Влияние возмущающих ирегулирующих воздействий на температурный режим зданий
Мохов Александр Иванович, студент;
Рафальская Татьяна Анатольевна, кандидат технических наук, доцент
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)
Рассмотрены основные возмущающие и регулирующие воздействия, влияющие на температурный режим зданий при отклонении параметров в теплосети от расчётных значений. Приведена методика расчёта теплового режима помещений на основе статической отопительной характеристики зданий для зависимой и независимой схем присоединения системы отопления в тепловом пункте.
На основе полученных результатов можно определить статические коэффициенты передачи по каналам возмущающего и регулирующего воздействий и выбрать необходимые режимы работы систем регулирования отопительной нагрузки.
Ключевые слова: система теплоснабжения, тепловая сеть, тепловой пункт, система отопления, температурный режим зданий.
Изменение температурного режима отапливаемых зданий может происходить как вследствие изменения внешних и внутренних возмущающих, так и вследствие изменения регулирующих воздействий. Внешними возмущающими воздействиями являются изменения наружной температуры, скорости ветра, солнечной радиации. К внутренним возмущающим воздействиям относятся бытовые тепловыделения. Регулирующими воздействиями, изменяющими температурный режим отапливаемых зданий, являются:
а) температура сетевой воды в подающей линии отопительной сети;
б) расход сетевой воды, поступающей на отопление;
в) величина поверхности нагрева отопительных приборов.
В качестве примера были рассмотрены режимы работы теплосети от ЦТП-ц41 по ул. Орджоникидзе в г. Новосибирске. Расчётная нагрузка на отопление на ЦТП составляет Qomax = 4,459 МВт, средняя на горячее водоснабжение Qhm = 2,659 МВт. Расчётная температура для проектирования отопления в Новосибирске tно=-37 С, расчётная температура внутреннего воздуха tвр = 20 С, в системе отопления о1 = 105 С. Тепловые сети рассчитаны на температурный график отпуска теплоты 150/70 С, но на ТЭЦ применяется верхняя срезка температурного графика на 114 С (рис. 1).
Рис. 1. Температуры сетевой воды в ЦТП: 1 — в подающей магистрали теплосети; о3 — в подающей магистрали системы отопления; о2 — в обратной магистрали системы отопления; 2 — в обратной магистрали теплосети; г2 — после подогревателя II ступени СГВ; с2 — на входе в подогреватель I ступени СГВ
Таким образом, начиная с наружной температуры tно=-20 С температура воды в теплосети не соответствует расчётной (1 < 1тр на рис. 1). Кроме того, текущая температура наружного воздуха может опуститься ниже расчётной для проектирования отопления. Снижение 1 и tн ниже расчётных значений требует увеличения расхода воды из теплосети в систему отопления для поддержания требуемого температурного режима (Gdo не остаётся постоянным при низких температурах наружного воздуха, а должен увеличиваться, рис. 2).
Рис. 2. Расходы сетевой воды в ЦТП: Gd — расход воды в теплосети; Gdо — требуемый расход сетевой воды из подающей магистрали тепловой сети для системы отопления; Gdод — действительный расход сетевой воды, поступающей в систему отопления из подающей магистрали теплосети; GdhII — расход сетевой воды в подогревателе горячего водоснабжения II ступени; Gdh — расход воды из теплосети на СГВ
Изменения температуры воздуха в отапливаемых зданиях при зависимом присоединении системы отопления можно определить, решая систему уравнений (1–3), [1].
Расход теплоты, поступающей в систему отопления:
,(1)
где 
коэффициент смешения системы отопления;
расчётная разность температур сетевой воды, С;
температурный напор при смешении воды в отопительном устройстве, С;
= Gdo/Gdoд относительный расход воды в отопительной сети;
требуемая тепловая мощность системы отопления при данной наружной температуре.
В этом уравнении величина Qо входит в левую и правую части. Поэтому, в первом приближении принимаем
. Затем определяется Qор:
.(2)
Определив новое значение
, снова находим Qо по формуле (1). Расчёт повторяем до заданной точности.
Внутреннюю температуру можно найти по формуле:
.(3)
На рис. 3 показано, на какую величину будет изменяться температура в отапливаемых помещениях при условии, что регулирующие воздействия 1, Gdо остаются неизменными, а возмущающее воздействие (наружная температура tн) будет изменяться на tн.
Рис. 3. Изменение температуры в отапливаемых помещениях при изменении наружной температуры tн (1 = const, Gdо = const)
На рис. 4 и 5 показаны результаты расчёта системы уравнений (1–3) при отклонении температуры в подающей магистрали теплосети от расчётных значений.
Рис. 4. Температура в помещениях tв при отклонении температуры сетевой воды 1 от расчётного значения по температурному графику (tн = const, Gdо = const)
Рис. 5. Относительный расход теплоты на отопление Qo /Qop при отклонении температуры сетевой воды 1 от расчётного значения по температурному графику (tн = const, Gdо = const)
На рис. 6 показаны полученные из формулы (1) зависимости относительного расхода сетевой воды в систему отопления о при различном отклонении температуры воды в теплосети, при которых будут обеспечены 
и, следовательно, tвр = 20 С.
Рис. 6. Относительные расходы сетевой воды на отопление о, компенсирующие отклонение 1 от расчётного значения на величину 1
На основе полученных результатов можно определить статические коэффициенты передачи по каналам возмущающего и регулирующего воздействий.
Так, статический коэффициент передачи по каналу (изменение температуры наружного воздуха к изменению температуры воздуха в отапливаемых помещениях) при условии постоянства других воздействий определяется как отношение изменения внутренней температуры к изменению наружной:
.(4)
При независимом присоединении системы отопления относительный расход воды на отопительный подогреватель можно определить по уравнению:
,(5)
где для рассматриваемого ЦТП принято:
относительный расход сетевой воды из внешней сети через отопительный подогреватель;
= 150 65 = 75 С расчётный перепад температур во внешней сети;
= 130 70 = 60 С расчётный перепад температур в отопительной сети;
, 
безразмерные тепловые производительности отопительного подогревателя и отопительной системы.
Как правило, при независимом присоединении отопительных систем расход воды в отопительной сети остаётся постоянным, т. е. 
=1.
Величина рассчитывается по уравнению:
,(6)
где
= 53,36 т/ч; 
= 61,88 т/ч — расчётные расходы меньшей (греющей) и большей (нагреваемой) сред в отопительном подогревателе в точке излома температурного графика;
Фп = 4,79 — параметр отопительного подогревателя, определён при подборе пластинчатых подогревателей Alfa Laval по методике [2, 3].
Безразмерная производительность отопительной системы:
.(7)
Отношение в первом приближении принимают равным 1. После этого при известном значении 1 рассчитывают величину 
по уравнению (5) и далее расчёт повторяют до увязки 
с заданной точностью. Внутреннюю температуру в помещениях определяют по формуле (3).
На рис. 7 показано, на какую величину изменяется внутренняя температура в помещениях при снижении расхода сетевой воды на отопительный подогреватель. Как следует из рисунка, эта величина при одних и тех же значениях зависит от tн.
Рис. 7. Изменение температуры воздуха в отапливаемых помещениях tв при изменении относительного расхода сетевой воды на отопительный подогреватель 
На рис. 8 для независимой схемы показаны значения относительных расходов воды на отопительный подогреватель , компенсирующие отклонения температуры сетевой воды 1 от требуемой по температурному графику 1тр.
Рис. 8. Относительные расходы сетевой воды на отопительный подогреватель п, компенсирующие отклонения температуры воды в подающей магистрали теплосети на величину 1
Поскольку величина изменения внутренней температуры tв при одних и тех же изменениях расхода сетевой воды на отопительный подогреватель зависит от tн, то и статический коэффициент передачи:
(8)
также является переменной величиной, что необходимо учитывать при разработке и эксплуатации систем автоматического регулирования отопительной нагрузки в ЦТП.
Выводы.
Рассмотрены основные факторы, влияющие на температурный режим отапливаемых зданий, показана методика расчёта действия этих факторов на внутреннюю температуру воздуха в зданиях, которая является основным регулируемым параметром при регулировании отопительной нагрузки. На этой основе могут быть выбраны необходимые режимы работы систем регулирования отопительной нагрузки в ЦТП.
Литература:
- Зингер Н. М. Повышение эффективности работы тепловых пунктов / Н. М. Зингер, В. Г. Бестолченко, А. А. Жидков. — Москва: Стройиздат, 1990. — 188 с.
- Мохов А. И. Расчет и сравнение характеристик пластинчатых теплообменников / А. И. Мохов, Т. А. Рафальская // Молодой ученый. 2015. № 7. С. 176–180.
- Рафальская Т. А. Тепловой и гидравлический расчет водо-водяных теплообменников систем отопления и горячего водоснабжения: учеб. пособие / Т. А. Рафальская, В. В. Бурцев; Новосиб. гос. архитектур.-строит. ун-т (Сибстрин). — Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2015. — 128 с.
