Все последнее десятилетие наша страна охвачена очередным строительным бумом. Рынок строительных материалов и оборудования растет с каждым годом. Одной из весомых статей затрат при строительстве индивидуального дома является теплотехническое оборудование. Параллельно с этим приходится наблюдать неуклонное возрастание цен на энергоносители вообще и на природный газ в частности. Это заставляет владельцев жилья уделять все больше внимания эффективности отопления своих домов и стараться всячески уменьшить расход топлива как во вновь строящихся, так и в уже существующих системах отопления.
Все названные факторы послужили причиной бурного совершенствования теплотехники за последнее время. Однако не всегда модернизация системы отопления приносит желаемую экономию в расходе топлива, что, в свою очередь, становится причиной конфликтов между продавцом и покупателем теплотехнического оборудования.
Часто причиной ошибочных расчетов потребления газа теплогенерирующей установкой служит недостаточное понимание физической сути коэффициента полезного действия котла. Цель этой статьи – внести некоторую ясность в этот весьма актуальный вопрос.
Все тепло, получаемое в теплогенерирующей установке, при сжигании топлива распределяется на полезно используемое тепло (т. е. ту часть тепла, которая идет непосредственно на нагрев помещения) и тепловые потери в окружающую среду. Чтобы это стало полезным, используемое тепло необходимо передать теплоносителю и распределить по системе отопления.
На каждой из стадий производства, регулирования и распределения тепла неизбежны его потери. Поэтому справедливо будет записать:
ηg = (ηpηdηeηc), (1)
где:
ηg - общий коэффициент эффективности системы отопления;
ηp – коэффициент эффективности теплогенерирующей установки;
ηd – коэффициент эффективности распределения теплоты;
ηe – коэффициент эффективности отопительных приборов;
ηc – коэффициент эффективности регулятора системы.
Согласно европейским нормам, принято считать, что общий коэффициент эффективности системы отопления ηg не должен быть ниже определенного значения, которое вычисляется следующим образом:
ηg = 65 + 3log (PН), (2)
где:
log (PН) является десятичным логарифмом от номинальной мощности котла. Мощность котла выражается в кВт.
Для примера просчитаем минимально допустимый общий коэффициент эффективности для системы отопления, оборудованной котлом мощностью 23кВт:
ηg = 65 + 3log(23) = 69,1. (3)
Иными словами минимально допустимый общий коэффициент эффективности большинства систем отопления, оборудованных навесными котлами, должен превышать 69,1%.
Как же вычислить общий коэффициент эффективности систем отопления?
Из приведенного выше уравнения видно, что снижение любого из коэффициентов эффективности приводить к снижению общего коэффициента эффективности систем отопления.
Наглядно это иллюстрируется графиком (рис. 1), из которого видно, насколько общий коэффициент эффективности зависит от каждого из множителей уравнения.
Рис. 1. График коэффициентов эффективности системы отопления (1 – ηс(регулирования); 2 - ηе (отопительных приборов); 3 – ηd (распределения); 4 – ηр(теплогенератора); 5 – ηg (общий)
Для примера рассмотрим показатели современной системы отопления, спроектированной и собранной согласно всем нормам и правилам. В ней используются такие показатели:
ηp = 0,89 – коэффициент эффективности теплогенерирующей установки;
ηd = 0,95 – коэффициент эффективности распределения теплоты;
ηe = 0,96 – коэффициент эффективности отопительных приборов;
ηc = 0,97 – коэффициент эффективности регулятора системы.
Общий коэффициент эффективности системы отопления вычисляется так (1):
ηp = 0,89 × 0,95 × 0,96 × 0,97 = 0,79.
Как видно, наибольший коэффициент эффективности получается при 100-процентной нагрузке системы отопления, т. е. при максимальной мощности теплогенерирующей установки, которая закладывается из расчета на минимальную температуру наружного воздуха в самый холодный период.
Поскольку средняя температура наружного воздуха за отопительный период значительно выше минимальной, то, соответственно, снижается и тепловая нагрузка отопительной системы, а следовательно, и общий коэффициент эффективности системы. В среднем за отопительный период общая эффективность системы отопления может составлять порядка 40–50% ее максимального значения. Для упрощения принято считать, что среднее значение общего коэффициента за отопительный период составляет 50% ее значения при максимальной нагрузке.
Рассмотрим, как изменяются составляющие общего коэффициента эффективности системы отопления при разных условиях.
1. Эффективность регулирования:
ηc = 0,98 – эффективное терморегулирование;
ηc = 0,93 – частичное терморегулирование;
ηc = 0,85 – без терморегулирования.
2. Эффективность отопительных приборов:
ηе = 0,98 – конвекторы с принудительной циркуляцией воздуха;
ηе= 0,97 – хорошо отрегулированные панели лучистого обогрева (напольное отопление);
ηе = 0,96 – хорошо отрегулированные радиаторы.
3. Эффективность распределения:
ηd = 0,95-0,96 – хорошо утепленные трубопроводы;
ηd = 0,80-0,95 – плохо утепленные трубопроводы;
ηd = 0,70-0,80 – не утепленные трубопроводы.
4. Эффективность теплогенерирующей установки: ηр = 0,70-0,90 – в зависимости от типа котла, качества его настройки, размеров, мощности и т. д.
Следует уделять внимание первому множителю: за последние несколько десятилетий наметился значительный прогресс в регулировании систем отопления. Этому способствовало развитие схем управления системами отопления, а также совершенствование материальной базы, что позволило значительно повысить эффективность процесса регулирования.
Рис. 2. Типичная схема отопления в 60-е гг. ХХ в. (1 – горелка, 2 – термостат котла; 3 – подмешивающий 4-ходовой кран; 4 – циркуляционный насос)
Так, если в середине 60-х годов ХХ в. превалировали схемы с качественным центральным регулированием (рис. 2), то по мере развития стала все более заметной тенденция к местному количественному (рис. 3) и качественному (рис. 4) (современная система с использованием балансировочного вентиля и постоянным перепадом давления) методам регулирования.
Рис. 3. Типичная схема отопления в 70-е г. ХХ в. (1 – горелка, 2 - термостат котла, 3 – подмешивающий 3-ходовой кран с электроприводом, 4 – циркуляционный насос, 5 – датчик температуры подачи, 6 – контроллер, 7 – датчик температуры наружного воздуха, 8 – комнатный термостат, 9 – регулировочный клапан, 10 – клапан зоны, 11 – зональный насос, 12 – рециркуляционный насос)
Рис. 4. Типичная современная схема отопления (1 – горелка, 2 – отсечной газовый клапан, 3 – высокоэффективный котел с плавной регулировкой температуры, 4 – датчик наружной температуры, 5 – контроллер, 6 – датчик температуры подачи, 7 – циркуляционный насос, 8 - балансировочный клапан, 9 – термостатический клапан со встроенным термобаллоном, 10 – термостатический клапан с выносным термобаллоном)
Пример анализа общего коэффициента эффективности системы
Проанализируем изменение общего коэффициента эффективности ηg в случае индивидуального дома. На примере покажем, как повышается эффективность системы при ее поэтапной модернизации, а также зависимость общего коэффициента эффективности от всех четырех множителей: ηр, ηd, ηе, ηс. Для удобства будем считать, что схема котельной во всех четырех случаях неизменна. Пример типичной схемы котельной индивидуального дома показан на рис. 5.
Рис. 5. Схема обвязки котельной. (1 – горелка, 2 – котел, 3 - термостат котла, 4- термостат котла (предохранительный), 5 – термометр котла, 6 – разрыв потока, 7 – подрывной клапан, 8 – гильза, 9 – манометр, 10 – датчик наружной температуры, 11 – контроллер, 12 – термометр, 13 – манометр, 14 – рециркуляционный насос, 15 – подмешивающий 3-ходовой клапан, 16 – датчик температуры подачи, 17 – насос контура отопления, 18 – обратный клапан, 19 – редуктор давления, 20 – расширенный бак, 21 – сливной кран, 22 – грязевик, 22 – автоматический отсечной клапан)
Как видно из приведенных ниже примеров (рис. 6–10), комплексная модернизация системы отопления может привести к почти двукратному повышению общего коэффициента эффективности системы отопления (ηg = 0,81 против ηg = 0,48), а, следовательно, и к существенной экономии топлива.
По средним оценкам, проведение подобной модернизации системы отопления, при действующих ценах на газ, может окупиться за 6 лет.
Рис. 6. Пример 1
Эффективность регулирования, ηс 0,84
Затухание колебаний температуры;
Датчик температуры наружного воздуха, управляющий 3-ходовым клапаном;
Традиционные клапаны ручной регулировки на радиаторах
Эффективность отопительных приборов, ηе 0,90
Суммарная мощность радиаторов 16 кВт;
Радиаторы установлены на стенах, без отражающих панелей;
Средняя температура теплоносителя в радиаторах 80 °С
Эффективность распределения, ηd 0,90
Нижняя схема разводки по подвалу не изолирована;
Трубопроводы не изолированы
Эффективность теплогенерирующей установки, ηd 0,71
Котел старого типа с завышенной мощностью (30 кВт);
Потери тепла через обшивку Pd = 4–5 %;
Потери через дымоход при выключенной горелке Ptbs = 1 %;
Эффективность сгорания (при постоянной температуре) η = 84 %
Общий коэффициент эффективности системы отопления ηg = 0,48
Рис. 7. Пример 2 (по сравнению со схемой на рис. 6 усовершенствовано регулирование системы)
Эффективность регулирования, ηс 0,99
Затухание колебаний температуры;
Датчик температуры наружного воздуха, управляющий 3-ходовым клапаном;
Термостатические клапаны на радиаторах (гистерезис 0,5-1 °С)
Эффективность отопительных приборов, ηе 0,90
Суммарная мощность радиаторов 16 кВт;
Радиаторы установлены на стенах, без отражающих панелей;
Средняя температура теплоносителя в радиаторах 80 °С
Эффективность распределения, ηd 0,90
Нижняя схема разводки по подвалу не изолирована;
Трубопроводы не изолированы
Эффективность теплогенерирующей установки, ηd 0,71
Котел старого типа с завышенной мощностью (30 кВт);
Потери тепла через обшивку Pd = 4–5 %;
Потери через дымоход при выключенной горелке Ptbs = 1 %;
Эффективность сгорания (при постоянной температуре) η = 84 %
Общий коэффициент эффективности системы отопления ηg = 0,57
Рис. 8. Пример 3 (по сравнению со схемой на рис. 6 усовершенствовано распределение тепла в системе)
Эффективность регулирования, ηс 0,84
Затухание колебаний температуры;
Датчик температуры наружного воздуха, управляющий 3-ходовым клапаном;
Традиционные клапаны ручной регулировки на радиаторах
Эффективность отопительных приборов, ηе 0,99
Суммарная мощность радиаторов 30 кВт;
За радиаторами на стенах установлены отражающие панели;
Средняя температура теплоносителя в радиаторах 60 °С
Эффективность распределения, ηd 0,94
Нижняя схема разводки по подвалу изолирована;
Трубопроводы изолированы
Эффективность теплогенерирующей установки, ηd 0,71
Котел старого типа с завышенной мощностью (30 кВт);
Потери тепла через обшивку Pd = 4–5 %;
Потери через дымоход при выключенной горелке Ptbs = 1 %;
Эффективность сгорания (при постоянной температуре) η = 84 %
Общий коэффициент эффективности системы отопления ηg = 0,55
Рис. 9. Пример 4 (по сравнению со схемой на рис. 6 усовершенствовано производство тепла)
Эффективность регулирования, ηс 0,84
Затухание колебаний температуры;
Датчик температуры наружного воздуха, управляющий 3-ходовым клапаном;
Традиционные клапаны ручной регулировки на радиаторах
Эффективность отопительных приборов, ηе 0,90
Суммарная мощность радиаторов 16 кВт;
Радиаторы установлены на стенах, без отражающих панелей;
Средняя температура теплоносителя в радиаторах 80 °С
Эффективность распределения, ηd 0,90
Нижняя схема разводки по подвалу не изолирована;
Трубопроводы не изолированы
Эффективность теплогенерирующей установки, ηd 0,88
Котел без завышения мощности (20 кВт);
Потери тепла через обшивку Pd = 0,9 %;
Потери через дымоход при выключенной горелке Ptbs = 0,1 %;
Эффективность сгорания (при постоянной температуре) η = 92 %
Общий коэффициент эффективности системы отопления ηg = 0,60
Рис. 10. Пример 5 (по сравнению со схемой на рис. 6 произведена комплексная модернизация системы отопления)
Эффективность регулирования, ηс 0,99
Затухание колебаний температуры;
Датчик температуры наружного воздуха, управляющий 3-ходовым клапаном;
Термостатические клапаны на радиаторах (гистерезис 0,5-1 °С)
Эффективность отопительных приборов, ηе 0,99
Суммарная мощность радиаторов 30 кВт;
За радиаторами на стенах установлены отражающие панели;
Средняя температура теплоносителя в радиаторах 60 °С
Эффективность распределения, ηd 0,94
Нижняя схема разводки по подвалу изолирована;
Трубопроводы изолированы
Эффективность теплогенерирующей установки, ηd 0,88
Котел без завышения мощности (20 кВт);
Потери тепла через обшивку Pd = 0,9 %;
Потери через дымоход при выключенной горелке Ptbs = 0,1 %;
Эффективность сгорания (при постоянной температуре) η = 92 %
Общий коэффициент эффективности системы отопления ηg = 0,81