§ 3. Методы автоматического регулирования расхода тепла

Классификация методов автоматического регулирования расхода тепла на отопление зданий приведена в табл. 1.

Таблица 1 Классификация методов автоматического регулирования расхода тепла на отопление зданий

Наименование классификационного признака	Методы автоматического регулирования
Задачи регулирования расхода тепла	1. Стабилизация температур воздуха в отапливаемых помещениях 2. Программное регулирование температуры воздуха в отапливаемых помещениях 3. Стабилизация или программное регулирование параметров воздушной среды, определяющих условия теплового комфорта в отапливаемых помещениях
Место осуществления (ступень) регулирования	1. Центральное (в котельной, на ТЭЦ) 2. Районное (в КРП) 3. Групповое (в ЦТП) 4. Местное (в абонентских вводах) 5. Позонное (отдельных веток системы отопления) 6. Индивидуальное (непосредственно в отапливаемых помещениях)
Принцип регулирования	1. По отклонению температуры воздуха (или параметра, определяющего условия комфорта) в отапливаемых помещениях 2. По возмущению (изменению температуры наружного воздуха, скорости ветра и др.) 3. Комбинированный (по отклонению и возмущению)

Выбор метода определяется задачей, решаемой системой автоматического регулирования, и характером регулируемого объекта.

Применяемые в настоящее время в системах теплоснабжения режимы регулирования отпуска тепла имеют целью обеспечить стабилизацию температурного режима в отапливаемых помещениях независимо от условий погоды и других факторов.

Как будет показано ниже, метод программного регулирования, предусматривающий изменение температуры воздуха в помещениях в течение суток по заданной программе, обладает существенными преимуществами по сравнению с распространенным методом регулирования.

Вместе с тем следует учитывать, что условия теплового комфорта в отапливаемых помещениях определяются не только температурой внутреннего воздуха, но и зависят от температуры ограждающих конструкций, подвижности и относительной влажности воздуха. Поэтому перспективным является разработка таких режимов отпуска тепла, при которых регулируемым параметром служит не внутренняя температура, а комплексный параметр, определяющий условия теплового комфорта.

Различные ступени автоматического управления отпуском тепла, составляющие единую систему АИСУОТ, нельзя рассматривать изолированно друг от друга. Работа всех ступеней подчинена решению общей задачи — обеспечению высокого качества, надежности и экономичности теплоснабжения. Наряду с этим каждая из ступеней выполняет свои специфические, отличные от других, функции.

Прежде всего следует отметить, что в автоматизированных системах теплоснабжения с местным «активным» регулированием отопительной нагрузки у потребителей функции центрального регулирования существенно отличаются от тех функций, которые оно выполняет в неавтоматизированных системах.

Наличие местных систем автоматического регулирования, которые обеспечивают подачу тепла абонентским установкам в соответствии с их потребностями в тепле, открывает широкие возможности для оптимизации температурных и гидравлических режимов тепловых сетей.

Основное назначение центрального регулирования в этих условиях — обеспечение устойчивой работы местных систем при минимальной себестоимости производства и транспорта тепла.

При создании режимов центрального регулирования в автоматизированных системах теплоснабжения надо учитывать, что благодаря работе местных автоматических регуляторов каждый потребитель отбирает из сети такое количество тепла, которое требуется для его нормального функционирования. Поэтому из условия обеспечения теплового баланса в системе теплоснабжения количество тепла, отпускаемого за определенный промежуток времени от теплового источника, должно быть равно количеству тепловой энергии, расходуемой абонентскими установками. При несоблюдении этого требования неизбежно либо нарушится устойчивая работа местных регуляторов, либо снизится экономичность теплоснабжения. Так, например, при недостаточном отпуске тепловой энергии в первую очередь пострадают потребители, расположенные на концевых участках сети. Несмотря на полное открытие регуляторов, эти потребители не смогут получить требуемого для их нормального функционирования количества тепла.

Превышение отпуска тепла в сеть сверх необходимого количества приведет к нарушению теплового равновесия в системе, к постепенному росту температуры обратной воды, а следовательно, к снижению экономичности теплоснабжения.

Режим центрального регулирования в автоматизированных системах должен строиться и таким образом, чтобы потенциал теплоносителя на выходе из теплового источника был достаточным для обеспечения устойчивой работы абонентских установок при переменных тепловых и гидравлических режимах в тепловой сети, обусловленных работой местных регуляторов.

В отличие от водопроводных, газовых и электрических сетей, режим управления которыми характеризуется одним параметром (давление, напряжение), тепловые сети являются двухпараметрическими: количество отпускаемой тепловой энергии определяется как температурой теплоносителя, так и перепадом давлений в сети. В связи с этим автоматизированная система управления отпуском тепла должна состоять из двух взаимосвязанных подсистем: управления температурным- режимом и управления гидравлическим режимом тепловой сети. При разработке этих подсистем необходимо учитывать, что динамические характеристики тепловой сети по тракту передачи расхода воды и по тракту передачи температуры теплоносителя существенно отличаются друг от друга.

При изменении напора на коллекторах ТЭЦ расходы воды в сети практически изменяются безынерционно (со скоростью звука). Процесс же прохождения температурной волны по тепловой сети (определяемый скоростью движения воды по участкам и их длиной) может длиться часами.

Значительные временные запаздывания по тракту передачи температуры теплоносителя определяют необходимость вести управление температурными режимами с упреждением.

Кроме того, на управляемые величины (давление в сети и температуру теплоносителя) накладываются определенные ограничительные условия, вытекающие из технических требований. Так, температура теплоносителя не может выходить за определенные допустимые пределы, обусловленные компенсирующей способностью сальниковых компенсаторов. Давления в подающей и обратной магистралях должны иметь некоторые ограничения сверху и снизу, определяемые механической прочностью трубопроводов, нагревательных приборов и другого оборудования, условиями предотвращения засасывания воздуха в абонентские системы и т. д. Температура и давление воды в сети должны исключать вскипание теплоносителя. Наличие внутренних термонапряжений, связанных с температурным полем в металле труб, накладывает определенные ограничения на скорость изменения температуры теплоносителя.

Числовые значения пределов ограничений, вытекающих из технических требований, зависят от схем присоединения потребителей тепла. Максимальный диапазон пределов ограничений имеет место в случае присоединения абонентских систем отопления по независимой схеме.

Как уже отмечалось, одной из основных задач центрального регулирования в автоматизированных системах теплоснабжения является минимизация себестоимости производства и транспорта тепла. Эта себестоимость складывается из следующих величин:

стоимости выработки тепла и электроэнергии на ТЭЦ (для котельных — стоимости выработки тепла);

стоимости перекачки теплоносителя;

расходов по обслуживанию и текущему ремонту тепловых сетей и установок;

отчислений на амортизацию основных средств производства;

Стоимости тепловых потерь;

стоимости восполнения утечек теплоносителя.

Оптимизация режимов центрального регулирования (по критерию минимума затрат на производство и транспорт тепла) может быть достигнута, с одной стороны, путем оптимизации величин отпуска тепловой энергии (в течение года, отопительного сезона, недели, суток), а с другой — путем оптимизации сочетаний температур и расходов сетевой воды для каждой величины отпуска тепла.

Автоматическое управление расходами тепла, помимо центрального регулирования (как видно из табл. 1), может включать еще несколько ступеней управления. Функциональные задачи, решаемые каждой из ступеней управления, заключаются в корректировке режимов отпуска тепла, устанавливаемых предыдущими ступенями, с учетом особенностей объекта, охватываемого данной ступенью.

К этим особенностям относятся:

влияние возмущений на основной регулируемый параметр (температуру воздуха в отапливаемых помещениях), которые не могут быть компенсированы предыдущими ступенями управления. Так, например, учет влияния солнечной радиации на тепловой режим зданий возможен лишь с помощью позонного либо индивидуального регулирования. Компенсация же влияния бытовых тепловыделений практически возможна только при наличии индивидуального регулирования;

несоответствие статических и динамических характеристик данного объекта режиму, устанавливаемому предыдущей ступенью управления. Это вызывается неодинаковыми расчетными температурами воздуха в отапливаемых зданиях (жилые дома, детские сады и ясли и пр.), несоответствием поверхности нагрева радиаторов, установленных в зданиях, температурному режиму тепловой сети, различной тепловой устойчивостью зданий и т. д.;

влияние статических и динамических характеристик тепловой сети от места нахождения предыдущей ступени управления до данного объекта, например влияние охлаждения воды в трубах, транспортного и емкостного запаздывания в тепловой сети;

влияние возмущений на регулирующую величину (температура и расход теплоносителя), действующих между источником получения тепла и вводом в отапливаемое здание. К такого рода возмущениям относятся: работа установок горячего водоснабжения и приточной вентиляции, переключения в тепловой сети и др.;

неоднородный характер теплопотребления, делающий невозможным распределение тепловой энергии разнородным потребителям в требуемых количествах (отопление, горячее водоснабжение, вентиляция) во всем диапазоне тепловых нагрузок с помощью одного центрального регулирования.

Необходимое количество ступеней управления должно определяться в каждом конкретном случае отдельно в зависимости от мощности системы теплоснабжения, характера присоединенной тепловой нагрузки, схем присоединения потребителей и ряда других факторов.

Наиболее сложная система автоматического управления требуется для условий централизованного теплоснабжения больших городов, где в том или ином сочетании могут найти применение все перечисленные выше ступени. В системах теплофикации и централизованного теплоснабжения средних городов нет надобности в создании промежуточной ступени управления — контрольно-регулировочных пунктов. При теплоснабжении от квартальных котельных выпадает также ступень — центральный тепловой пункт. Еще более упрощается задача управления при отоплении от местных котельных, где сохраняются только две ступени регулирования — центральное и индивидуальное. И, наконец, при применении квартирных систем отопления остается один прибор управления, совмещающий функции и центрального, и индивидуального регуляторов.

Таким образом, характер теплоснабжающей системы предопределяет подход к выбору методов автоматического регулирования отпуска тепла.

Вместе с тем представляется возможным дать некоторые оценки очередности достижения различных уровней автоматизации систем теплофикации и централизованного теплоснабжения с учетом соображений технологического и технико-экономического характера.

Прежде всего следует отметить, что технологические возможности ступеней автоматического управления возрастают с их децентрализацией. Так, автоматическое управление в абонентских вводах может обеспечить более тонкую корректировку температурного режима в зданиях по сравнению с автоматическим управлением в центральных тепловых пунктах.

Наибольшими технологическими возможностями обладает индивидуальное автоматическое регулирование теплоотдачи нагревательных приборов. Оно позволяет учитывать специфические условия различных помещений, дает возможность населению менять режим отопления в соответствии с индивидуальными запросами. Это регулирование устраняет перетопы, связанные с бытовыми выделениями тепла и прочими переменными факторами, которые не могут быть учтены предыдущими ступенями управления, и обеспечивает существенную дополнительную экономию тепла.

Однако с увеличением степени децентрализации капиталовложения в автоматизацию резко возрастают. Поэтому в ближайшие годы не следует ожидать повсеместного применения индивидуального автоматического регулирования теплоотдачи нагревательных приборов. Очевидно, в первую очередь получат широкое распространение системы местного (в том числе позонного) автоматического регулирования, требующие значительно меньших капиталовложений по сравнению с внедрением индивидуальных терморегуляторов.

Некоторые прогнозы объемов насыщения систем отопления средствами автоматизации, составленные по результатам исследований ЦНИИЭП инженерного оборудования, приведены в табл. 2.

Таблица 2 Прогнозы развития автоматического регулирования систем отопления и кондиционирования воздуха

Тип систем отопления	Вид регулирования	1972 г.	1980 г.	2000 г.
Водоводяные системы отопления	Местное (на дом) и позонное	Менее 1	80 50	100 90
	Местное с автоматическим индивидуальным	Практически отсутствует	15 5	90 70
Воздушные системы отопления, совмещенные с вентиляцией	Местное (на дом) и позонное	10	70	100
	Местное с автоматическим индивидуальным	Отсутствует	30	80
Системы кондиционирования воздуха	Местное (на дом) и позонное	100	100	100
	Местное с автоматическим индивидуальным	50	80	100
Электрические системы отопления	Автоматическое индивидуальное	80	100	100

Примечание. В числителе указывается процент к объему нового строительства, в. знаменателе — процент ко всему жилому и общественному фонду.

Из таблицы видно, что повсеместное распространение позонных систем автоматического регулирования в зданиях с водяными системами отопления ожидается уже к 1980 г. Вместе с тем насыщение зданий индивидуальными терморегуляторами предполагается только к 2000 г.

Автоматизация систем теплоснабжения с центральными тепловыми пунктами является вопросом сегодняшнего дня. Как показали исследования Академии коммунального хозяйства им. К- Д. Памфилова, при разработке систем автоматического управления для ЦТП следует исходить из последующего оснащения отапливаемых зданий индивидуальными терморегуляторами и в связи с этим учитывать условия совместной работы автоматических устройств в ЦТП и у нагревательных приборов систем отопления. Ступень позонного автоматического управления, как не располагающая теми технологическими возможностями, которые имеют устройства индивидуального терморегулирования, в дальнейшем, очевидно, окажется «избыточной», и от нее можно будет отказаться.

Широкого внедрения в системах теплоснабжения центрального автоматизированного управления, основанного на использовании средств вычислительной техники, можно ожидать уже к 1980 г. При этом схемы автоматизированного управления на первом этапе, очевидно, должны ориентироваться на решение задач центрального регулирования отпуска тепла для существующей структуры теплоснабжения.

В дальнейшем с усовершенствованием этой структуры (в частности, с организацией контрольно-регулировочных пунктов) и с внедрением местного «активного» регулирования у потребителей функциональные задачи, решаемые системой центрального управления, а следовательно, схемы и устройства будут трансформироваться и совершенствоваться, приспосабливаясь к новым условиям теплоснабжения.