§ 3. Позонное автоматическое регулирование расхода тепла

Позонное деление систем отопления может быть пофасадным (вертикальным) или поэтажным (горизонтальным). Выбор того или иного вида зонирования (либо применение на объекте общего регулирования без деления систем отопления на зоны) определяется назначением здания, его высотой, объемом и конструктивно-планировочными особенностями, местными метеорологическими условиями, а также тепловым режимом внутри здания.

Позонное автоматическое регулирование позволяет учитывать неодинаковые воздействия условий погоды (ветра, солнечной радиации) на различные зоны здания по высоте и по странам света (фасадам). Снижение тепловой устойчивости и повышение этажности строящихся зданий, их открытое расположение на местности усиливает неоднородность теплового режима различно расположенных помещений и в связи с этим вызывает необходимость позонного автоматического регулирования.

Из двух видов зонирования более широкое применение, очевидно, получит вертикальное деление систем и, соответственно, пофасадное автоматическое регулирование. Исследования показали, что пофасадное регулирование целесообразно для зданий как повышенной, так и средней этажности, особенно расположенных в «раскрытых» кварталах новой застройки. В первую очередь его следует применять в климатических районах со значительными скоростями ветра и большим количеством солнечных дней в течение отопительного сезона, так как оно позволяет существенно улучшить микроклимат в отапливаемых помещениях и получить в отдельные месяцы экономию тепла до 30 — 35%.

К этому следует добавить, что пофасадное деление систем отопления здания типовых серий технических трудностей не представляет и требует сравнительно небольших дополнительных капитальных затрат.

Горизонтальное деление систем отопления находит значительно меньшее применение. Очевидно, его целесообразно использовать в высотных зданиях (более 16 — 20 этажей), где по условиям эксплуатации инженерного оборудования требуется устройство одного или нескольких специальных технических этажей. Деление систем отопления на зоны в этих условиях позволяет резко уменьшить вертикальную тепловую разрегулировку, а также снизить величины статического давления в системе отопления.

Горизонтальное деление систем отопления может оказаться целесообразным также и в менее высоких зданиях, но при условии применения в них горизонтальных систем отопления.

На рис. 32 приведены варианты технологических схем позонного автоматического регулирования.

Варианты, показанные на рис. 32, а, б, представляют собой схемы автономного регулирования в обеих зонах с полным комплектом автоматики и оборудования для каждой зоны.

На рис. 32, в и г приведены схемы с осуществлением циркуляции в обеих зонах системы отопления одним общим насосом. В таком случае упрощается и удешевляется зонирование системы в связи с тем, что возврат теплоносителя осуществляется по общей обратной линии. Кроме того, требуется меньше оборудования и запорной арматуры. Недостаток варианта рис. 32, г состоит в значительном уменьшении диапазона позонного регулирования по сравнению с автономными схемами, изображенными на рис. 32, а и б. Действительно, даже при полном закрытии регулятора подачи тепла, установленного в одной из зон, в нее будет продолжать поступать вода по общему обратному трубопроводу из другой зоны. Поступление этой воды ограничит величину снижения теплоотдачи приборов в отключенной зоне.

Вариант, показанный на рис. 32,(3, представляет собой схему абонентского ввода с пофасадным регулированием при независимом присоединении системы отопления с естественной циркуляцией, а на рис. 32, е — схему с позонным (поэтажным) регулированием горизонтальных систем отопления.

Позонное регулирование, так же как и местное регулирование на объект в целом, может осуществляться по отклонению внутренней температуры в отапливаемых помещениях, по возмущению (изменения температуры наружного воздуха, скорости ветра и интенсивности солнечной радиации), по отклонению температуры внутри физической модели здания. Однако, в отличие от местного регулирования на здание в целом, которое может производиться по основному фактору, определяющему режим теплопотребления, — изменению температуры наружного воздуха, позонное регулирование обязательно предусматривает учет влияния ветра и солнечной радиации.

На рис. 33 показаны возможные методы учета наружных тепловых воздействий в системах позонного автоматического регулирования. В системе регулирования по возмущению (рис. 33, а) датчик обеспечивает комплексный учет наружных тепловых воздействий на каждую зону, т. е. осуществляет регулирование по приведенной температуре наружного воздуха tn, пр [см. формулу (47)]. В зависимости от значения/ н.пр регулятор устанавливает температуру воды, поступающей в систему отопления в соответствии с заданным отопительным графиком. В настоящее время проводятся научно-исследовательские работы по созданию указанного датчика.

Рис. 33. Методы учета наружных тепловых воздействий в системах позонного автоматического регулирования а — система с датчиком комплексного учета наружных метеорологических воздействий; б — система сдатчиками раздельного учета наружных воздействий и специальным вычислительным устройством; в — система с централизованным измерением параметров наружных воздействий; г — система с датчиками по отклонению внутренней температуры в отапливаемых помещениях; 0 — система с датчиками по отклонению температуры в физической модели здания» /, /1 — зоны здания; 1 — датчики комплексного учета наружных воздействий; 2 — регуляторы; 3 — регулирующие клапаны с исполнительным механизмом; 4 — датчики наружных воздействий; 5 — вычислительное устройство; 6 — метеорологический пункт; 7 — вычислительное и распределительное устройство; 8 — датчики температуры в помещениях; 9 — физическая тепловая модель здания; 10 — вспомогательный регулятор; /1 — тепломер

На рис. 33, б также представлена система регулирования по возмущению. Измерения метеорологических воздействий на каждую зону осуществляются с помощью четырех датчиков: температуры наружного воздуха, медленных теплопотерь, ветра, солнечной радиации. Сигналы от датчиков поступают на специальное вычислительное устройство (подробнее см. гл. VII), которое выдает сигнал, пропорциональный приведенной температуре наружного воздуха.

В отличие от системы, показанной на рис. 33,а, рассматриваемая система автоматического регулирования может почти полностью комплектоваться из изделий, выпускаемых отечественной промышленностью (датчики наружной температуры, ветра, солнечной радиации, регулирующий прибор и др.). Вычислительное устройство и датчики медленных тепловых потерь имеются в виде опытных образцов (см. гл. VII, § 2). Однако недостатком этой системы является высокая стоимость автоматики, что ограничивает ее применение крупными и ответственными объектами.

Существенное снижение стоимости автоматики может быть достигнуто при использовании системы с централизованным измерением параметров наружных тепловых воздействий (см. рис. 33, в). Датчики погоды в этом случае устанавливаются в специальном метеорологическом пункте, общем для микрорайона. Для учета неодинакового влияния погоды на различно ориентированные зоны зданий в метеорологическом пункте устанавливается несколько групп датчиков в соответствии с ориентацией по странам света фасадов обслуживаемых зданий. От метеопункта предусмотрена дистанционная передача сигналов на регуляторы, устанавливаемые в зданиях и управляющие подачей тепла по зонам. Возможность такой централизации измерения метеорологических параметров обусловлена тем, что одинаково ориентированные по странам света зоны ряда различных зданий примерно в равной степени подвержены влиянию изменений погоды.

При системе автоматического позонного регулирования по отклонению (рис. 33, г) в «представительных» помещениях, сгруппированных по зонам здания, устанавливаются датчики, замеряющие температуру внутреннего воздуха. Сигналы от датчиков поступают на регулятор, управляющий подачей тепла в соответствующую зону. Преимущество этой системы состоит в том, что регулятор учитывает всю совокупность факторов, влияющих на температурный режим отапливаемых помещений, и выполняет свою задачу независимо от причин, вызвавших отклонение внутренней температуры. Автоматика может быть полностью укомплектована изделиями, выпускаемыми отечественной промышленностью.

Недостатки этой системы заключаются в следующем. В современных многоэтажных зданиях, даже при хорошо отрегулированной системе отопления, наблюдается значительный разброс температур воздуха в отапливаемых помещениях. В связи с этим выбор «представительных» помещений, с целью сведения к минимуму влияния случайных, локальных факторов на процесс регулирования, представляет большие трудности. Увеличение с этой же целью общего количества датчиков приводит к удорожанию автоматики, усложнению ее обслуживания и снижению надежности.

Система автоматического управления по отклонению внутренней температуры в помещениях обладает неблагоприятными динамическими характеристиками, поскольку замкнутый контур регулирования содержит в данном случае звено с большой инерционностью — отапливаемое здание.

Вариант на рис. 33, д предусматривает осуществление автоматического позонного регулирования по отклонению температуры среды внутри физической модели здания. С помощью электрического нагревателя внутри модели поддерживается та же температура, что и в здании. Количество тепла, поступающее в модель, управляется с помощью вспомогательного регулятора в зависимости от сигнала, который поступает от тепломера, установленного на вводе в здание. Датчик, помещенный внутри модели, управляет подачей тепла из тепловой сети в здание.

Основное требование к модели здания заключается в создании теплового подобия модели и здания, что достигается при их одинаковых (или подобных) динамических характеристиках по каналам возмущающих и управляющих воздействий (изменение температуры наружного воздуха, ветра, солнечной радиации и подачи тепла). Одним из условий подобия является также необходимость обеспечения постоянства соотношения между расходом тепла модели и здания при установившемся режиме.

Достоинство рассматриваемой Системы по сравнению с вариантом рис. 33, г заключается в устранении местных, случайных факторов, действующих на процесс регулирования, а также в упрощении обслуживания автоматики.

Вместе с тем следует отметить трудности теоретического и практического характера в нахождении такого конструктивного решения для физической модели, которое позволило бы обеспечить тепловое подобие по всем каналам наружных тепловых воздействий. Эти трудности вызваны тем, что механизмы переноса тепла, обусловленного температурным перепадом, ветровым напором и солнечной радиацией, существенно отличаются

друг от друга. Кроме того, рассматриваемый вариант имеет более сложную схему автоматики из-за дополнительных элементов (тепломер, вспомогательный регулятор), обеспечивающих постоянство соотношения между расходами тепла модели и здания при установившемся режиме.

Рис. 34. Принципиальная технологическая схема пофасадного автоматического регулирования (ЧПИ и Челябинскгражданпроект) 1 — датчики температуры в помещениях; 2 — регуляторы; 3 — поворотно-регулирующие заслонки с исполнительным механизмом

На рис. 34 показана принципиальная технологическая схема пофасадного управления температурным режимом жилых зданий, разработанная Челябинским политехническим институтом (ЧПИ) и Челябинскгражданпроектом. Система предназначена для применения в бифилярных системах отопления, позволяющих количественное регулирование в широком диапазоне.

Принцип работы системы — по отклонению. Датчики температуры устанавливаются в квартирах первого этажа здания. Их общее количество зависит от числа комнат, расположенных вдоль данного фасада (в реальных проектах закладывалось до 12 датчиков).

Датчики — полупроводниковые, типа ММТ-1, соединены последовательно. Сигналы от них поступают на унифицированный блок, разработанный канд. техн. наук В. Т. Благих (рис. 35).

Рис. 35. Принципиальная электрическая схема унифицированного блока

1 — терморегулятор ПТР-П; 11 — датчик температуры ММТ-1; //1 — реле ПЭ-21; IV — исполнительный механизм ИМ-2/120

Командным прибором блока является полупроводниковый пропорциональный терморегулятор типа ПТР-П. Сигнал об отклонении температуры от установленного режима поступает через штепсельный разъем Ш1 на измерительный мост терморегулятора ПТР-П и усиливается. Определяется фаза сигнала, в соответствии с которым одним из двух выходных а) &'т триггеров осуществляется включение или отключение реле Р1 и Р2, подающих питание на двигатель исполнительного механизма ИМ-2/120.

Исполнительный механизм, отрабатывая, воздействует на регулирующий орган. Сигнал отработки через потенциометр обратной связи поступает в цепь измерительного моста терморегулятора ПТР-П, обеспечивая пропорциональный закон регулирования. В качестве регулирующего органа принята поворотная регулирующая заслонка ПРЗ, разработанная ЧПИ.

Некоторые показатели работы системы отопления с пофасадным автоматическим управлением в доме с рис. 36.

Рис. 36. Графики расхода воды в системе отопления с пофасадным автоматическим управлением (г. Челябинск, январь) а — северный фасад; б — южный фасад; а — суммарный расход широтной ориентацией приведены на