Для чего нужна погодозависимая автоматика

В настоящей публикации на основе требований к микроклимату отапливаемых помещений жилых зданий, полученных ранее экспериментальных данных, а также известных законов физики, показана необходимость использования погодозависимой автоматики регулирования температуры теплоносителя в контуре системы отопления дома, находящегося на юго-востоке Московской области; приводится упрощённый расчёт и построение погодозависимой кривой отопления в сравнении с практическими значениями температуры теплоносителя.

Что содержит и как работает погодозависимая автоматика контура системы отопления

В простейшем случае погодозависмая автоматика контура системы отопления содержит:

  • Специальный терморегулятор цифровой [погодозависимый контроллер];
  • Датчики температуры уличного воздуха и температуры теплоносителя (воды);
  • Трехходовой смесительный кран (клапан) с электрическим сервоприводом - исполнительное устройство;
погодозависимая автоматика

Термодатчики для замера температур уличного воздуха и воды в контуре системе отопления подключаются к контроллеру, который управляет электрическим сервоприводом трехходового смесительного крана по определённому алгоритму. В целом алгоритм температурного регулирования заключается в корректировке температуры теплоносителя при изменении температуры воздуха на улице: с понижением последней температура теплоносителя повышается и наборот. Улучшенные цифровые терморегуляторы могут учитывать тепловую инерционность здания и системы отопления, устанавливаемые в настройках этого устройства. Более сложная погодозависимая автоматика может включать другие дополнительные датчики и исполнительные устройства, используя продвинутую программную логику.

Преимущества погодозависимой автоматики

В некоторых интернет-статьях или видеороликах отмечается только одно или два преимущества погодозависимой автоматики, либо указывается на полное отсутствие её положительных качеств.

Инженерно-технические специалисты осознают преимущества такой автоматики в экономии:

  • человеческих временных затрат
  • практически полностью отпадает необходимость по несколько раз за сутки вручную регулировать температуру воды в контуре системы отопления при изменении погодных условий;

  • топлива [природный газ, сжиженный газ, уголь или дрова, пеллеты и т.п.] или электрической энергии;
  • рациональное терморегулирование теплоносителя способствует сокращению потребления топлива и более рациональному использованию тепловой энергии, в особенности, при значительных перепадах суточних дневных и ночных температур уличного воздуха, что характерно весной и осенью;

  • денежных средств и затрат времени на содержание, ремонт и обслуживание контура системы отопления;
  • автоматика не допускает излишнего нагрева и, тем более, перегрева деталей и узлов контура системы отопления, позволяя продлить их срок службы, который, как известно, возрастает по экспоненциальной зависимости с падением рабочей температуры.

Недостатки погодозависимой автоматики

В ряде публикаций в сети Интернет в качестве недостатка погодозависимой автоматики указывается её цена.
Цена является мерой суммарной стоимости продукции, это экономический фактор, поэтому она не может указываться в качестве недостатка любой продукции, в том числе, погодозависимой автоматики.

Недостатки могут проявляться только в основных показателей качества продукции:

  • в функциональном назначении;
  • в надежности;
  • технологичности;
  • безопасности и т.п.
В дополнение к цене нередко в других статьях в сети Интернет утверждается "сложность обслуживания" погодозависимой автоматики, как один из её главных недостатков.

Однако в подавляющем большинстве практических случаев после установки (монтажа) и настройки параметров качественного терморегулятора никакое его периодическое обслуживание не требуется. Для примера погодозависимая автоматика, содержащая трёхходовой смесительный кран и его сервопривод компании MUT, успешно выполняет своё функциональное назначение с 2015 года: вначале с терморегулятором ТРЦ-03 и теперь с МАПК ТРЦ-04 без затрат на периодическое обслуживание.

Когда ознакамливаешся с подобными утверждениями и последующими объяснениями, касающимися преимуществ и недостатков погодозависимой автоматики, то понимаешь, что такие "рерайтеры" никогда в жизни не сталкивались не то чтобы с её проектированием и изготовлением, но даже с установкой (монтажом) и последующей эксплуатацией, и предподносят свои не верные выводы широкой аудитории - фактически вводя её в заблуждение.

Необходимость регулирования температуры теплоносителя

В соответствии с п. 4.16.2 ГОСТ Р 51617-2000 в отапливаемых помещениях жилых зданий, коммунальных гостиниц и прочих коммунальных мест проживания должна быть обеспечена температура воздуха в соответствии с требованиями СНиП 2.08.01. Согласно этим документам оптимальнными показателями микроклимата помещений являются: темпертаура воздуха в жилых комнатах +18...+20 градусов Цельсия; в кухнях, гардеробных и коридорах +18 градусов Цельсия, при обеспечении необходимого воздухообмена в этих помещениях.

Когда температура воздуха внутри жилых помещений здания превышает температуру уличного воздуха, вследствие второго закона термодинамики происходит передача тепловой энергии от горячего источника к более холодному до наступления термодинамического равновесия, суммарное количество теплоты, переданное в окружающую среду, описывается основным уравнением теплопередачи:

общая зависимость суммарных тепловых потерь здания

которое представляет собой сумму тепловых потерь от всех i-х наружных поверхностей жилого здания: стены, окна (стеклопакеты), чердачные и подвальные помещения и т.п. В этой формуле площади наружных поверхностей здания, т.е. поверхности теплообмена Si - константы. Осреднённый коэффициент теплопередачи Ki вдоль поверхности теплообмена Si зависит от физических свойств и температур воздуха внутри жилых помещений и на улице, скорости ветра, физических свойств материалов перегородок и их геометрических размеров [ стены / стеклопакеты / утеплитель ] и т.п.

Суммарные теплопотери здания в окружающую среду примерно пропорциональны средней разности температур между теплоносителями Δti, т.е. между температурой воздуха внутри помещений и температурой воздуха на улице, за время τ, которое при сравнительных расчётах принимается постоянной, например, равной один час.

Закон Ньютона при охлаждении позволяет оценить количество тепла, отведённого с суммарной площади Sr радиаторов системы отопления при известном коэффициенте теплоотдачи αair_inside и разности между осреднёнными температурами теплоносителя twd и воздуха tair_inside внутри помещений.

суммарное количество тепла, отведённого от системы отопления воздуху в жилых помещениях
Исходя из вышеизложенного следует, что для обеспечения теплового баланса Qloose = Qheating и комфортных условий - необходимых показателей микроклимата в жилых помещениях с температурой воздуха tair_inside около +20 градусов Цельсия вследствие увеличения суммарных тепловых потерь здания с понижением температуры уличного воздуха, обязательно потребуется дополнительный подвод тепловой энергии в систему отопления, т.е. повышение температуры теплоносителя twd.

Экспериментальные данные в виде точек и функциональная зависимость в качестве штрих пунктирной кривой, полученная при их обработке, показаны на графике суммарных тепловых потерь здания в зависимости от средней суточной температуры уличного воздуха для скорости ветра до ~ 5,0 метров в секунду и при условии поддержания температуры воздуха внутри отапливаемых помещений на уровне +20 градусов Цельсия.

суммарные тепловые потери здания в зависимости от температуры уличного воздуха

Характер изменения тепловых потерь хорошо аппроксимируется с помощью квадратичной степенной зависимости. Принимается практическое условие: при +20 градусах Цельсия погодозависимая автоматика не работает и тепловые потери здания отсутствуют; при нуле градусов они возрастают до 6,8 киловатт за час, с падением температуры уличного воздуха до -20 градусов дом теряет примерно 11 киловатт тепловой энергии за тот же промежуток времени.

Для конкретного здания характерна своя функциональная зависимость суммарных тепловых потерь, которая может быть определена экспериментальным путём.

Погодозависимая кривая отопления

Функциональную зависимость необходимого изменения температуры теплоносителя в системе отопления от температуры уличного воздуха будем называть погодозависимой кривой отопления. При вполне определённых суммарных тепловых потерях здания можно оценочно определить значения необходимой температуры теплоносителя и, тем самым, рассчитать и впоследствии построить погодозависимую кривую отопления. Для этого запишем следующие выражения и принятые значения параметров:

выражения, формулы и значения параметров к расчёту погодозависимой кривой отопления

Первое уравнение представляет баланс между суммарными теплопотерями здания в окружающую среду, и подводимой тепловой энергией от системы отопления при условии обеспечения постоянства температуры воздуха внутри помещений tair_inside на уровне около +20 градусов Цельсия за одинаковый промежуток времени. Следующая зависимость является аппроксимацией экспериментальных данных суммарных тепловых потерь нашего дома в виде квадратичной функции. Общая площадь теплоотводящей поверхности Sr рассчитывается исходя из 136 шт. радиаторных секций, каждая из которых имеет площадь поверхности 0,435 м2 [расчёт радиаторной системы отопления]. Коэффициент теплоотдачи αair_inside оценивается по известной эмпирической зависимости для радиаторов RIFAR ALUM 500. Последняя формула* получена из первой при подстановке всех слагаемых, коэффициенты a, b и c - входят в квадратичную зависимость суммарных теплопотерь.

Расчёт и построение погодозависимой кривой

Для расчёта и построения погодозависимой кривой отопления воспользуемся последней формулой при варьировании температуры уличного воздуха tair_outside от +20 до -20 градусов Цельсия. На графике ниже в виде точек - прямоугольников показаны экспериментальные данные температур воды при работе погодозависимого контроллера ТРЦ-03 с альтернативной кривой отопления номер 5.

рассчитанная погодозависимая кривая отопления

Полученная расчётный путём погодозависимая кривая отопления имеет выраженный наклонный характер. Для обеспечения комфортных условий и микроклимата с температурой воздуха +20 градусов Цельсия в жилых помещениях рассматриваемого жилого дома с радиаторной системой отопления: при нулевой температуре уличного воздуха температура теплоносителя должна быть около +45 градусов Цельсия, с падением температуры воздуха на улице до -20 градусов Цельсия температура воды должна быть повышена до +58 градусов Цельсия, т.е., как минимум, на 13 градусов.

В реалиях 21-го века не рационально расходовать своё драгоценное время на то, чтобы несколько раз в сутки вручную осуществлять регулировку температуры теплоносителя с необходимой точностью, кроме того, это не всегда оперативно возможно.
Погодозависимая автоматика контура системы отопления позволяет осуществлять плавное регулирование температуры теплоносителя с учётом изменения температуры уличного воздуха, обеспечивая упомянтые ранее преимущества, в том числе, комфортные условия по микроклимату в отапливаемых жилых помещениях.
03.12.2020