Балансировка гидравлических контуров для систем тепло- и холодоснабжения
Теоретически, современные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха способны удовлетворять наиболее взыскательным требованиям к микроклимату и экономичности. Однако на практике даже наиболее сложные системы не всегда работают так, как было задумано. В результате, с фактически созданными климатическими условиями приходится мириться, а эксплуатационные расходы оказываются выше, чем ожидалось.
Часто это происходит потому, что такая система не удовлетворяет некоторым необходимым условиям. Вот три важнейших условия:
- Расчетный расход должен быть действительно обеспечен во всех частях системы;
- Перепад давления на регулирующих (в том числе термостатических) клапанах не должен слишком сильно изменяться;
- Расходы должны быть согласованы в узловых точках системы.
Нарушение первого условия приводит к возникновению следующих проблем:
- энергетические затраты выше, чем ожидалось;
- мощность источника тепла не передается на радиаторы при промежуточных и/или высоких нагрузках;
- слишком жарко в одних частях здания, слишком холодно в других его частях;
- слишком долгое время требуется для достижения требуемой температуры после запуска системы или смены режимов.
Энергия, передаваемая воздуху радиатором, калорифером или фэнкойлом зависит от температуры и расхода подаваемой воды. Для получения требуемой комнатной температуры управляют именно этими параметрами. Такое управление возможно, только если требуемые расходы воды достижимы.
Некоторые специалисты считают, что достаточно указать проектные расходы на чертеже, чтобы получить их в трубах. В действительности же, чтобы получить требуемые расходы, нужно их измерить и откорректировать, поскольку невозможно учесть монтажные факторы. Да и сам проект делается с большими допущениями. Именно поэтому настоящие специалисты убеждены, что гидравлическая балансировка безусловно необходима. Дискуссия ограничивается следующим вопросом: как провести эту балансировку? Например, возможно ли достичь корректного распределения расходов путем тщательного выбора размеров оборудования и трубопроводов?
Теоретически, ответом будет "да". Но на практике, это всего лишь мечта. Источники энергии, насосы, трубопроводы и нагрузки проектируются, исходя из необходимости покрытия максимальных потребностей в тепле или холоде. Если размер одного звена в цепи выбран неправильно, остальные оптимально работать не будут. В результате, требуемый климат в помещении достигнут не будет.
Некоторого завышения характеристик не удастся избежать, поскольку компоненты установки приходится выбирать из диапазона существующих на рынке. Как правило, их характеристики не подходят под расчетные. Более того, на стадии проектирования характеристики некоторых компонентов вообще не известны, так как они будут выбираться подрядчиком на более поздних этапах. Следовательно, потом приходится модифицировать проект системы для учета фактически установленных элементов, которые часто отличаются от предусмотренных изначально.
Гидравлическая балансировка позволяет получить требуемые расходы в уже установленной системе, компенсируя завышение характеристик и оправдывая сделанные инвестиции.
Системы распределения с постоянным расходом
В системе распределения с постоянным расходом (рис. 1а) рассчитывается трехходовой клапан для создания падения давления, как минимум равного проектному падению давления на нагрузке С. Это означает, что подходящий регулирующий клапан имеет коэффициент управления как минимум 0,5. Если падение давления на нагрузке плюс падение давления на клапане составляет 20 кПа и возможный перепад давления (?H) 80 кПа, то разница в 60 кПа может гаситься балансировочным клапаном STAD1 производства Tour&Andersson (рис. 2).
Рис. 1. Примеры схем для систем с распределением постоянных расходов.
Рис. 2. Балансировочный клапан
Если клапана не поставить, то в контуре будет создаваться перерасход в 200%, затрудняя управление и создавая помехи в остальных частях системы.
В схеме, изображенной на рис. 1б, необходим балансировочный клапан. Без него обходная перемычка АВ будет коротким замыканием с избыточным перерасходом, приводящим к недостаточному расходу в остальной части установки. С помощью балансировочного клапана STAD2 первичный расход qp корректируется до значения, несколько большего, чем вторичный проектный расход qs, измеряемый и подстраиваемый посредством балансировочного клапана STAD3.
Балансировка обеспечивает корректное распределение расходов, предотвращая эксплуатационные проблемы и позволяя органам управления выполнять свои функции.
Системы распределения с переменным расходом
В системе распределения с переменным расходом (рис. 3) проблемы недостаточного расхода случаются чаще всего при высоких нагрузках.
Рис. 3. Пример системы с распределением переменных расходов.
На первый взгляд, нет причины балансировать систему с двухходовыми регулирующими клапанами на нагрузках, так как эти клапаны специально устанавливаются для изменения расхода до требуемого уровня. Поэтому, вроде бы, гидравлическая балансировка достигается автоматически. Однако после тщательных расчетов вы обнаружите, что регулирующие клапаны с точным значением Kvs в продаже отсутствуют, поэтому характеристики большинства клапанов придется завышать. Во многих ситуациях не удастся избежать общего открытия регулирующих клапанов. Например, при запуске системы, когда происходят крупные неполадки, когда некоторые термостаты выставлены на минимальные, а некоторые на максимальные величины, или когда занижены размеры некоторых радиаторов. Это будет создавать недостаточный расход в других контурах.
Использование насоса с переменной скоростью не решит данной проблемы, так как все расходы будут изменяться пропорционально при изменении напора насоса. Попытка избежать перерасхода таким способом просто сделает недорасход более значимым.
Установка в целом разрабатывается для обеспечения ее максимальной мощности при максимальной нагрузке. Поэтому очень важно, чтобы при необходимости эта максимальная мощность была доступна. Гидравлическая балансировка, проведенная при условиях проектирования, гарантирует, что все терминалы смогут получать требуемый расход. При частичной загрузке, когда некоторые регулирующие клапаны закрыты, доступные перепады давления на участках системы могут только увеличиваться. Если избежать недостаточного расхода при максимальной нагрузке, то оно не произойдет и при других условиях.
Утренний запуск системы, смена режимов
В системе распределения с переменным расходом утренний запуск (после ночного экономного режима) или резкая смена режимов является важной ситуацией, поскольку полностью открываются большинство регулирующих или термостатических клапанов. Это создает перерасходы, которые приводят к непредсказуемым падениям давления в некоторых трубопроводных сетях и, соответственно, недостаточному расходу. Удаленные контуры не будут получать достаточного расхода до тех пор, пока клапаны на более близких к насосу контурах не начнут закрываться. Следовательно, запуск системы и выход на новый режим затруднен и занимает много времени.
В системах распределения с постоянным расходом перерасход/недорасход остается как во время запуска, так и после него, делая проблему еще более сложной.
Требования к средствам балансировки
Для балансировки установки требуемые средства должны удовлетворять следующим условиям:
- должна существовать возможность измерения расхода с точностью около ВВВ±5%;
- должна существовать возможность несложной регулировки расхода, что сделает установку гибкой;
- устройства, применяемые для балансировки, должны гарантировать долгосрочную надежность, они должны быть стойкими к агрессивному воздействию воды;
- устройства, применяемые для балансировки, должны без демонтажа выдерживать промывку системы, и не должны требовать применения специальных фильтров;
- положение регулировочных устройств должно легко считываться и храниться в защищенной скрытой памяти;
- для обеспечения хорошей разрешающей способности при считывании позиции устройства его полный диапазон регулировки (например, положение ручки клапана) должен иметь не менее четырех полных оборотов маховика;
- балансировочный конус должен иметь достаточно большие размеры с целью уменьшения вращающего момента, требуемого для настройки клапана при больших перепадах давления;
- функция отсечки должна также выполняться балансировочным клапаном;
- прибор должен включать простую балансировочную процедуру и возможность печати отчета о балансировке. Для диагностических целей прибор также должен обеспечивать регистрацию изменений во времени расходов, перепадов давления и температур.
Простота балансировки
Гидравлическая балансировка обеспечивает возможность проверки правильности установки и монтажа системы. Она позволяет обнаруживать и исправлять большинство неисправностей: наличие воздуха в системе, засоры, неисправности фильтров, отказы оборудования.
Использование метода ВВВ«ТА БалансВВВ», разработанного компанией Tour&Andersson (Швеция) является одним из самых легких способов балансировки. "ТА Баланс" является компьютерной программой, основанной на компенсационном методе. Она рассчитывает точные установки для балансировочных клапанов. Главным преимуществом данного метода является то, что один специалист может сбалансировать установку в целом с использованием только одного балансировочного прибора CBI.
Система должна быть разделена на модули. Один модуль формируется несколькими контурами, подсоединенными к одному подающему и возвратному трубопроводу. Каждый контур имеет свой собственный балансировочный клапан. Каждый модуль имеет общий балансировочный клапан, называемый партнерским клапаном (рис. 4). При использовании на радиаторах термостатических клапанов V-Exakt с настройкой, выпускаемых фирмой Heimeier (Германия) (рис. 5), нужно найти положения настроек по диаграмме, исходя из проектного расхода и перепада давления, как правило, равного 10 кПа.
Рис. 4. Балансировочный модуль.
Рис. 5. Термостатический клапан Heimeier
Прибор CBI обнаруживает сравнительный контур (то есть контур, обладающий наибольшим гидравлическим сопротивлением) и выставляет падение давления в 3 кПа для балансировочного клапана данного контура. Настройки для других балансировочных клапанов определяются, исходя из необходимости достижения относительной балансировки элементов внутри модуля. Эти настройки не зависят от фактически установленного напора на насосе или от настроек других балансировочных клапанов в системе. Определенные таким образом величины настроек выставляются и фиксируются.
Когда все модули по отдельности сбалансированы, далее производится балансировка модулей относительно друг друга с использованием аналогичной процедуры. На этом этапе определяются настройки партнерских клапанов.
Окончательно общий проектный расход выставляется с помощью главного балансировочного клапана. Весь избыток давления гасится и измеряется на этом клапане. Этот избыток иногда столь значителен, что можно устанавливать насос меньшей мощности или понизить скорость насоса с целью снижения расходов.
По завершении описанной операции проектные расходы будут обеспечены на всех нагрузках. Также выдается компьютерная распечатка со списком установленных величин, падений давления и расходов воды для каждого балансировочного клапана.
Заключение
Целью любой установки отопления, вентиляции и кондиционирования является создание комфортного климата в помещении при условии минимизации финансовых затрат и эксплуатационных проблем.
Одним из этих условий является обеспечение расчетного расхода на всех нагрузках. Для гарантированного выполнения этого условия необходимо проводить гидравлическую балансировку. Такая балансировка предотвращает избыточные расходы в одних контурах, приводящие к недостаточным расходам в других, выявляет степень избыточности в работе насоса и, в целом, проверяет, что установка работает именно так, как планировал ее разработчик.