Приложение 1. Подбор радиаторных термостатических клапанов (РТК)

1. Основные типы РТК

Основные типы РТК приведены в табл. 1.1.

2. Расход теплоносителя и перепад давления на РТК

Расчетный расход воды через РТК G2ТР, кг/ч, для двухтрубных систем отопления определяют по формуле:

где Q — тепловая мощность отопительного прибора, кВт;
c — удельная теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/(кг . °С);
t — расчетная разность температур теплоносителя в системе отопления, которую для двухтрубных систем рекомендуется принимать равной 20 °С.

Расчетный расход теплоносителя через РТК G1ТР, кг/ч, для однотрубных систем отопления определяют по формуле:

где QСТ — тепловая мощность, кВт, отопительных приборов однотрубного стояка (или ветви);
— коэффициент затекания воды в отопительный прибор;
c — то же, что и в формуле 1.1;
tСТ — расчетная разность температур теплоносителя в стоякe (или ветви) однотрубной системы отопления.

Расчетный перепад давлений на каждом термостатическом клапане двухтрубной системы отопления, PРТК, кПа, рассчитывается по формуле:

где P'СО — контролируемый перепад давлений, кПа.

При отсутствии на ветви системы отопления регулятора перепада давления контролируемый перепад давлений принимается равным давлению, развиваемому циркуляционным насосом системы (P'СО = PН).

Для ветвей системы с регуляторами перепада давления P'СО принимается равным заданному перепаду давления для ветви, который рекомендуется принимать равным 5-7 кПа; PУЧ — сумма потерь давления, кПа, на всех участках подающего и обратного трубопроводов, замыкающихся на отопительном приборе циркуляционного кольца системы отопления или ее ветви, если перепад давления в этой ветви поддерживается автоматически;
PE — максимальное естественное давление, кПа, которое должно рассчитываться по формуле:

где g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2;
— среднее приращение объемной массы воды при охлаждении ее на 1 °С, которое в интервале температур теплоносителя 65…95 °С принимается равным 0,624 кг/(м3 . К);
t — расчетнаяразность температур воды в подающем и обратном трубопроводах системы отопления, °С ;
HПР — отметка, м, отопительного прибора;
HИТ — отметка, м, источника тепла.

При расположении источника тепла в подвале здания выражение в скобках формулы 1.4 и, соответственно, величина естественного давления будут иметь положительное значение, а в случае подачи тепла сверху — отрицательное.
При t = 20 °С:

При конструировании двухтрубной системы отопления необходимо учитывать рекомендацию об авторитете клапана в системе трубопроводов*, согласно которой значение авторитета на каждом клапане системы отопления нужно поддерживать в интервале от 0,5 до 0,7 с возможным снижением нижнего предела до величины 0,3.

Потеря давления в термостатическом клапане, работающем в зоне пропорциональности 2 К, как правило, должна быть не менее 3 и не более 25 кПа. Если из условия поддержания величины авторитета клапана в системе трубопроводов в рамках рекомендуемых значений требуется установка термостатических клапанов с гидравлическим сопротивлением более 25 кПа, нужно переконструировать систему отопления, установив на ее ветвях дополнительное количество клапанов перепада давления или разбив ее на гидравлически обособленные зоны.

3. Подбор клапанов для двухтрубных систем

Тип термостатического клапана отопления и его наладочное положение выбираются по диаграммам изготовителя с учетом величин расчетного для отопительного прибора расхода теплоносителя G2ТР, определяемого по формуле 1.1, и расчетного перепада давлений PРТК, рассчитываемого по формуле 1.3.

Диаметр условного прохода РТК выбирается по диаметру подводки, на которой он устанавливается.

Производители РТК обычно приводят в своих каталогах диаграммы для выбора клапанов.

На диаграммы вентилей клапанов типа 1 (типы вентилей указаны в табл. 1.1) нанесены линии зон пропорциональности 1 К, 2 К и 3 К, а также линия max, характеризующая работу клапана при полном открытии. Пример такой диаграммы показан на рис. 1.1.

Клапан типа 1, не требующий наладки и применяющийся в системах отопления небольших зданий, а также в системах многоэтажных зданий совместно с клапаном для обратных подводок, выбирается по величине расчетного расхода для работы в зоне пропорциональности 2 К.

На диаграммы клапанов типа 2 и 3 нанесены линии наладочных положений для зоны пропорциональности 2 К. Эти клапаны применяются в системах многоэтажных зданий. Пользуясь диаграммой выбранного типа клапана, на пересечении ординаты G2ТР и абсциссы PРТК находят точку и принимают наладочное положение клапана, линия которого проходит ближе всего к найденной точке пересечения (рис. 1.2).

На диаграммы клапанов типа 4 наносятся линии фиксированных положений клапанов для зоны пропорциональности 2 К. Эти клапаны применяются в системах тех многоэтажных зданий, при эксплуатации которых неприкосновенность настройки не может быть обеспечена. На поле диаграммы выбранного типа клапана находят точку пересечения ординаты G2ТР и абсциссы PРТК и принимают то фиксированное положение клапана, линия которого проходит ближе всего к найденной точке пересечения.

Выбрать клапан можно и без диаграммы. Для этого нужно вычислить требуемую величину его пропускной способности KV, м3/ч, по формуле:

где G2ТР — расход воды, кг/ч, вычисляемый по формуле 1.1;
PРТК — располагаемое давление, кПа, вычисляемое по формуле 1.3.

В каталогах производителей указаны величины пропускной способности для трех зон пропорциональности клапана типа 1, для каждого наладочного положения клапана типов 2, 3, а также для любого фиксированного значения клапана типа 4. Остается только выбрать по каталогу значение, ближайшее к величине, рассчитанной по формуле 6.

Рассчитав величину KV, проектировщик может выбрать подходящий клапан любого производителя или при необходимости заменить один тип РТК другим, пользуясь только каталожными характеристиками клапанов.

Пример 1.1.

Необходимо выбрать РТК для радиатора тепловой мощностью 1,56 кВт, установленного в помещении на 12- м этаже многоэтажного здания. Источник тепла расположен в подвале. На стояке установлен регулятор перепада давления, автоматически поддерживающий разность давлений PСО = 35 кПа. Гидравлическим расчетом установлено также, что суммарное сопротивление всех участков контура циркуляции PУЧ, проходящего через рассматриваемый радиатор, составляет 12,9 кПа.

Расход воды через РТК вычисляется по формуле 1.1:
G2ТР = 3,6 . 103 . Q/(c . t),= 3,6 . 103 . 1,56/[4,187 . (90-70)] = 67,1 кг/ч.

Величина максимального естественного давления рассчитывается по формуле 1.5: PE = 0,122 . (HПР - HИТ).
При высоте этажа 3 м отметка отопительного прибора HПР, расположенного на 12 этаже, составит 12 . 3 =
= 36 м, в то время как отметка расположенного в подвале источника тепла,HИТ составит 2 м.
PE = 0,122 . (36 - (-2))= 4,64 кПа.

Располагаемое давление рассчитывается по формуле 1.3, в которой, согласно условию,P'СО = 35 кПа.
PРТК = P'СО - PУЧ - 0,4 . PE =35 - 12,9 - 0,4 . 4,64 = 20,24 кПа.

Эта величина находится в диапазоне удовлетворительных значений, так как соблюдается рекомендуемое неравенство 3 < 20,24 < 25.

Проверим теперь, будет ли выбранный режим работы РТК отвечать требованиям относительно авторитета.

Известно, что авторитет клапана в системе трубопроводов определяется как отношение перепада давлений в клапане к общему перепаду давлений в системе трубопроводов или в той части системы, в которой автоматически поддерживается заданный перепад давлений. Для нашего примера:
= PРТК / P'СО = 20,24 / 35 = 0,578.

Как видим, значение авторитета укладывается в рамки рекомендуемых европейскими нормами значений 0,5 < < 0,7. Поэтому конструировать систему заново не нужно, и можно приступать непосредственно к выбору клапана. Вычислим по формуле 1.6 требуемую величину пропускной способности клапана:
KV = 0,01 . G2ТР . (PРТК)-0,5 =0,01 . 67,1 . (20,24)-0,5 = 0,149 м3/ч.

Зная величину KV, можно выбрать термостатический клапан любой фирмы. Если выбор остановлен, например, на клапане RTD-N Danfoss, нужно лишь иметь информацию о значениях KV для всех настроек клапана. Посмотрим на эти значения из каталога для клапана DУ15 (см. табл. 1.2).

Ближайшим к расчетной величине KV = 0,149 м3/ч значением шкалы настройки является значение «3». Это значение нужно указать в проекте рядом с типом и типоразмером отопительного прибора, на подводке к которому устанавливается РТК.

Этот же результат можно получить, пользуясь диаграммой клапана, которую воспроизводит рис. 1.2. Точка пересечения линий, характеризующих расчетные условия работы РТК, находится вблизи линии «3».

4. Подбор клапанов для однотрубных систем

Проходной (двухходовый) термостатический клапан однотрубной системы отопления устанавливается на подводке к радиатору. При этом радиаторный узел (рис. 1.3) выполняется с замыкающим участком (байпасом), через который всегда проходит часть воды. При закрытии клапана расход воды через замыкающий участок увеличивается.

Проходные (двухходовые) РТК однотрубных систем выбирают по расходу воды, который определяется по формуле 1.2, но прежде, чем можно будет воспользоваться этой формулой, придется определить коэффициент затекания . Для этого нужно сделать предварительный выбор РТК.

Критерием предварительного выбора диаметра условного прохода клапана может служить, например, скорость воды в трубах. В многоэтажных домах клапаны DУ15 применить не удается из-за высокого гидравлического сопротивления, а трубы DУ25 стараются не применять, чтобы не создавать системы громоздкие и дорогие. Поэтому на этапе предварительного выбора для систем многоэтажных зданий рекомендуется остановиться на клапане DУ20.

Обратившись к каталогам, определим пропускную способность клапана KV2K, м3/ч, условным проходом 20 мм при его работе в зоне пропорциональности 2К и рассчитаем коэффициент затекания :

где SII — суммарная характеристика сопротивления двух параллельных участков, один из которых включает в себя отопительный прибор и подводки к нему вместе с РТК, а второй состоит из замыкающего участка. Характеристику сопротивления участка с отопительным прибором обозначим SПР, а замыкающего участка SЗУ. В табл. 1.3 приведены данные для расчета величин SПР и SЗУ.

Суммарная характеристика сопротивления двух параллельных участков радиаторного узла SII вычисляется по формуле:

Вычисления такого рода удобно выполнять на компьютере, используя программу Excel. Для ручных вычислений рекомендуется номограмма (рис. 1.4). Для получения величины суммарной характеристики сопротивления S1,2 II двух параллельных участков S1 и S2 нужно отметить точками величину S1 на левой, а величину S2 на правой шкале. Соединив эти точки прямой линией, можно прочитать значение S1,2 II в точке ее пересечения с центральной шкалой. Линия, проведенная на рис. 1.4, иллюстрирует расчет к примеру 1.2.

После того, как будут определены характеристики сопротивления, можно вычислить по формуле 1.7 коэффициент затекания .

Расход воды G1ТР, кг/ч, через РТК рассчитывается по формуле 1.2, а перепад давлений PРТК, кПа, на клапане определяется по формуле:
где — плотность воды, кг/м3.

При установке m однотипных РТК на одной однотрубной ветви ее гидравлическое сопротивление, PB, кПа, определяется по формуле:
где PTP — гидравлическое сопротивление, кПа, всех не входящих в радиаторные узлы трубопроводов однотрубной ветви, включая сопротивления прямых участков и местные сопротивления.

Величину PB необходимо сопоставить с величиной располагаемого давления PB.P, кПа, которая определяется по формуле:
где PH — перепад давлений, кПа, развиваемый циркуляционным насосом или элеватором однотрубной системы;
PУЧ.1 — сумма потерь давления, кПа, на всех участках подающего и обратного трубопроводов циркуляционного контура, замыкающегося на рассматриваемой однотрубной ветви.

Если значения PB и PB.P близки друг к другу, можно считать, что предварительный выбор диаметра условного прохода РТК был сделан правильно, и дальнейшая точная увязка достигается установкой балансировочных вентилей.

При PB > PB.P необходимо переконструировать однотрубную ветвь, увеличив диаметры замыкающих участков или/и подводок с установленными на них РТК.

При PB < PB.P необходимо принять решение об уменьшении диаметров замыкающих участков или (и) подводок или о дросселировании потока путем установки балансировочных вентилей. При использовании трехходовых термостатических клапанов в однотрубной системе отопления, они устанавливаются в точке разделения потока воды, направляющейся по подводке к радиатору и по обходному участку (рис. 1.5).

Трехходовые термостатические клапаны выбирают по расходу воды, G1ТР, кг/ч, который определяется по формуле 1.2 при величине = 1, несмотря на то, что фактический коэффициент затекания Ф реальных трехходовых РТК единице не равен, и при расчете поверхности отопительных приборов нужно учитывать его реальное значение, которое приводится в каталогах.

Перепад давления на трехходовом клапане PРТК, кПа, определяется по формуле 1.9, предварительно задаваясь значением диаметра условного прохода.

При установке m однотипных трехходовых РТК на одной однотрубной ветви ее гидравлическое сопротивление, PB, кПа, определяется по формуле:

где SПР — характеристика сопротивления, кПа/(т/ч)2, радиатора и подводок к нему, величину которой можно принимать равной свободному члену выражений, приведенных в табл. 1.3, то есть 6,89, 1,59 и 0,56;
Ф — фактический коэффициент затекания при положении трехходового РТК, соответствующем зоне пропорциональности 2 К, принимаемый по каталогу;
PТР — гидравлическое сопротивление, кПа, всех не входящих в радиаторные узлы трубопроводов однотрубной ветви.

Порядок сопоставления величин гидравлического сопротивления однотрубной ветви с располагаемым циркуляционным давлением не отличается от соответствующей операции для ветвей с проходными РТК. В тех случаях, когда величины гидравлического сопротивления и располагаемого давления значительно отличаются друг от друга, приходится применять РТК с другим, чем это было принято предварительно, диаметром условного прохода. При этом диаметр обходного участка при применении трехходовых клапанов принимается равным диаметру подводки.

Сопротивление стояка с трехходовыми клапанами, как правило, выше, чем сопротивление такого же стояка с клапанами проходными. Поэтому нужно выбирать циркуляционный насос, способный развивать соответствующее давление.

Пример 1.2.

Необходимо выбрать проходные РТК для радиаторов однотрубного стояка 16-этажного жилого дома при общей тепловой мощности всех радиаторов этого стояка 21,6 кВт. Давление, развиваемое циркуляционным насосом PН = 50 кПа. Система работает с расчетными температурами воды 95-70 °С. Суммарное сопротивление всех участков контура циркуляции PУЧ, замыкающегося рассматриваемым стояком, составляет 22,5 кПа, а сопротивление не входящих в радиаторные узлы трубопроводов стояка PТР равно 18,2 кПа.

Сделаем попытку применить проходные РТК Danfoss условным проходом 20 мм, понимая, что сопротивление РТК DУ15 в однотрубной системе отопления 16-этажного дома будет чрезмерно высоким, а применение РТК DУ25 представляется нежелательным из ценовых и эстетических соображений.

Из каталога Danfoss выбираем клапан RTD-G и находим значение KV при работе в зоне пропорциональности 2К: KV2K = 1,9 м3/ч. Далее, пользуясь данными табл. 1.3, находим характеристики сопротивления участков радиаторного узла с замыкающим участком DУ15:

SПР = 100/(KV2K)2 + 1,59 = 100/1,92 + 1,59 = 29,3 кПа/(т/ч)2;
SЗУ.15 = 4,69 кПа/(т/ч)2.
Суммарная характеристика сопротивления двух параллельных участков радиаторного узла вычисляется по формуле 1.8:
SII = (SПР-0,5 + SЗУ-0,5)-2 == (29,3-0,5 + 4,69-0,5)-2 == 2,39 кПа/(т/ч)2.

Такой же результат может быть получен при помощи номограммы (рис. 1.4).

Коэффициент затекания вычисляется по формуле 1.7:
= (SII/SПР)0,5 =  (2,39/29,3)0,5 = 0,286.

Расчетный расход теплоносителя через РТК G1ТР, кг/ч, определяется по формуле 1.2:
G1ТР = 3,6 . 103 . QСТ . /(c . tСТ) =3,6 . 103 . 21,6 . 0,286/[4,187 . (95-70)] = 212,5 кг/ч.

Перепад давлений PРТК, кПа, на клапане рассчитывается по формуле 1.9:
PРТК = 100 . [(G1ТР/)/KV2K]2 =  100 . [(212,5/972)/1,9]2 = 1,324 кПа.

Гидравлическое сопротивление однотрубной ветви, PB, кПа, состоящей из 16-ти последовательно соединенных радиаторных узлов, определяется по формуле 1.10:
PB = m . PРТК + PTP = 16 . 1,324 + 18,2 = 39,38 кПа.

Величину гидравлического сопротивления стояка нужно сопоставить с величиной располагаемого давления, которая вычисляется по формуле 1.11:
PB.P = PH - PУЧ.1 = 50 - 22,5 = 27,5 кПа.

Поскольку величина гидравлического сопротивления стояка больше величины располагаемого давления (39,38 > 27,5), необходимо переконструировать стояк.

Определим возможность использования РТК DУ20 в радиаторных узлах с замыкающими участками DУ20. Выполним вычисления аналогичные тем, которые выполнялись в этом примере ранее:
SПР = 29,3 кПа/(т/ч)2;
SЗУ.20 = 1,23 кПа/(т/ч)2;
SII = (29,3-0,5 + 1,23-0,5)-2 = 0,847 кПа/(т/ч)2;
=(0,847/29,3)0,5 = 0,17;
G1ТР = 3,6 . 103 . 21,6 . 0,17/[4,187 . (95 - 70)] = 126,3 кг/ч;
PРТК = 100 . [(126,3/972)/1,9]2 = 0,468 кПа;
PB = 16 . 0,468 + 18,2 = 25,7 кПа;
25,7 < 27,5.
Таким образом, замена диаметра замыкающего участка радиаторного узла позволила привести гидравлическое сопротивление стояка в соответствие с располагаемым давлением без увеличения диаметра РТК. Однако, эта замена привела к существенному (от 0,286 до 0,17) понижению коэффициента затекания, что должно быть должным образом учтено при расчете поверхности отопительных приборов.

Пример 1.3.

Необходимо рассчитать величину давления, PН, которое должен развивать циркуляционный насос системы отопления, и выбрать трехходовые РТК для радиаторов однотрубного стояка 16-этажного жилого дома, основные параметры которого такие же, как и в примере 1.2, а именно:
Q = 21,6 кВт;
t1 - t2 = 95-70 °С;
PУЧ = 22,5 кПа;
PТР = 18,2 кПа.

Из каталога Herz выбираем трехходовой клапан CALIS-TS-E-3D DУ20 и находим значение KV при работе в зоне пропорциональности 2 К: KV2K = 3,33 м3/ч. В отличие от ручных трех-ходовых клапанов, которые в открытом положении обеспечивают подачу на радиатор всего количества воды, циркулирующей через стояк, термостатические трехходовые клапанымогут пропустить на радиатор только часть расхода. В частности, выбранный нами клапан в положении 2К подаст на радиатор (согласно каталогу) только треть расхода (Ф = 0,33). Расчетный расход теплоносителя через РТК G1ТР, кг/ч, определяется по формуле 1.2 при величине = 1: G1ТР = 3,6 . 103 . 21,6 . 1,0/ [4,187 . (95 - 70)] = 742,9 кг/ч.

Перепад давлений PРТК, кПа, на клапане рассчитывается по формуле 1.9:
PРТК = 100 . [(742,9/972)/3,3]2 = 5,364 кПа.

Гидравлическое сопротивление однотрубной ветви, PB, кПа, состоящей из 16-ти последовательно соединенных радиаторных узлов, определяется по формуле 1.12:
PB = 16 . [5,364 + 1,59 . (0,33 . 0,001 . 742,9)2]+18,2 == 105,6 кПа.

Как видим, сопротивление стояка велико, и уменьшить его практически невозможно, потому что 3-ходовые клапаны CALIS-TS-E-3D выпускаются только диаметром условного прохода 20 мм. Для того, чтобы система с такими стояками работала нормально, нужно выбрать циркуляционный насос, способный развивать давление, величину которого нужно рассчитать по преобразованной формуле 1.11:
PH = PВ + PУЧ.1 = 105,6 + 22,5 = 128,1 кПа.

Такие расчеты должны выполняться для каждого стояка системы, и давление насоса выбирается с учетом наибольшего значения величины PН, рассчитанной таким образом. Гидравлическая увязка стояков однотрубных систем при необходимости должна производиться ручными балансировочными кранами.

Приложение 2. Определение теплозащитных свойств жилого дома, достаточных для применения теплового насоса, использующего теплоту стоков

Количество тепловой энергии QО, Дж, необходимое для отопления от теплового насоса характерной комнаты жилого дома в течение суток самой холодной пятидневки можно вычислить по формуле:
QО = 3600 . ZTH . [(FCT/RCT) + (FО/RО)] . kB . tB, (2.1)
где RCT и RО — термические сопротивления, м2 . °С/Вт, стен и окон комнаты;
tB — разность температур, °С, воздуха внутри и снаружи здания;
kB — коэффициент, учитывающий затраты тепла на вентиляцию;
3600 — количество секунд в часе;
ZTH — число часов работы отопления от теплового насоса в течение суток.

Количество энергии QО следует сопоставить с отнесенной на одну комнату энергией QCT, Дж, содержащейся в канализационных стоках, удаляемых за сутки из осредненной квартиры.
QCT = n . N . cB . tГB . [(+ 1)/] . , (2.2)
где n — количество жителей, приходящихся на одну комнату;
N — норма потребления горячей (+55 °С) воды, л/(чел. . сут.);
cB — теплоемкость воды, равная 4190 Дж/(кг . °С);
tГB — разность конечной и начальной температур при подогреве воды;
— коэффициент преобразования теплонасосной установки;
— коэффициент потерь.

Для того, чтобы теплоты стоков хватило для отопления, должно соблюдаться равенство:
QО = QCT. (2.3)
Пользуясь этим равенством, можно определить минимальное термическое сопротивление стены жилого дома, которое при прочих заданных условиях обеспечит возможность применения теплового насоса, использующего теплоту стоков от этого дома. Для этого нужно решить уравнение 2.3 относительно переменной величины RCT: (2.4)

Пример 2.1.

Для характернойкомнаты жилого дома приняты параметры, указанные в табл. 2.1. Определить минимальное термическое сопротивление стены жилого дома, которое при указанных параметрах обеспечит возможность применения теплового насоса, использующего теплоту стоков от этого дома.

Подставив принятые значения исходных данных в формулу 2.4, получим RCT = 3,9 м2 . К/Вт. Такое термическое сопротивление стены может быть получено при толщине эффективного утеплителя около 15 см. Несмотря на то, что каждая величина из числа исходных данных для нашего расчета находится в пределах реально достижимого значения, можно предположить, что все эти величины вместе на каком-либо конкретном здании не удастся вместить в жесткие рамки оптимальных значений. Представим, например, что исключительность фасадного решения здания потребовала от архитектора увеличить площадь остекления, и величина FО возросла до 6 м2, а площадь стены соответственно уменьшилась. Расчет по формуле 2.4 приводит в этом случае к абсурдному (отрицательному) результату, означающему лишь то, что утеплять стены при чрезмерно развитом остеклении нерационально, что, впрочем, и без расчета понятно. Что можно предпринять в этом случае? Несложная математическая модель, основанная на применении формул 2.1…2.3, позволяет поставить и решить, например, следующую задачу.

Пример 2.2.

До каких морозов будет эффективно работать тепловой насос на канализационных стоках в доме с развитым остеклением (FО = 6 м2 в характерной комнате) и утепленными по действующим нормам стенами (RCT = 2,5), если остальные исходные данные такие же, как в табл. 2.1?

Решение уравнения 2.3 относительно величины tB приводит к результату tB = 26,2 °С, что соответствует морозу -6,2 °С при нормативной (+20 °С) внутренней температуре. Только в течение относительно короткого промежутка времени, когда столбик термометра будет опускаться ниже -6 °С, теплоты канализационных стоков будет недостаточно для отопления. В этом случае придется дополнительно использовать теплоту грунта, находящегося непосредственно под зданием, а также теплоту вытяжной вентиляции, в то время как основным источником тепловой энергии останется условно чистая часть канализационных сточных вод. ■

Автор Гершкович В.Ф.,руководитель Центра энергосбережения КиевЗНИИЭП, канд. техн. наук