Избор на битови топлофикационни абонатни станции

Изискванията на топлофикационното предприятие по отношение на абонатната станция могат да бъдат:

– Тип на системата за отопление.
– Ниска възвратна температура.
– Максимално ограничение на потока.
– Топлообменник между топлофикационната мрежа и инсталацията на сградата

Изискванията на потребителите към топлофикационното дружество могат да бъдат:
– Достатъчна подавана температура.
– Достатъчно диференциално налягане.
– Нисък разход на енергия.
– Точно измерване на топлинната енергия.

Освен тези изисквания съществуват и някои потребности, които трябва да бъдат взети предвид, за да може да се направи правилен избор на абонатна станция.

Изискванията, които влияят при избора на правилна концепция могат да бъдат:
– Лесна поддръжка.
– Намален риск от поява на бактерии.
– Ниско ниво на шум.
– Минимално необходимо пространство.
– Безопасно функциониране.
– Точно и стабилно регулиране на температурата.
– Ниски разходи.
– Добър външен вид.
– Дълъг експлоатационен живот

Групи абонатни станции по принцип
Топлофикационните абонатни станции обикновено се разделят на групи, както следва:
– Разпределителни станции.
– Абонатни станции за големи сгради за отопление.
– Абонатни станции за малки сгради за отопление.
– Апартаментни абонатни станции за отопление

Разпределителните станции нормално са свързани с преносната мрежа от енергийната централа.

Целта на разпределителната станция е да пригоди условията на подаване към топлофикационната мрежа.

Абонатните станции за големи сгради обикновено са свързани директно към топлофикационната мрежа и захранват определен брой апартаменти.

Абонатните станции за малки сгради също са свързани директно към топлофикационната мрежа и обикновено захранват еднофамилни къщи.

Системите с апартаментни абонатни станции, използвани в отоплението  обикновено са индиректно свързани към топлофикационните системи и следователно са изградени като системи с ниски параметри (PN 10)

Пазарното търсене на топлофикационни абонатни станции днес води до фокусиране на вниманието върху следните неща.

Фактът, че Данфосс вече произвежда топлофикационни абонатни станции осигурява на клиентите още няколко допълнителни изгоди:
– По-компактни абонатни станции.
– По-висока степен на гъвкавост при функциите за управление.
– Кратък срок за изграждане.
– Оптимално приспособяване на управляващото оборудване към абонатната станция.

Настоящата статия дава информация за различните видове битови абонатни станции,  използвани в отоплението относно:
– Функционирането на системата.
– Управляващата й функция в системата.
– Коментар за системата по отношение на нейното управление и работа.

Битови топлофикационни абонатни станции
Топлофикационната абонатна станция е свързващото звено между топлофикационното предприятие и потребителя на централно отопление.

Абонатната станция на сградата може да бъде собственост или на топлофикационното дружество или на потребителите.

Задачата на абонатната станция е да превърне условията на подаване на топлинна енергия в такива, каквито ще са полезни за сградата на потребителя.

Изискванията към абонатната станция могат да се разделят на две групи, изисквания на топлофикационното предприятие и изисквания на потребителите.

Фиг. 1. Различни видове топлофикационни станции.

Абонатни станции за големи сгради
Абонатните станции за големи сгради могат да се разделят на следните основни подгрупи:
1. Паралелна система с проточни (едностенни) топлообменници за производство на битова гореща вода (БГВ).
2. Двустепенна система с проточни топлообменници за производство на БГВ.
3. Паралелна система със зареждаща система за БГВ.
4. Индиректно свързана зареждаща система за БГВ.

Тенденцията е в посока на това системите от тип 1 и 2 да станат най-общо използвани в бъдеще.
Системите от типове 3 и 4 са все още най-популярните в Германия, Австрия, Италия и Чешката република, но и в тези страни съществува тенденция за преминаване към системи от типове 1 и 2.

Настоящата статия описва как системите функционират и управляват паралелни и двустепенни системи с кръг за отопление и връзка с кръга за БГВ.

Топлообменници
Видовете топлообменници използвани в абонатните станции зависят от:
– Типа на кръга, отоплителен или за БГВ.
– Типа на системата, паралелна система, двустепенна система с един или два топлообменника в кръга за БГВ.

При отоплителните системи се използва типа топлообменник с 4 присъединителни отвора.
При кръговете за БГВ броят на присъединителните отвори зависи от типа на системата.
При паралелни системи обикновено се използват 5 присъединителни отвора. При двустепенни системи с един топлообменни се използва тип с 6 присъединителни отвора.
При двустепенни системи с два топлообменника се използва един топлообменник с 5 присъединителни отвора и един с 4.

Фиг. 3. Паралелна система с проточна система за БГВ.

На фиг. 3 са показани пластинчати топлообменници с 4 и 6 присъединителни отвора.

Присъединителните отвори на топлообменника са:
първична страна на топлообменника:

T11
вход за топлофикационна вода.
T12изход за топлофикационна вода.
T112вход за първичната връщана вода от отопл. система (топлообменник с 6 отвора).
T21вторичен вход за битова студена вода.
T22вторичен изход на БГВ.
T212вторичен вход за връщана вода от циркулацията на БГВ.

Паралелна система с проточен топлообменник
При паралелните системи (вижте фиг. 3) дебитът на подаваната топлофикационна вода се разделя на две за отоплителната система и за инсталацията за БГВ.  Топлофикационната вода се връща директно в топлофикационната подаваща система след като бъде охладена.

Системата за БГВ е на проточен принцип без буферен или акумулиращ резервоар за изравняване на регулираната температура. По тази причина изискванията към управляващото оборудване са много високи.

При паралелните системи следните условия влияят на регулирането на положението на управляващия вентил по време на работа.
– Температура на водата в подаващата мрежа.
– Диференциалното налягане в подаващата мрежа.
– Степента на мощност.

Фиг. 4. Двустепенна система с един топлообменник за БГВ.

Двустепенни системи с проточен топлообменник
При двустепенните системи, както е показано на фиг. 4, подаваната топлофикационна вода също се разделя, за да захранва системите за стайно отопление и за БГВ. Първичният връщан поток от топлообменника за отопление се отвежда в топлообменника за БВГ, за да подгрее предварително студената вода постъпваща в този топлообменник. При потребление на гореща вода това ще доведе до по-добро общо охлаждане на първичната вода от системата за отопление на помещенията. Обаче, в случай на ниска връщана температура от стайната отоплителна система, връщаната вода може да бъде подгрята допълнително с няколко °C от възвратната вода в циркулационния кръг на БВГ.

Фиг. 4. Двустепенна система с два топлообменника за БГВ.

Условията, които влияят на управлението на системата за БГВ са същите като при паралелните системи, обаче температурата на водата в подаващата мрежа при двустепенните системи е дори по-уязвима, отколкото при паралелните системи поради предварителното подгряване на студената вода.

Що се отнася до паралелните системи критерий за оразмеряването на системите за БВГ са летните условия. През лятото не може да се очаква предварително подгряване на студената вода и по тази причина не може да бъде взето предвид при изчисляване на системата. Следователно управляващият вентил и топлообменникът за инсталацията за БГВ трябва да се изчислят за максимален капацитет при най-ниска подавана температура.

През зимата, когато отоплителната система работи с висока мощност, може да се очаква висока степен на предварително подгряване. Много често постъпващата битова студена вода може да се подгрее предварително до нивото на 39°C.

Това означава, че задачата на регулиращия вентил е да повиши температурата на водата от 39°C до 55°C. В такъв случай регулиращият вентил ще работи с много малко повдигане при макс. капацитет с опасност от неустойчива температура при частичен товар.

Отоплителна система
Отоплителната система може да бъде директно свързана или индиректно свързана посредством топлообменник. И при двата типа обикновено подаваната температура на водата постъпваща в отоплителната система е с компенсация по външната температура.

При индиректно свързаната система топлообменникът служи за предаването на необходимата топлинна енергия към системата за отопление на помещенията.

Тук управляващият мотор-вентил регулира първичния поток в топлообменника, като по този начин регулира и подаваната температура на вторичния поток според външната температура.

Директно свързаните отоплителни системи обикновено са снабдени със смесителен кръг с компенсация по външна температура. Тук подаваната с определена температура топлофикационна вода се смесва с водата с възвратна температура от отоплителната система до постигане на необходимата температура за подаване на отопление в помещенията на сградата.

Тъй като натоварването на отоплителната система се променя много бавно и понеже малкото колебание в температурата на потока не е от критично значение, обикновено управлението на системата за отопление на помещенията не е толкова сложно.

Система за битова гореща вода (БГВ)
Частта от системата, предвидена за производство на БГВ е по-сложна за управление поради строгите изисквания за устойчиви температури в сравнение с частта за отопление на помещенията. Освен това, натоварването в тази система се променя много бързо също така.

Отоплителната инсталация и инсталацията за БГВ обикновено работят независимо една от друга, освен ако не е активирана функция на регулатора за приоритет на горещата вода.

Функцията за приоритет на горещата вода се задейства само ако мощността е недостатъчна за едновременно подгряване на БГВ и отопление на помещенията. В такъв случай нуждата от подгряване на гореща вода ще има приоритет пред необходимостта от отопление.

Ако температурата на БГВ е твърде ниска поради липса на достатъчна мощност, дебитът към системата за отопление на помещенията ще бъде намален или изцяло спрян.

Температура на водата в подаващата мрежа
Много често подаваната температура в мрежата варира през годината. През зимата подаваната температура е висока. През лятото подаваната температура обикновено се намалява до нивото на 60-70°C, достатъчно за производството на гореща вода с температура 50-60°C.

Тъй като потреблението на гореща вода се очаква да бъде еднакво през цялата година, капацитетът на управляващия вентил в системата за БГВ трябва да се оразмери в съответствие с ниската подавана температура през лятото. Това ще окаже влияние на факта, че управляващият вентил през зимата при високата подавана температура ще работи с повдигане на конуса на вентила по-малко от 100%.

Диференциалното налягане в мрежата
Оразмеряването на вентила се базира на избрано или на минималното налично диференциално налягане през управляващия вентил Ако няма монтиран регулатор на диференциално налягане, едно увеличаване на диференциалното налягане в мрежата ще доведе до това, че управляващият вентил ще се затвори съответно и ще работи при по-ниска степен на отваряне. Това може да се окаже критично за стабилното регулиране на температурата.

Един регулатор на диференциалното налягане в системата ще може да сведе до минимум колебанията на диференциалното налягане през управляващия вентил независимо от изменението на диференциалното налягане в мрежата.

Диапазон  на производителност
Една система за гореща вода трябва да бъде в състояние да осигурява стабилна температура при всякакво възможно потребление. Най-ниското очаквано потребление при една система за БГВ е водният поток, който съответства на отварянето на един кран. Производителността на системата в такъв случай ще варира от потреблението при отварянето на един кран до пълния капацитет на системата.    При големи системи с един голям вентил, регулирането на дебита, който да съответства на потреблението от един кран ще повлияе на работата му в близост до точката на затваряне с възможност за неустойчиво регулиране на температурата на течащата вода. В такъв случай се препоръчва да се изберат два регулиращи вентила с различни размери, свързани успоредно. Тогава системата ще може да работи така, че малкият вентил да действа при малки дебити, а двата вентила да работят при увеличаване на потреблението.

Управляващо оборудване
Правилно избраното управляващо оборудване е важен фактор за една добре функционираща система.

Данфосс има специално разработено управляващо оборудване за управление на проточни системи за БГВ. В основата на проучвателната работа и конструирането на това оборудване са залегнали компютърни симулации, лабораторни и полеви изпитания.

Характеристика на регулираната температура в система за БГВ с проточен топлообменник.

Постоянно трайно отклонение от зададена стойност след температурна промяна, ± 2 К 
Максимално трайно колебание на температурата, ± 2 K 
Максимално температурно отклонение след моментна промяна на товара, 10 К 
Преходно време след изменение на товара <± 2 K в рамките на 120 sec 

Практическите резултати от тази научно-изследователска и развойна дейност са изброени в насоките по-долу (таблица 1) за една добре функционираща система за БГВ:
– Избирайте мотор-вентили с краткотрайно задействане, т.е. макс 20-25 секунди от напълно затворено до напълно отворено положение на вентила.
– Времевата константа на сензора трябва да бъде по-малка или равна на 3 секунди.
– Сензорът трябва да се разположи колкото е възможно по-близо до топлообменника.
– Необходимото управляващо съотношение трябва непременно да се спазва като се избират точните вентили и правилна предварителна на настройка на системите.
– Настройте системите да работят с напълно отворени вентили при 100% товар.
– Избирайте вентили с достатъчна автономност в системите. Тази автономност е особено важна при системи с ниско диференциално налягане.
– Предотвратете големи колебания на налягането в системите като използвате регулатори на диференциалното налягане. Регулаторите на диференциално налягане оказват благоприятно въздействие както върху управляващото съотношение на управляващия вентил, така и върху автономността на вентила.

Оразмеряване на вентилите:
Оразмеряването на управляващия вентил за БГВ в една проточна система може да се извърши както е показано в таблица 2. Чрез kvs стойността на избрания управляващ вентил може да се изчисли необходимото Δpv.Регулаторът на диференциално налягане тогава може да се настрои на оразмерената Δp стойност така, че управляващият вентил да работи със 100% степен на отваряне при 100% товар.Изчислението показва капацитета на управляващия вентил при различни условия и при различни типове системи.
Изчислението са базира на следните формули:
Капацитет на вентила:
kv =Q/√Δpv; (m³/h) и
Топлинна мощност:
P= Q*Δt*cp*ρ/0.86; (kW)
където:
Δpv = диференциално налягане през управляващия вентил в Bar
Q = Дебит в m³/h
Δt = Диференциална температура в топлообменника като (Т1-Т2) в °C
cp = Специфична топлоемкост на вода. kcal/kg*°C
ρ = Специфично тегло на водата kg/m³
Тъй като стойностите на cp и ρ в температурния диапазон 0 – 100° са близо до 1.0, те не се включват в изчислението.

Изчисление на капацитети на вентили в паралелни и двустепенни системи при различни товари.

Спецификация на БГВ:

 Дебит на БГВ QDHW  3 m³/h
 Температура на БГВ T22  55 °C
 Температура БСВ T21  10 °C
 Мощност P =QDHW*(T22-T21)/0,86 P =3*(55-10)/0,86 157 kW

База за оразмеряване на управляващ вентил, лятно време, паралелна и двустепенна система:

 Мощност Р 157
kw
 Първична подавана температура Т11  65°C
 Първична връщана температура
 Т12  25°C
 Налично Δp за управляващия вентил Δpv  0,5Bar
 Първичен дебит Q11 = P*0,86/(T11-T12) Q11 = 157*0.86/(65-25) 3,4m³/h
 Изчислено kv kv = Q11/√Δpv kv = 3.4/ √0,5 4,8m³/h
 Капацитет на избрания вентил kvs  6,3m³/h
 Действително Δpv Δpvmin = (Q11/ kvs)2 Δpvmin = (3.4/6.3)2 0,29Bar
 Управляващо съотношение r  50 
 Мин. kv за стабилно регулиране на температурата kvr = kvs / r kvr = 6.3/50 0,13m³/h

Зимно време, паралелна система:

 Т подавана зимно време Tsw  100°C
 Т връщана Rrw  18°C
 Вентил dP   0,29Bar
 Дебит Q11=P*0.86/(T11-T12) Q11=157*0.86/(100-18) 1,65m³/h
 kv при макс. капацитет  kv=1.65/ √0,29 3,06m³/h

Зимно време, двустепенна система:

 Темп. на предварително подгряване на БГВ Tpre  39°C
 Допълнително подгряване ΔT = T22- Tpre ΔT = 55-39 16°C
 Мощност предварително подгряване Ppre=QDHW*(Tpre – T21)/0,86 Ppre = 3.0*(39-10)/0,86 101kW
 Мощност допълн. подгряванеPafter = P – Ppre
 Pafter = 157-101 56kW
 Т подавана лятно време T11  100°C
 Т връщана съответно T12  45°C
 Вентил dP   0,29Bar
 Дебит за допълн. подгряване Qafter = Pafter*0.86/(T11-T12) Qafter=56*0.86/(100-45) 0,87m³/h
 kv kv=Qafter/√Δpv kv=0,87/√0.29 1,62m³/h

Повдигане на вентила при различни товари и типове системи:

Фиг. 6 Характеристика на вентил с разделна характеристика.На фигурата може да се види повдигането на конуса на вентила при различните системи през зимния и летния период.

На фиг. 6 е илюстрирана разделна характеристика на управляващ мотор-вентил Управляващият вентил има kv от 6.3 m³/h и макс. повдигане на конуса 5 мм при степен на отваряне 100%. На тази графика може да се види повдигането на конуса на вентила при различни условия и различни системи.

Степента на отваряне на вентила в точката на оразмеряване ще бъде около 4.4 мм при дадените обстоятелства.

След настройване на регулатора на ΔP, вентилът ще е напълно отворен, а повдигането на конуса на вентила ще бъде 5 мм.

При зимни условия подаваната температура е висока, в този случай 100°C. Управляващият вентил в паралелна система следователно ще работи с по-ниска степен на отваряне при 100% товар.

При паралелните системи няма предварително подгряване на БГВ, така че цялата мощност за подгряване на БГВ трябва да се осигури от първичния поток в кръга за БГВ. Тук степента на отваряне на конуса на вентила ще бъде около 3.5 мм.

Двустепенните системи имат най-висока коефициент на предварително подгряване на БВГ през зимата, когато товара на отоплителната система за помещенията е 100%. В следствие на това степента на допълнително подгряване на БГВ е ниска. Както може да се види от графиката, степента на отваряне на вентила при 100% товар през зимата е около 2.9 мм.

Колкото по-ниско е повдигането на конуса на вентила при 100% товар, толкова по-ниско е повдигането му и при частичен товар. Вследствие на това се увеличава риска от нестабилно регулиране на температурата.

Заключение
Както бе упоменато паралелните системи и двустепенните системи без акумулиращ резервоар изглежда ще бъдат решението за абонатни станции в бъдеще.

А причините за това са:
– Тези системи нямат акумулиращ резервоар. Типовете системи с акумулиращи резервоари обикновено са по-скъпи от паралелните и двустепенните системи без акумулиращи резервоари. Все пак обаче, при системи без акумулиращ или буферен резервоар капацитетът на топлообменника е по-висок.
– Акумулиращият резервоар в една система увеличава опасността от бактериално замърсяване.
– Управляващото оборудване днес се проектира специално и предлага за проточни системи за БГВ.

Решението за избор между паралелна и двустепенна система може да се окаже трудно. Установено е, че двустепенните системи постигат по-добро охлаждане на топлофикационната вода по време на потребление на БГВ. Фактът, че връщаната температура от отоплителната инсталация за помещенията в някои случаи може да бъде допълнително повишена от възвратната температура на циркулиращата БГВ е недостатък. Обаче, тъй като разходите за отопление нормално се базират на изчисляването на енергията, това обикновено не оказва влияние.

Трябва да се вземе предвид, че топлообменникът за БГВ при двустепенната система често е по-голям отколкото при паралелната система, тъй като той трябва да бъде оразмерен за първичния поток БГВ, както и за дебита за отопление на помещенията.

Понеже колебанието на диференциалното налягане в подаващата тръба влияе на стабилното регулиране на температурата при този тип системи, много е важно да се инсталира регулатор на диференциално налягане в абонатната станция.


 

Вижте също...