Энергосбережение – через управление насосами

Новое системное решение KSB, BOA-Systronic, обеспечивает регулирование температуры в подающей линии отопительных контуров, раскрывая не используемый до настоящего времени потенциал экономии электроэнергии, потребляемой циркуляционным насосом. Главный распределитель отопительного контура включает несколько регулирующих компонентов, таких как циркуляционный насос и регулирующая арматура, соединенных трубопроводами. Циркуляционный насос транспортирует греющую воду от теплогенератора к потребителям, а регулирующая арматура регулирует объемный расход в соответствии с потребностями потребителей. При этом обычный отопительный контур характеризуется, в числе прочего, следующими особенностями:
1. Циркуляционный насос и регулирующая арматура обычного отопительного контура работают независимо, без координации друг с другом.
2. Системных знаний о гидравлических характеристиках отопительного контура не имеется. Поэтому предоставляемая насосом гидравлическая энергия частично уничтожается в другом месте отопительного контура арматурой и регулятором перепада давления.
3. Главный распределитель обычной конструкции обеспечивает постоянный объемный расход теплоносителя, подаваемого потребителям. Таким образом, в случае частичной нагрузки, на долю которой приходится свыше 90% времени отопительного периода, насосом перекачивается преимущественно охлажденная обратная вода.
4. Напор регулируемого насоса в обычной системе остается постоянным независимо от нагрузки, т.е. независимо от наружной температуры. Только при воздействии внешнего тепла экономия энергии может быть достигнута на основе установленной характеристики насоса Δp = const или Δp = var.
5. Если несколько обычных отопительных контуров питаются от одной распределительной магистрали, то требуется ручная гидравлическая балансировка.

рисунок1

Анализ этих обстоятельств привел к системной концепции устройства BOA-Systronic с четко определенной целью — сократить эксплуатационные расходы отопительного контура. BOA-Systronic координирует работу циркуляционного насоса и регулирующей арматуры. В зависимости от управляющего сигнала устройства регулирования вышестоящего уровня оба регулирующих клапана обеспечивают результирующий объемный расход, требующийся для потребителей. Одновременно регулируемому циркуляционному насосу задается соответствующее значение напора. Таким образом, BOA-Systronic преобразует обычную отопительную систему с постоянным расходом в систему с переменным расходом и подстраивает напор циркуляционного насоса в соответствии с характеристикой управления системой к сокращенному объемному расходу. Для сокращения объемного расхода требуется повышение температуры подаваемого теплоносителя. Это производится вышестоящим уровнем регулирования. В результате достигается экономия на объемном расходе ΔQ и напоре ΔH, произведение которых пропорционально экономии электрической мощности циркуляционного насоса. Следствием этого является сокращенное потребление тока и соответственно сокращение расходов на эксплуатацию циркуляционного насоса. Статическая балансировка участков сети у главного распределителя происходит автоматически, что сокращает расходы на ввод в эксплуатацию отопительного контура. В главном распределителе с обычным оснащением во время ввода в эксплуатацию отопительного контура разность температур на входе и выходе для расчетной точки устанавливается с помощью балансировочного клапана. При этом, как правило, производится дросселирование арматуры. Перепад давления на арматуре может доходить до нескольких десятых долей бара. При использовании BOA-Systronic эта процедура отпадает. Такая трансформация в систему с переменным расходом возможна лишь в том случае, если часть расхода гидравлически отделена и имеется информация о требуемом расходе для снабжения отопительного контура. По этой причине система BOA-Systronic оснащена тремя клапанами. С помощью обоих регулирующих клапанов BOA-CVE SuperCompact объемный расход, подаваемый потребителю, регулируется по фактической нагрузке (переменный). Клапан с функцией регулирования и измерения используется здесь для измерения объемного расхода в обратной линии главного распределителя во время пуска в эксплуатацию. С помощью этого измерительного сигнала определяется напор циркуляционного насоса для расчетной точки, а также системная характеристика отопительного контура и, таким образом, его гидравлическое сопротивление. Измерительный клапан как во время ввода в эксплуатацию, так и во всем рабочем диапазоне полностью открыт и вследствие очень малого коэффициента сопротивления «Зет» по гидравлическим характеристикам практически не отличается от обычного участка трубы.

Регулирование температуры подаваемого теплоносителя остается и впредь задачей контроллера вышестоящего уровня. Входными сигналами для этого контроллера являются, в частности, измеренная наружная температура и температура воды на входе отопительного контура. На основе загруженной в контроллер рабочей характеристики отопительной системы по измеренному значению наружной температуры получают заданное значение для температуры воды на входе в отопительный контур. По этому заданному значению и измеренной температуре воды на входе контроллер вышестоящего уровня генерирует сигнал рассогласования и вводит его в алгоритм регулирования (ПИ- или ПИД-алгоритм). Алгоритм регулирования генерирует управляющий сигнал, передаваемый регулирующему клапану. Этот управляющий сигнал контроллера вышестоящего уровня является входным сигналом для всей системы. Упрощенно можно сказать, что этот управляющий сигнал трансформируется в два сигнала управления для обоих регулирующих клапанов и сигнал заданного значения для напора циркуляционного насоса.

рисунок2

В главном распределителе обычной конструкции трехходовой клапан в отопительном контуре на основе своей характеристики пропускает потребителям только постоянный объемный расход (Qобщ). Выходящий из подающего коллектора объ- емный расход греющей воды (Q1вход) связан с подаваемым линией примешивания объемным расходом холодной обратной воды (Q2примеш). Отопительному контуру требуется тепловая мощность Pтепл = 1,16QΔt, определяемая объемным расходом Q и разностью температур на входе и выходе Δt. В связи с постоянным объемным расходом тепловую мощность системы с трехходовым клапаном можно регулировать только изменением температуры путем подмешивания обратной воды. Как следствие, циркуляционный насос в случае частичной нагрузки перекачивает по отопительному контуру преимущественно холодную воду обратного трубопровода (Q2примеш). В отопительном контуре обычной конструкции объемный расход сокращается только в том случае, если срабатывает термостатический клапан(компенсация внешнего тепла). Напротив, инновационная система управления объемным расходом BOA-Systronic значительно сокращает количество прокачиваемой через отопительный контур воды при сохранении того же количества тепловой энергии, отдаваемой потребителям (Qобщ). Такая возможность имеется лишь в том случае, если температура греющей воды на входе соответственно повышается (диаграмма отопительных приборов). Для этого требуется изменение рабочей характеристики отопительной системы контроллером вышестоящего уровня. Наиболее простым решением является параллельное смещение рабочей характеристики отопительной системы на фиксированную величину. В этом случае для каждой рабочей точки эта фиксированная величина добавляется контроллером к заданному значению температуры воды на входе (параллельное смещение рабочей характеристики отопительной системы). Оба регулирующих клапана отделяют объемный расход из подающего коллектора от объемного расхода, подаваемого из линии примешивания. Главный регулирующий клапан, установленный в прямой или обратной линии главного распредели- теля, управляет количеством греющей воды (Q1входн), подаваемой из коллектора в отопительный контур. Регулирующий клапан в примешивающей линии регулирует примешиваемый объемный расход обратной воды (Q2примеш). Насос, управляемый от системы подает только то количество горячей воды, которое требуется для предоставления потребителям необходимой тепловой мощности.

рисунок3

В отопительном кольце обычной конструкции объемный расход сокращается только в том случае, если срабатывает термостатический клапан. Циркуляционный насос реагирует на сокращение объемного расхода в соответствии с установленной характеристикой насоса (Δp = const или Δp = var), что обеспечивает экономию энергии. Система BOA-Systronic в противоположность обычному главному распределителю использует системные знания о гидравлической характеристике отопи- тельного контура. Это становится возможным, поскольку во время ввода в эксплуатацию отопительного контура клапаном с функцией измерения и регулирования измеряется объемный расход у главного распределителя. Этим измерительным сигналом определяется требуемый для номинального объемного расхода (расчетной точки) номинальный напор циркуляционного насоса. Эти значения используются затем для определения системной постоянной для отопительного контура. Становится известным сопротивление отопительного контура. Блок управления знает требуемый для каждой рабочей точки напор циркуляционного насоса (характеристику управления системой). Характеристика управления системой ограничена минимальным напором системы (рис. 3). Благодаря этому система может подстраивать напор регулируемого циркуляционного насоса во время работы к характеристике отопительного контура. В то же время с использованием трехходового примешивающего или разделительного клапана напор циркуляционного насоса адаптировать к характеристики установки невозможно. По этой причине используются два проходных клапана. Все известные свойства регулируемого насоса и термостатического клапана сохраняются. В зависимости от наружной температуры система перемещает рабочую точку управляемого циркуляционного насоса на определенную при вводе в эксплуатацию системную характеристику управления. При воздействии внешнего тепла эта рабочая точка дополнительно перемещается на характеристике циркуляционного насоса. В соответствии с установленной характеристикой насоса напор остается неизменным (Δp = const) или же с уменьшаемым объемным расходом также снижается (Δp = var).

рисунок4

Если в помещение подводится внешнее тепло — например, посредством солнечного излучения, — термостатический клапан уменьшает объемный расход греющей воды, проходящей через этот радиатор. Циркуляционный насос при сокращенном объемном расходе работает с неизменившимся (Δp = const) или уменьшенным (Δp = var) напором. Уменьшенный объемный расход вызывает меньшую потерю давления в трубопроводе. Излишний перепад давлений, развиваемый насосом, может быть сработан только в термостатическом клапане, что связано со значительным шумом потока. Чтобы предотвратить это явление, нередко устанавливают регуляторы перепада давлений. Они ограничивают возрастание перепада давлений в клапане и, таким образом, предотвращают возникновение шума. Следовательно, в обычных системах часть развиваемого циркуляционным насосом напора во многих случаях сразу же снова гасится в регуляторе перепада давления. Такой излишний напор в системе BOA-Systronic вообще не создается: насос развивает только тот напор, который фактически требуется для частичной нагрузки. Поэтому также и при воздействии внешнего источника тепла не возникает шума и нет необходимости в дорогих регуляторах перепада давлений. Для гидравлической балансировки нижних распределителей они могут быть заменены обычными более дешевыми балансировочными клапанами. На рисунке показано сравнение отопительных контуров с нерегулируемым циркуляционным насосом, регулируемым по перепаду давлений циркуляционный насосом (Δp = const), а также отопительного контура, оснащенного системой BOA-Systronic.

Система BOA-Systronic рассчитывает объемный расход для новой расчетной точки на основе рассчитанного проектировщиком расхода для обычной системы. Это значение должно быть введено с системным условным проходом BOA-Systronic в программу ввода в эксплуатацию (параметрирование). Для данного номинального расхода требуется определить номинальный напор циркуляционного насоса, для чего запускают циркуляционный насос с минимальным напором. В отопительном контуре устанавливается соответствующий объемный расход, измеряемый клапаном у главного распределителя. Это измеренное значение с помощью измерительного компьютера преобразуется в аналоговый токовый сигнал (4–20 мA) и передается в блок управления. Измеренное значение сравнивается с номинальным расходом. Напор циркуляционного насоса постепенно повышается, пока разность между заданным и измеренным значениями не станет меньше определенного уровня. После за- вершения этого процесса система «знает» напор циркуляционного насоса для расчетной точки, а также системную постоян- ную для этого отопительного контура и, таким образом, характеристику системы. Благодаря этому становится известной зависимость между напором и расходом отопительного контура. В ходе дальнейшего процесса система BOA-Systronic генерирует с сохраненными данными о расходе в режиме частичной нагрузки характеристику системы и обе характеристики управления клапанами.

В 2001 г. главный распределитель западного крыла административного здания в Хайдельберге был оборудован системой BOA-Systronic. Для сравнения главный распределитель восточного крыла этого здания был оборудован обычной трехходовой системой с такой же тепловой мощностью. Чтобы обеспечить требуемым количеством горячей воды, здание подключено к двухкотельной установке тепловой мощностью 2 МВт. К распределительной магистрали подключено в общей сложности восемь линий отопления и горячей воды. Главный распределитель для восточного крыла был оборудован трехходовой схемой примешивания с условным проходом DN 65 и служил в качестве опорного контура. Его тепловая мощность составляет Pтепл = 300 кВт при разности температур на входе и выходе Δt = 20 K. Для этого трехходовой клапан в главном распределителе отопительного контура должен пропускать объемный расход Q = 13 м3/ч. Объемный расход обеспечивается циркуляционным насосом Riotec 65-100 с электронным регулированием, условный проход DN 65, номинальный напор H = 10 м. Главный распределитель для западного крыла был оборудован системой BOASystronic для условного прохода DN 50. Его тепловая мощность составляет и в этом случае Pтепл = 300 кВт при разности температур на входе и выходе Δt = 20 K. Путем параллельного смещения рабочей характеристики отопительной системы на величину Δt = 3,5 K объемный расход для расчетной точки можно сократить на 25%, до Q = 9,8 м3/ч. Таким образом, можно было бы выбрать циркуляционный насос Riotec 50-60 с условным проходом DN 50 и максимальным напором H = 6 м. Поскольку речь шла об испытательной установке, вместо этого был выбран циркуляционный насос Riotec 50-100 с условным проходом DN 50 и максимальным напором H = 10 м. Главный регулирующий клапан с условным проходом DN 50 и электрическим исполнительным приводом был смонтирован в подающей линии. Регулирующий клапан в линии примешивания с условным проходом DN 32 оснащен приводом EA-B12. Возможные отклонения от нормальной температуры помещения регулируются термостатическим клапаном. Оба циркуляционных насоса регулируются по перепаду давления (Δр = const).

Чтобы проверить работу системы, были проведены измерения основных параметров обоих отопительных контуров. К ним относятся: наружная температура; ход штоков регулирующих клапанов; температура греющей и обратной воды; перепады давлений у насосов; тепловая мощность; объемные расходы у главных распределителей; электрическая мощность, потребляемая обоими насосами. Ниже в виде примера представлены измеренные в течение суток объемные расходы и величины мощности, потребляемой циркуляционными насосами. При одинаковой тепловой мощности через отопительный контур с BOA-Systronic в среднем за сутки было прокачано лишь 68% объема воды, прошедшего через трехходовую систему. Потребление электрической мощности циркуляционным насосом, управляемым системой BOA-Systronic в течение рассматриваемого промежутка времени, составило примерно 43% по сравнению с циркуляционным насосом обычной трехходовой системы (экономия 57%).

рисунок5

Исследования профилей нагрузки отопительных установок показывают, что отопительные контуры в течение более 90% эксплуатационного периода работают в диапазоне частичных нагрузок. Этот результат позволяет утверждать, что в отопительных контурах с обычным оборудованием перекачивается преимущественно охлажденная обратная вода. Cистема BOA-Systronic перекачивает лишь требуемое количество горячей воды и поэтому в течение отопительного периода экономится в среднем 50% расходов на электроэнергию, потребляемую насосом. При строительстве нового здания или при замене циркуляционного насоса в существующем отопительном контуре инвестиционные расходы на циркуляционный насос сокращаются на несколько сотен евро. В новых отопительных контурах можно отказаться от установки регулятора перепада давлений. Сокращение расходов на ввод в эксплуатацию отопительного контура. Циркуляционный насос и регулирующая арматура настраиваются автоматически. Статической балансировки участков сети у главного распределителя больше не требуется. Отопительный контур настраивается на оптимальный гидравлический режим. В результате сокращаются расходы на ввод в эксплуатацию отопительного контура. Амортизационный период для BOA-Systronic (без циркуляционного насоса) составляет, в сравнении с обычной трехходовой системой, всего лишь несколько месяцев. Вследствие сокращения потребляемой электроэнергии система вносит существенный вклад в охрану окружающей среды.