воздух еще более будет расслаиваться по температурным потокам, следует датчик в воздуховоде после вентилятора установить как можно дальше от вентилятора, но, желательно, на расстоянии не ближе 20-ти диаметров или диагоналей воздуховода от вентилятора. В этом сечении воздуховода весь воздух после вентилятора уже перемешан и течет ровным потоком.

ТОЧКА ЗРЕНИЯ

К сожалению, приходится согласиться с автором статьи «Автоматизация инженерных систем. Комплектные приточные вентиляционные системы» в том, что наметилась тенденция снижения качества проектирования инженерных систем. Профессиональная проектная работа нередко подменяется использованием якобы «стандартных шаблонов» от поставщиков оборудования. Это скорее упрек не производителям оборудования, в арсенале которых, как правило, многообразие технологических решений, а менеджерам поставщиков и проектировщиков, выбирающим «стандартные схемы», не учитывающие характеристики воздушно-теплового режима объекта. Приходится также признать, что популярный и актуальный бренд «энергосбережение и энергоэффективность» с большим трудом пробивает себе дорогу в практику строительного проектирования. Доля объектов, на которых используется утилизация теплоты вытяжного вентиляционного воздуха, системы кондиционирования воздуха с холодильным коэффициентом 5–6, аккумуляторы холода, несмотря на очевидную окупаемость энергосберегающих технологий, весьма незначительна. Что касается вопросов автоматизации приточных установок, на наш взгляд, целесообразно использовать двухходовые клапаны, как и рекомендует автор статьи. Алгоритмы использования циркуляционных насосов в обвязке калориферов должен быть обоснован режимом работы вентустановки. Как правило, нет необходимости эксплуатировать циркуляционные насосы в постоянном режиме. Статистика «промерзания» калориферов также показывает, что наличие циркуляционного насоса не является гарантией безаварийности работы вентиляции. Наиболее часто обмерзание калориферов происходит при аварийном продолжительном отключении электроэнергии, при неплотном закрывании приемных клапанов, при загрязнении трубопроводов и снижении расхода теплоносителя. Степанов И. Д. поднял интересную проблему – критическое отношение к технологическим стереотипам в инженерных системах зданий; хотелось бы, чтобы это направление нашло свое продолжение на страницах нашего журнала. А. Л. Наумов, генеральный директор ООО «НПО ТЕРМЭК», вице-президент НП «АВОК»

Рассмотрим замечания и рекомендации, изложенные в статье И. Д. Степанова «Автоматизация инженерных систем. Комплектные приточные вентиляционные системы» по порядку их изложения. Автор приводит рис. 1 и утверждает, что подобные решения отражены в нормативных документах и, в частности, в СНиПе 41-01-2003, и называет это технической диверсией. Но ни в одном пункте СНиПа не говорится о схеме с трехходовым клапаном, показанной на рис. 1, и данную схему никак нельзя считать распространенной в системах теплоснабжения воздухонагревателей. Например, из тысяч вентсистем, запроектированных НИЦ «Инвент», схемы с трехходовым клапаном предусматривались всего несколько раз, а именно в тех случаях, когда источником теплоты являлись индивидуальные котельные и для их нормальной работы требовалось сохранить постоянный расход воды через котел, таким образом, если техническая диверсия и была задумана, то она не удалась. В статье приводится утверждение, что использование трехходовых клапанов в обвязке воздухонагревателей недопустимо потому, что разница в давлении двух сред может быть не более 0,5 м. вод. ст, иначе трехходовой регулирующий клапан через 5–6 часов после пуска системы выйдет в автоколебательный режим. Это не соответствует действительности, что подтверждает опыт проектирования и наладки нескольких сотен аналогичных узлов регулирования, установленных на воздухоохладителях. Вопрос только в том, что надо правильно подбирать трехходовые клапаны. Выбор узлов регулирования с проходными клапанами объясняется тем, что при применении трехходовых клапанов повышается температура обратной воды, что недопустимо при теплоснабжении от ТЭЦ. Однако это не имеет принципиального значения при теплоснабжении от современных автоматизированных индивидуальных котельных, для которых более важны стабильные гидравлические режимы, которые обеспечивают трехходовые клапаны, так же как и в системах холодоснабжения. Нельзя согласиться и с утверждением автора, что при теплоносителе «вода» клапан должен устанавливаться на обратном трубопроводе. Это требование появилось в советские времена и было связано с низким качеством отечественных клапанов. Однако, уже в то время Б. В. Баркалов писал: Рисунок Монтажная схема узла регулирования воздухонагревателя приточных систем «Следует учитывать, что при закрытом клапане на обратном трубопроводе теплосети регулируемый аппарат находится под полным давлением в подающем трубопроводе, которое при малых расходах в сети может подниматься значительно выше обычного рабочего давления» [1]. Учитывая качество современных проходных клапанов, мы уже в течение многих лет устанавливаем их на подающем трубопроводе, защищая при этом воздухонагреватель, который значительно дороже клапана. Расходную характеристику клапана выбирают в зависимости от отношения потерь давления в полностью открытом клапане при максимальном расходе регулируемой среды к потерям давления на регулируемом участке, включая и потери в клапане. Логарифмическая расходная характеристика рекомендуется, если указанное отношение лежит в пределах S = 0,3…0,4; при значении S ? 0,5 рекомендуется выбирать клапаны с линейной характеристикой, а при S < 0,3 – с параболической. По мнению И. Д. Степанова, «увеличение калорифера осуществляется не только за счет увеличения рядов трубок, но и за счет увеличения живого сечения калорифера». Возникает вопрос – для каких расчетных условий не хватит шести- или восьмирядного теплообменника, если обычно достаточно трех- или максимум четырехрядного воздухонагревателя? Особой расшифровки требует фраза: «Заданное значение скорости потока воды в трубках калорифера без расчета обязательно приведет к увеличению площади поверхности теплоотдачи калорифера». Интересно, кто и на основании чего «задает» значение скорости, если это значение необходимо определять как при «ручном», так и при компьютерном проектировании. Утверждение об «очевидном снижении температуры теплоносителя при постоянном коэффициенте теплопередачи, из-за чего работающий насос при температурах наружного воздуха, близких к 0 °С, будет провоцировать сигнал об угрозе замораживания», также является ошибочным. Расчеты показывают, что в схемах с насосом температура обратной воды, на которую реагирует датчик защиты от замораживания, выше, чем в схемах без насоса, поэтому иногда «очевидное» надо проверять расчетом и только после этого делать выводы. Нельзя согласиться и со следующими утверждениями: - «коэффициент запаса площади поверхности теплоотдачи калорифера – С (1,2 ? С ? 1,1)»; - «датчик температуры за калорифером ничего не защищает. Датчик температуры калорифера от замораживания по температуре воздуха должен размещаться только перед калорифером». Однако вернемся к циркуляционному насосу. После резких возражений автор предлагает в итоге рис. 3 и пишет, что «схема может быть с насосом на перемычке, может быть без насоса», хотя «каждый такой насос, работая постоянно, за отопительный сезон расходует около 400 кВт•ч электроэнергии. А если таких насосов десятки тысяч по стране?». Но если следовать подобной логике, то надо запретить все наши современные ИТП и вернуться к элеваторным вводам, а заодно запретить и независимые схемы подключения к тепловым сетям, поскольку и там, и там используются насосы, причем более мощные, чем в узлах регулирования воздухонагревателей. В заключение отметим, что у схем с циркуляционными насосами есть действительно серьезный недостаток, о котором умолчал И. Д. Степанов, – это опасность замораживания при внезапном отключении электроэнергии, но это уже другая проблема. Вместо рис. 3, приведенного в статье, мы предлагаем схему, опробованную на сотнях вентсистем и систем кондиционирования воздуха. Литература 1. Б. В. Баркалов, Е. Е. Карпис. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. – М.: Стройиздат, 1982, 312 с. М. Г. Тарабанов, директор НИЦ «ИНВЕНТ», канд. техн. наук, вице-президент НП «АВОК»