Принципы построения эффективной системы автономного отопления

Эффективность современного отопления обеспечивают управляемость системы и теплогенератора, погодозависимое регулирование, возможность программировать температурные режимы и поддерживать их раздельно для разных помещений, дистанционное управление, согласованная работа источников тепла.

Сегодня владельцами индивидуальных домов предъявляются все более высокие требова-ния к экономичности систем отопления, их способности обеспечить комфортную тем-пературу в помещениях, удобству в пользовании. В статье сформулированы и раскрыты базовые принципы создания эффективного отопления с использованием оборудования, предлагаемого современным рынком.

Эффективность работы современного отопления обеспечивают: управляемость системы и теплогенерирующей установки, погодозависимое регулирование, возможность программировать изменение температурных режимов (термостатирование), реализовывать их независимо для разных помещений, дистанционное управление, минимизация тепловой инерционности системы. Требуется также согласованная работа различных источников тепла, контуров высоко- и низкотемпературного отопления, ГВС.
Рассмотрим отмеченные особенности и некоторые способы их реализации более подробно.
Управляемость системы – базовое условие энергоэффективного отопления. Необходима возможность регулирования температуры теплоносителя в зависимости от запроса на нагрев.
В самом простом случае используется термостат с датчиком температуры теплоносителя в подающей или обратной магистрали котла. Управление производится посредством включения и отключения котла по соотношению заданной и текущей температуры.
Шаг к усовершенствованию системы – установка программируемого термостата, который позволяет управлять температурой теплоносителя не только в заданных пределах, но и по часам суток и дням недели (рис. 1).
001
Рис. 1. Электронный термостат с возможностью задания  режимов отопления на неделю
Применение комнатных термостатов, осуществляющих регулирование по температуре воздуха, и термостатических радиаторных клапанов эффективно в том случае, если необходимо управлять обогревом отдельных помещений посредством включения и отключения отдельного отопительного прибора или зависимого контура, например, обогре-вающего одну комнату.
Для обеспечения безопасности системы в подающей магистрали котла необходим термостат, настроенный на максимально допустимую температуру.
Управляемость теплогенератора – условие обеспечения автоматического регулирования подачи тепла в систему отопления в зависимости от потребности в нем.
Реализуются следующие способы регулирования мощности котлов: двухпозиционное (включен–выключен), ступенчатое, плавное (модуляционное) и ступенчато-прогрессивное (комбинация ступенчатого и плавного регулирования).
Модуляция мощности в общем случае позволяет повысить КПД установки и минимизировать колебательные процессы в работе системы, что важно, например, при регулировании температуры в отдельных контурах посредством смесительных клапанов с электроприводом.
Погодозависимое регулирование заключается в адаптации текущих параметров (мощности, температуры теплоносителя) отопительной системы или ее отдельных контуров к погодным условиям. Как правило, в качестве внешних воздействий используется внешняя (уличная) температура и температура воздуха в помещении. В ряде случаев к ним добавляются влажность и атмосферное давление.
Основные преимущества решения – повышение комфортности отопления, эффективности использования мощности установки и экономия энергии.
Управляющим устройством служит контроллер с функцией погодной компенсации. Регулирование осуществляется по задаваемой зависимости температуры теплоносителя от температуры уличного воздуха, называемой кривой отопления (рис. 2).
002
Рис. 2. Пример семейства кривых отопления:
по оси абсцисс отложена наружная температура, по оси ординат – температура теплоносителя
Крутизна наклона кривой и ее смещение вдоль оси ординат определяются параметрами системы отопления (соотношением мощностей котла и радиаторов отопления, тепловым сопротивлением стен здания, наличием дополнительных внешних источников тепла и т.п.) и, как правило, находятся экспериментальным путем, посредством многочисленных наблюдений и анализа накопленного опыта. Чем точнее будет задана кривая отопления, тем выше будет эффективность работы системы и экономия энергии. В ряде погодозависимых контроллеров, в частности, E8 германской фирмы Kromschroder (рис. 3), предусмотрена возможность автоматической подстройки параметров кривой отопления, если режим обогрева длительное время остается постоянным.
003
Рис. 3. Контроллер серии E8 фирмы Kromschroder
Важная особенность некоторых контроллеров с функцией погодной компенсации – наличие канала пропорционально-интегрального (ПИ) регулирования температуры теплоносителя по температуре внутреннего воздуха помещения. Благодаря электронным датчи-кам температуры этот процесс может быть реализован с высокой точностью. В контрол-лерах E8 точность поддержания температуры с учетом погрешности измерения составляет +/-0,3 С.
От точности измерения и задания уставок температуры и параметров регулирования зависит ряд рабочих и эксплуатационных характеристик системы отопления, в том числе – экономичность.
Наиболее удобно задавать параметры регулирования коэффициентом усиления в обратной связи контура (как реализовано в модели E8). Так, при отклонении температуры помещения от заданной уставки в температуру теплоносителя соответствующего отопительного контура дополнительно вносится коррекция. В результате для контуров, обслуживающих сильно охлажденные помещения, температура теплоносителя будет приближаться к максимально возможной (режим форсировки). По мере прогрева помещений температура теплоносителя будет пропорционально снижаться вплоть до значения, определяемого кривой отопления.
Учет постоянной времени регулирования производится посредством задания параметра инерционности нагрева помещения, измеряемого в часах.
Рассмотренный способ регулирования температуры помещений эффективен при совместном использовании, например, электрического и печного отопления. При повышении температуры помещения за счет теплоотдачи печи температура теплоносителя в соответствующем контуре снижается (вплоть до его отключения). Тем самым отпадает необходимость управления системой вручную.
Программируемое термостатирование помещений заключается в изменении уставки температуры отапливаемых контуром помещений согласно заданной программе. Реализация такого способа управления позволяет устанавливать температуру помещений в соответствии с потребностями в нагреве в текущий момент времени, что дает возможность существенно снижать затраты энергии на отопление.
Возможность задавать несколько программ, быстро изменять график отопления без перенастройки уставок температуры и временных значений может быть использована, например, если в зависимости от условий применения системы, погоды, самочувствия людей и т.п. требуются разные режимы обогрева помещений.
Большинство представленных на рынке погодозависимых контроллеров (производители – Kromschroder, Honeywell, Fantini Cosmi и др.) это обеспечивают.
Организация раздельных независимых температурных режимов отопления помещений – следующий шаг в достижении комфорта и экономии энергии, затрачиваемой на отопление. Суть решения состоит в том, что отопление отдельных помещений, их групп или строений производится собственной подсистемой (контуром). Особенно это актуально, если обслуживаемые помещения обладают различной периодичностью использования, конфигурацией, массой и теплоемкостью ограждающих конструкций.
Раздельное отопление осуществляется за счет устройства многоконтурной системы с одним котлом или каскадом теплогенераторов. На рис. 4 представлен пример упрощенной функциональной схемы системы отопления с независимым контуром и регулированием по температуре наружного воздуха.
004
Рис. 4. Упрощенная функциональная схема погодозависимой системы отопления с неза-висимым и зависимым контурами: ТГ – теплогенератор; Нк – циркуляционный насос кол-лектора; Рк – потребители тепла, подключенные в цепь коллектора; СМ2, Н2 – соответст-венно трехходовой смесительный клапан с электрическим приводом и циркуляционный насос независимого контура; Р1 – потребители тепла зависимого контура, подключенного в точках а, б ; Р2 – потребители тепла независимого контура; Дк – датчик температуры те-плоносителя на выходе теплогенератора; Ду – датчик уличной температуры; Д1, Дп1 – дат-чики температуры теплоносителя на входе независимого контура и температуры помеще-ния соответственно; РК – разделительный клапан с электрическим приводом; К – управ-ляющий погодозависимый контроллер; красными линиями условно показано электриче-ское подключение элементов системы к контроллеру
Система работает следующим образом. Циркуляция теплоносителя через коллектор и зависимый контур обеспечивается насосом Нк; через независимый – насосом Н2. В цепи теплогенератора (коллекторе) потоки теплоносителя из обоих контуров складываются. По данным датчиков температуры на улице Ду и в помещениях Дп2 и Дп1 управляющим контроллером К рассчитывается значение температуры теплоносителя в коллекторном контуре. Как правило, оно соответствует максимальному из запрашиваемых каждым потребителем с учетом потерь на доставку теплоносителя. Температура теплоносителя на выходе котла непрерывно контролируется датчиком Дк, с учетом показаний которого производится управление мощностью теплогенератора (или каскада).
Температура теплоносителя на входе независимого контура также рассчитывается с учетом температуры на улице и в отапливаемом помещении и контролируется датчиком Д2. Согласно показаний последнего и расчетной температуры теплоносителя на входе контура производится управление смесительным клапаном СМ2 посредством электропривода. При большой разнице расчетной и фактической температур теплоносителя на входе независимого контура прямая ветвь клапана полностью открыта и имеет место параллельная циркуляция жидкости через коллекторный и независимый контура, включая теплогенератор. По мере прогрева теплоносителя в независимом контуре прямая ветвь смеси-тельного клапана начинает закрываться совместно с открытием входа, подключенного к обратной магистрали, охлажденный теплоноситель из которой частично подмешивается к поступающему на вход контура. Вне зависимости от степени открытия смесительного клапана циркуляция через контур, сопряженный с последним, остается постоянной. Такое решение обладает существенным преимуществом по сравнению с классической одно- или двухтрубной системой отопления с параллельными контурами. При полном закрытии прямой ветви циркуляция в отопительных контурах производится раздельно; расход тепла определяется только потребителями, включенными в зависимый контур Рк, и при достижении требуемых расчетных температур помещения теплогенератор отключается, циркуляционные насосы останавливаются. В независимом контуре производится эффективное расходование накопленной тепловой энергии.
Исполнительные элементы рассмотренной системы отопления – циркуляционные насосы, смесительные, байпасные, зональные и другие клапаны и приводы к ним – широко представлены на отечественном рынке.
Такой контроллер как E8.5064 («топовая» модель упомянутой выше серии E8) способен одновременно управлять двухступенчатым котлом, двумя независимыми отопительными контурами со смесительными клапанами и насосами, контуром ГВС, твердотопливным теплогенератром и солнечным коллектором. При этом измеряется и поддерживается температура в двух раздельных помещениях. При использовании модулей расширения, управляемых по цифровой шине, число независимых отопительных контуров может быть увеличено до 16, а число котлов или ступеней их мощности – до восьми.
При необходимости в системе отопления должны быть также учтены требования эффективного расхода энергии при совместной работе различных источников (например, электрический и твердотопливный котлы, тепловой насос, гелиоустановка) и потребителей (радиаторы, «теплый пол», система ГВС) тепловой энергии.
В современных котроллерах отопления это предусмотрено в качестве штатной функции или за счет использования дополнительных модулей расширения.
Возможность дистанционного управления системой отопления позволяет достичь дополнительного комфорта в случае, если обслуживаемое помещение посещается нерегулярно. Рассматриваемая функция реализуется, если у контроллера системы отопления предусмотрена возможность изменения режима работы посредством внешней шины, которая также часто используется для конфигурирования и ввода рабочих параметров устройства через персональный компьютер. В контроллерах различных производителей это реализовано по-разному. Например, в регуляторе EV87 фирмы Fantini Cosmi (Италия) возможность двустороннего обмена данными обеспечивается с помощью интерфейса RS-232 и открытого протокола обмена данными, поддерживаемого GSM-модемом; управление производится посредством SMS-команд.
Ряд современных контроллеров поддерживает удаленный мониторинг состояния отапливаемого объекта и системы отопления. Это используется для отслеживания внештатных ситуаций в работе системы, регистрации выхода температур за пределы установленных значений, накопления статистик для точной настройки параметров регулирования, проведения планового техобслуживания.
Минимальная тепловая инерционность системы позволяет достичь технических и экономических преимуществ.
Рассматриваемый параметр влияет на скорость протекания переходных процессов (нагрева и охлаждения теплоносителя) в котле и отопительных приборах. При высокой инерционности в системе отопления имеют место такие негативные эффекты как перерегулирование, колебательный характер и высокая длительность переходных процессов. Помимо дополнительных затрат энергии, возникающих вследствие неэффективного управления, указанные процессы сокращают ресурс отопительного оборудования.
Снизить инерционность системы можно за счет оптимизации ее конструкции на основании предварительно проведенных теплового и гидравлического расчетов, уменьшения объема теплоносителя и металлоемкости – за счет выбора оптимальных сечений гид-равлических магистралей и установки теплоотдающих приборов с минимальной емко-стью.
Журнал «Аква-Терм» №6(58)