Баланс теплового комфорта

Сегодня обеспечить климатический комфорт в современном жилье, а также и в офисе, практически невозможно без использования отопительных приборов и фэнкойлов, слаженно работающих в системах отопления и охлаждения. Правильная гармоничная работа таких систем, а следственно и достижение должного уровня комфорта, невозможно без применения регулирующей арматуры, важнейшим звеном которой являются балансировочные клапаны. И чем сложнее такие инженерные  системы, чем больше требований к обеспечению комфортных условий предъявляет пользователь, тем большее значение приобретает арматура, способная осуществлять свои функции в автоматическом режиме.

Гидравлическая балансировка применяется для отладки работы систем водяного отопления, как централизованных, так и автономных, а также систем охлаждения. Суть её заключается в том, чтобы через любой отопительный прибор (фэнкойл в случае охлаждения) системы проходил расчётный расход теплоносителя. Благодаря этому во всех отапливаемых (охлаждаемых) помещениях достигается запроектированный уровень теплового комфорта, циркуляционные насосы работают в оптимальном режиме, потребляя минимум электрической энергии, отопительный котёл (чиллер или кондиционер) работают с максимальной эффективностью. Это позволяет не только экономить энергию, но и гарантировать долговечную работу всех звеньев системы – труб, арматуры, котла или чиллера, терминалов (отопительных приборов, панельных систем, фэнкойлов).

Три условия комфорта

Проектируемый уровень теплового комфорта будет обеспечиваться в действительности только  при выполнении трёх основных условий:

• расчётный расход должен быть доступен для всех терминалов, даже самых отдалённых;
• перепад давления регулирующих клапанов не должен меняться слишком сильно, в частности, его значение не должно превышать максимальный рабочий уровень и опускаться ниже минимального;
• низкие расходы теплоносителя должны быть сопоставимы с рабочими характеристиками оборудования.

Если реальный расход на удалённых терминалах оказывается ниже расходного, то не удаётся своевременно достичь и запроектированного уровня теплового комфорта, стремление к которому потребует больших затрат энергии, чем это ожидалось. Увеличится время достижения желаемых температур при перезапуске системы. В некоторых частях здания будет наблюдаться перегрев и недогрев в других.  Расчётная мощность оказывается в таком случае недоступной на средних и/или высоких нагрузках.   

Если перепад давления выходит за пределы минимального или максимального рабочего уровня, скорость потока в трубопроводе будет далека от оптимальной, работа системы будет сопровождаться шумами, вибрацией. Всё это приводит к механическим повреждениям и преждевременному износу арматуры. От величины расхода и температуры подаваемого теплоносителя зависит мощность отопительного прибора. Терморегулирующая арматура, установленная на отопительных приборах в связке с термостатами, позволяет сегодня гибко регулировать температуру в отапливаемых помещениях, динамично поддерживая в них температуру комфорта. Однако такое гармоничное регулирование температуры в автоматическом режиме возможно только при наличии требуемых величин расхода теплоносителя, соответствующих заявленным характеристикам установленных отопительных приборов (или фэнкойлов в системах охлаждения).  

Балансировочная арматура и её возможности

Для соблюдения описанных выше условий теплового комфорта в системах отопления и охлаждения используются три основных типа балансировочной арматуры:  статические (механические, ручные) балансировочные клапаны, динамические (автоматические) балансировочные клапаны, дифференциальные клапаны контроля давления.

Рис. 1. Статический балансировочный клапан

Статические балансировочные клапаны (рис. 1) предназначены для плавного и точного регулирования расхода вручную. Их принципиальная конструкция (рис.2) подразумевает обязательные комплектующие части: корпус (латунь или нержавеющая сталь), шпиндель, уплотнительные кольца, колпачок.

Рис. 2. Устройство статического балансировочного клапана

Подсоединение клапанов резьбовое или фланцевое. Принцип работы балансировочного клапана заключается в варьировании и регулировании проходного сечения. Внутри корпуса клапана есть вертикальный канал, в котором размещается регулировочный шпиндель, образующий в паре с неподвижной резьбовой гайкой ходовую пару. Конец шпинделя, которым он вкручивается в седло, имеет конусообразную форму, либо на окончании шпинделя предусматривается золотник, плотно прижимающийся к поверхности седла, если поток теплоносителя через клапан требуется полностью перекрыть. Герметичное перекрытие потока обеспечивается использованием уплотнения между затвором и седлом, создаваемого фторопластовыми или резиновыми кольцами или по типу метал-метал (игла). За счёт передвижения шпинделя изменяется расход теплоносителя через клапан. Нужное значение расхода устанавливается маховиком управления в соответствии с настроечной шкалой на клапане. Все клапаны оснащены механизмом фиксации предварительной настройки. Благодаря этому после предварительной настройки позиционирование маховика может быть ограничено так, что клапан можно отключить для технического обслуживания, но открыть можно только до положения предварительной настройки. Клапаны снабжаются либо расходомером, либо ниппелями для подключения измерительного прибора и позволяют провести точную наладку расхода теплоносителя в системах отопления (или холодоносителя в системах охлаждения, кондиционирования) в соответствии с проектом  с точностью до 5-10 %. Статические балансиры  выпускаются и без ниппелей. Статические балансировочные клапаны являются устройствами вентильного типа и используются как  регулировочная диафрагма в системах, где нет автоматического регулирующего устройства, а также если установленный регулятор не позволяет ограничивать предельное значение расхода. Все современные системы отопления, в которых используется терморегулирующая арматура типа радиаторных терморегуляторов, являются динамическими системами. Радиаторный терморегулятор, постоянно реагирует на изменения температуры воздуха в помещении, меняя тем самым расход теплоносителя, что приводит систему отопления в постоянно меняющийся (динамический) режим работы. Такой режим работы требует применения динамических балансировочных клапанов (рис. 3), автоматически меняющих рабочие параметры отопительной сети в соответствии с перепадами давления и потреблением теплоносителя.

Рис. 3. Динамический балансировочный клапан

Динамические клапаны ограничивают расход до заданного значения при изменении скорости насоса или закрытии другой регулирующей арматуры в системе. Эти клапаны часто называют PICV (Pressure Independent Control Valves) – независимые от давления клапаны. Их конструкция позволяет автоматически регулировать расход теплоносителя двумя способами (рис. 4).

Рис. 4. Устройство динамического балансировочного клапана с двумя режимами регулировки

Смонтированный внутри клапана картридж позволяет установить вручную постоянное значение расхода теплоносителя, которое поддерживается автоматически в заявленном диапазоне до заданного значения, благодаря конструкции картриджа. Во втором режиме автоматическое регулирование расхода жидкости осуществляется через пропорциональный привод в соответствии с тепловой нагрузкой контура (рис. 5). Динамические клапаны могут применяться в системах с постоянным и с переменным расходом.

Рис. 5. Динамический балансировочный клапан с приводом

Системы с переменным расходом

Наиболее комфортный и в то же время экономичный режим обогрева помещений достигается с помощью систем  с переменным расходом теплоносителя. Преимуществами таких систем являются:

• снижение затрат на циркуляцию (для этого применяются циркуляционные насосы с изменяемой частотой вращения и электронным управлением, обязательные уже во многих странах);
• минимизирование температуры обратки в системах отопления с конденсационными котлами;
• максимизирование температуры обратки в системах охлаждения.

Как правило, это многоконтурные системы. При этом важно, чтобы вся система была гидравлически согласована как единое целое, а не только её отдельные зоны. Когда балансировочные клапаны отсутствуют в отдельных контурах, происходит перерасход, и это снижает расход в других. Установка насоса с переменной частотой вращения не решит эту проблему. Насос может обеспечить только средние значения параметров системы, но не может контролировать отдельные контуры. Такое решение эффективно для экономии энергии, но не для балансировки, потому что все величины расходов в системе изменяются пропорционально изменению гидравлических параметров насоса, при том что в разных зонах и контурах системы, на разных её терминалах требуемый расход может значительно различаться и варьироваться в процессе эксплуатации.  Гидравлическая балансировка с помощью соответствующей арматуры позволяет получить требуемые расходы и скорости потока в реальных условиях. В системах с переменным расходом недостаток объёмного расхода возникает при больших нагрузках. Если регулировка расхода на терминалах достигается двухходовыми регулирующими клапанами, установленными на каждом из них, гидравлический баланс на приборах достигается автоматически. Однако, как только пропорциональные клапаны с термостатической головкой начнут закрываться, может значительно увеличиться дифференциальное давление. Это будет создавать помехи, приводящие к нарушению регулирования прежде, чем на них сумеет отреагировать насосное оборудование. Для предупреждения нежелательных последствий в такой ситуации и поддержания системы в состоянии гидравлического баланса применяются клапаны контроля перепада давлений (DPCV – Differential Pressure Control Valve).

Рис. 6. Клапан контроля перепада давления

Конструкция DPCV (рис. 6) включает в себя роликовую мембрану, пружину из нержавеющей стали и капиллярную трубку, соединяющую регулятор перепада давления с клапаном-партнёром, который установлен на подающем трубопроводе (рис. 7). Регулятор перепада давления DPCV устанавливается на обратном трубопроводе и контролирует перепад давления на подконтрольном участке. Мембрана клапана реагирует на изменения перепада давления в контуре между подающим и обратным трубопроводами. Настроенное значение на клапане задаёт усилие пружины требуемой разницы давления в контуре. Кроме  регулирования перепада давления в контурах с пропорциональными приводами (как правило, радиаторными клапанами с термостатическими
головками), DPCV применяются для регулирование перепада давления в контурах с отключаемыми приводами (как правило, в системах панельного отопления или с фанкойлами), где индивидуальный поток в каждом контуре контролируется косвенным образом. После ввода в эксплуатацию и предварительной настройки клапана дифференциального давления со всеми открытыми контурами, клапан будет поддерживать дифференциальное давление коллектора, когда некоторые контуры будут закрыты.

Рис. 7. Клапан перепада давления, установленный на обратном трубопроводе, в паре с балансировочным клапаном-партнёром

Баланс без балансира

В ряде случаев отказаться от использования балансировочных клапанов позволяет применение автоматических термостатических клапанов для отопительных приборов. Благодаря автоматическому регулятору, вмонтированному в термостатический клапан,  устройство может поддерживать постоянный расход через отопительный прибор и  поддерживать систему в сбалансированном состоянии вне зависимости от изменения параметров системы без использования балансировочной арматуры. Комбинация гибкой мембраны и картриджа позволяет в несколько раз увеличить возможности такой арматуры по перепаду давления и выпускать оборудование, характеризующееся большим расходом. Это позволят проектировать такие термостатические клапаны не только на отопительных узлах, но и для фанкойлов.