Переходные процессы нагрева/охлаждения отопительных приборов по испытаниям в климатической камере (журнал "АВОК", № 5, 2006 г.)
Прямым способом снижения теплопотребления является организация так называемого прерывистого отопления, когда в суточном графике изменения температуры помещения создаются периоды с пониженными температурами, например, ночью, днем при отсутствии жильцов, и т. д. Для достижения теплового комфорта при появлении случайных дополнительных источников тепла, таких как солнечная радиация, включение бытовой техники и т. п., требуется соответствующая подстройка теплоотдачи отопительных приборов. Во всех подобных случаях эффективность терморегулирования определяется характером протекания переходных процессов работы элементов системы отопления, и особенно скоростью нагрева/охлаждения отопительных приборов.
Процесс изменения температуры среды описывается дифференциальным уравнением первого порядка, в котором скорость изменения температуры пропорциональна полному количеству теплоты, подведенной путем конвекции, теплопроводности, излучения, фильтрации и тепловыделения. Решение этого уравнения не вызывает принципиальных трудностей, однако учет сложной геометрии современного отопительного прибора, состоящего зачастую из разных металлов, а также учет системы уравнений, описывающих теплопередачу через ограждающие конструкции представляет собой в комплексе достаточно сложную теоретическую задачу. Более объективным методом определения нестационарных тепловых характеристик является экспериментальный, с моделированием внешней температуры с помощью климатической камеры.
В данной работе рассматриваются:
1. Разогрев отопительных приборов до выхода на стационарный режим и определение динамических параметров времени разогрева и запаздывания.
В отопительный прибор поступает вода с постоянными в ходе всего процесса расходом и температурой подачи. По времени измеряются температура воздуха помещения и температура воды, выходящей из прибора.
2. Подстройка отопительного прибора под изменяющиеся теплопоступления – реакция его на внешний фактор. Моделируется поступление солнечной радиации в помещение и возможность ее компенсации для сохранения теплового комфорта.
На стационарном режиме отопления включается дополнительный источник тепла – инфракрасный излучатель. Выключается отопительный прибор и исследуется процесс восстановления параметров к стационарному значению.
Для корректного сравнения характеристик различных отопительных приборов требуется проведение испытаний их в равных условиях. Оптимальным решением этой задачи является расположение двух различных типов отопительных приборов в двух различных помещениях с одинаковыми наружными температурами. Таким условиям отвечает созданная на бельгийском заводе Jaga климатическая камера, отвечающая самым современным требованиям испытательного оборудования. Создание на заводе Jaga такого рода уровня исследовательской лаборатории характеризует серьезность подхода разработчиков Jaga к заявляемым характеристикам своих отопительных приборов. В этой камере Ю. А. Табунщиковым и М. М. Бродач были проведены исследования по оптимальному управлению расходом энергии, опубликованные в [1], где также содержится описание самой климатической камеры.
Климатическая камера представляет теплоизолированное помещение, в котором можно поддерживать температуру до –20 °С и в котором находятся два идентичных испытательных помещения (рис. 1) с размерами в плане 4 х 4 м и средней высотой 3,2 м. Все стены испытательных помещений являются внешними с приведенным сопротивлением теплопередачи R = 2,7 (м2 • С)/Вт. Одна из стен состоит практически целиком из светового проема площадью 12,60 м2. В боковых стенах имеются окна площадью 1,56 и 2,56 м2. Использованы стеклопакеты с R = 0,6 (м2 • С)/Вт. Перекрытие имеет R = 2,2 (м2 • С)/Вт, пол – R = 2,6 (м2 • С)/Вт.
Горячая вода для испытуемых отопительных приборов приготавливается в газовом котле, расположенном в отдельном помещении, и через промежуточную коллекторную емкость с одинаковой входной температурой раздается в испытательные помещения. Через распределительно-измерительно-балансировочный коллекторный узел (рис. 2) производится обвязка испытуемых отопительных приборов.
Для измерения расхода и температуры воды используется измерительное оборудование фирмы ABB (Германия): расходомеры Miniflow с точностью 0,14 % и термодатчик TM-ACCESS с точностью согласно EN 60584 класса 1. Все данные выводятся на вычислительный модуль, где производится обработка данных, в частности вычисление потребленной энергии.
Температурные поля в пространстве помещений определялись по показаниям 35 датчиков, расположенных на высотах 0,1; 0,6; 1,1; 1,6 и 2,1 м от уровня пола и распределенных как у внутренних поверхностях стен, так и по пространству помещений.
Фиксируемые в ходе опыта данные выводятся на компьютер и могут в ходе реального времени в обработанном виде показываться на стенах соседнего с камерой демонстрационного зала (рис. 3).
Исследовались три отопительных прибора: медно-алюминиевый конвектор TEMPO производства Jaga, традиционный стальной панельный радиатор тип 22 с конвекционными пластинами (Brugman) и секционный стальной радиатор (Brugman). Все приборы имели близкую теплоотдачу 1 700–1 800 Вт по EN 442. Параметры приборов приведены в табл. 1.
Эксперименты проводились по следующей методике:
Температура воздуха вне испытательных помещений составляла –5 °C.
воздуха в средней части помещения после включения радиатора показана на рис. 7. В сравнительном эксперименте приборов TEMPO и секционного стального радиатора начальная температура воздуха в помещениях 1 и 2 составляла 5 °C, а в сравнительном эксперименте приборов TEMPO и стального панельного радиатора начальные температуры воздуха в помещениях 1 и 2 составляли 4,5 °C и 3,4 °C соответственно. На начальном участке 0 < τ > 10 скорость прогрева помещения составляет dtв / dτ = 0,7; 0,5; 0,4 (град/мин) для приборов TEMPO, стального панельного и секционного соответственно, так что приборы TEMPO на 20–40 % опережают остальных. Далее при τ > 10 разогрев помещений описывается соотношением tв = n • (1-m • EXP(-τ)), где параметры n и m определяются конкретным отопительным прибором и [τ] измеряется в часах.
Переходный процесс выхода самого отопительного прибора можно оценить по изменению температуры обратной t2 (рис. 8).
Обычно динамические характеристики характеризуются временем запаздывания τз, и постоянной времени Т. Из результатов экспериментов следуют оценки этих параметров (табл. 2).
Собственная инерционность приборов TEMPO Jaga на порядок меньше стального панельного радиатора и на два порядка стального секционного.
Далее рассмотрим результаты второго этапа испытаний – реакцию приборов на действие дополнительного источника тепла.
Записи процесса изменения температуры воздуха tв по времени приведены на рис. 9. Здесь отмечен интервал времени реакции τр на возвращение температуры воздуха к требуемому номинальному значению. Время реакции приборов TEMPO составляет около 12 мин и в 3 раза меньше стального панельного радиатора и на порядок меньше стального секционного. Можно также отметить, что после отключения прибора стальные радиаторы еще некоторое время увеличивают температуру помещения.
Пример записи расхода тепловой энергии (кДж) в ходе эксперимента для прибора TEMPO Jaga и стального секционного радиатора показывает рис. 6.
В ходе принятого графика динамических испытаний установлено, что приборы TEMPO Jaga потребляли на 15 % меньше тепловой энергии, чем стальной панельный радиатор, и на 40 % меньше, чем стальной секционный радиатор.
Полученные фактические данные следует учитывать при разработке системы управления климатом помещений. Время нагрева/охлаждения медно-алюминиевых конвекторов TEMPO Jaga из серии LOW H2O составляет несколько минут, и в отличии от стальных радиаторов, эти малоинерционные приборы могут эффективно компенсировать большинство дополнительных случайных бытовых теплопоступлений.
Переходные процессы нагрева/охлаждения отопительных приборов по испытаниям в климатической камере (PDF, 909 Кб)