• Техподдержка
• Статьи
• Преимущества погодозависимого регулирования системы отопления загородного дома

Преимущества погодозависимого регулирования системы отопления загородного дома

На данный момент существует различные, а порой даже противоречивые мнения по поводу необходимости применения погодозависимого регулирования в системе водяного отопления частного дома. Действительно, на сегодняшний день практически во всех сферах человеческой жизнедеятельности мы можем встретить системы автоматизации, которые призваны оптимизировать тот или иной процесс. Однако возникает вопрос: всегда ли это будет целесообразно? В преимуществах и недостатках погодозависимого регулирования мы постараемся разобраться в данной статье.

Для начала необходимо определить, какие функции призвана выполнять автоматика системы отопления. Выделим две основные:
• обеспечение максимально комфортных условий для проживающих;
• экономия тепловой энергии.

Комфортные условия обеспечиваются не только погодной автоматикой. Для обеспечения оптимальной температуры воздуха внутренних помещений используется целый комплекс инженерных решений, и погодная автоматика является одной из существенных составляющих этого комплекса. Дело в том, что за параметры микроклимата, как правило, отвечают комнатные термостаты, работающие по датчикам температуры внутреннего воздуха и обеспечивающие непосредственную регулировку системы отопления. Однако уже разбиралось ранее, что применение одних лишь термостатов (если мы говорим про сугубо автоматический режим) не совсем оправдано, так как всегда имеется задержка между изменением температуры наружного воздуха и последующим изменением температуры внутреннего воздуха, а также инерционность самой системы отопления (особенно это касается теплых полов). Влияние всех вышеперечисленных факторов приводит к тому, что система начинает работать в прерывистом импульсном режиме с периодическим запозданием. И тут к нам на помощь приходит та самая погодозависимая автоматика, включающая в себя контроллер, который по датчику температуры наружного воздуха будет постоянно корректировать температуру теплоносителя и обеспечивать необходимые параметры.

Комфорт – это, конечно, хорошо, однако возникает вопрос целесообразности именно постоянной корректировки температуры теплоносителя. Зачастую можно встретиться с таким мнением, что необходимо и достаточно разовой подстройки системы в течение какого-либо периода, либо при резком изменении температуры наружного воздуха.

При этом регулировку можно производить вручную, и, используя различные системы дистанционного управления, избегать излишних «наворотов» в своих инженерных системах, упрощая их эксплуатацию.

Для того чтобы разобраться в данном вопросе подробнее, предлагаю перейти ко второй функциональной части погодозависимого регулирования – экономии энергетических ресурсов.

Конечно, если вы спросите – какой вид регулировки подачи теплоносителя будет самым энергоэффективным, то можно сразу, не задумываясь, ответить – автоматический. Тем самым можно сразу закончить данную статью. Но тут же возникает вопрос, не просто связанный с энергоэффективностью, а с тем, на сколько уменьшаются реальные затраты на выработку тепловой энергии от применения погодозависимой автоматики, и насколько данные меры целесообразны. Многие производители приводят различные цифры, говоря об экономии, однако реальных, подтвержденных расчетом или экспериментом данных, практически, не найти. Возможно, это связано с тем, что достаточно сложно заранее подсчитать, какой реальный эффект будет от данной системы, ведь в расчёт включается большое количество переменных. Все эти переменные связаны с реальным режимом эксплуатации системы водяного отопления и количеством часов пребывания людей в доме.

Таким образом, эффект от применения погодозависимого регулирования мы можем определить двумя способами. Первый способ это экспериментальный, второй – расчетный.

В данной статье мы как раз будем использовать метод номер два, и для этого зададимся исходными данными. Для примера возьмем дом (рис. 1), расположенный в Ленинградской области, имеющий конструктивные характеристики, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики здания

Наименование параметра, ед. измерения	Значение
Общая жилая площадь здания, м²	372
Объем здания, м³	1116
Площадь оконных проемов, м²	24
Площадь дверных проемов, м²	4
Характеристики ограждающих конструкций, толщина слоя, мм
Стена наружная
Штукатурка, λ = 0,87 Вт/ м·K	30
Газобетонные блоки, λ = 0,14 Вт/ м·K	300
Утеплитель, λ = 0,053 Вт/ м·K	100
Облицовочная керамика, λ = 1 Вт/ м·K	10
Пол по грунту
Насыпка из щебня, λ = 0,26 Вт/ м·K	220
Плита железобетонная, λ = 1,11 Вт/ м·K	350
Пенополистирол, λ = 0,043 Вт/ м·K	100
Плитка, λ = 0,38 Вт/ м·K	10
Перекрытие чердака
Плита железобетонная, λ = 1,11 Вт/ м·K	300
Утеплитель, λ = 0,047 Вт/м·K	200
Доска, λ = 0,18 Вт/ м·K	30

Рис. 1. Фасад здания

Для начала определим расчетные тепловые потери нашего здания при температуре наружного воздуха t_н = –26 °С. Для расчета тепловых потерь через каждую ограждающую конструкцию будем использовать формулу:

Q_огр = k · A · (t_в – t_н) · n · (1 + ∑β), Вт,

где k – коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/м²·K; А – площадь ограждающей конструкции, м²; t_в и t_н – температура внутреннего и наружного воздуха соответственно, °С; n – коэффициент уменьшения расчетной разности температур; β – коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери сверх основных.

Таким образом, величина максимального значения тепловых потерь при минимальной температуре наружного воздуха составит 14 891 Вт, или 14,9 кВт.

Однако за счет изменения температуры наружного воздуха процесс теплоотдачи переходит в динамику. Для того, чтобы оценить необходимую тепловую нагрузку для нашего здания, в зависимости от температуры наружного воздуха, предлагается произвести ряд расчетов, последовательно подставляя в исходную формулу переменные значения температуры наружного воздуха, в результате чего мы сможем получить зависимость, изображенную на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость необходимой тепловой мощности от температуры наружного воздуха

Обратите внимание, что данный график имеет некоторый изгиб, что говорит о нелинейной зависимости температуры и мощности. Данная нелинейная зависимость будет у каждого здания своя за счет индивидуальных конструктивных особенностей.

Помимо представленной выше характеристики нам потребуются значения температур наружного воздуха в течение всего отопительного периода. Для этого воспользуемся архивом данных для Ленинградской области в период 2015–2016 г. Конечно, существуют нормы, исходя из которых каждый год в определенное время начинается отопительный период, однако, если мы рассматриваем частный дом, то он наступает, как правило, при первом резком похолодании. Проанализировав изменение температуры в течение года, был сделан вывод, что отопительный период предположительно начался 5 октября 2015 г. и закончился 30 апреля 2016 г. Таким образом, продолжительность отопительного периода составила семь месяцев, что вполне нормальный показатель для данного региона.

На рис. 3 представлен график изменения температуры воздуха в течение всего отопительного периода.

Рис. 3. Изменение температуры наружного воздуха в период с 5.10.2015 по 30.04.2016 в Ленинградской области

Заручившись исходными данными, переходим к расчету эффекта от применения погодозависимой автоматики.

Принцип работы данного вида регулирования следующий. Датчик температуры наружного воздуха фиксирует изменения температуры и посылает сигнал на контроллер. Контроллер обрабатывает полученную информацию и по определенному алгоритму вычисляет необходимую температуру теплоносителя в системе отопления. Сигнал от контроллера поступает на исполнительный механизм смесительного клапана, и тот, в свою очередь, открываясь или закрываясь, обеспечивает необходимую температуру теплоносителя в обслуживаемом контуре. Отметим, что при этом происходит качественная регулировка, при которой общий расход теплоносителя в системе остается постоянным, т.к. регулирование заключается в степени подмешивания горячего теплоносителя к остывшему. Снижение подмеса горячего теплоносителя приводит к повышению температуры теплоносителя, возвращаемого в греющий (котловой) контур. Это вызывает либо выключение горелки, либо снижение подачи топлива на горелку. Так образуется экономия энергоресурсов, которую и хотелось бы оценить.

Для непосредственного расчета зададимся следующими режимами работы системы отопления:

Первый режим работы – постоянная корректировка температуры теплоносителя по датчику наружного воздуха (автоматический режим).

Для расчета затраченной тепловой энергии мы будем вести расчет, учитывая изменения температуры наружного воздуха каждые три часа. Данный расчет будет произведен на каждый день в течение всего отопительного периода.

Второй режим работы – в данном режиме мы учтем изменения температуры наружного воздуха по дням в течение месяца. Предполагается, что это тот самый режим, когда у хозяина есть возможность вручную или удаленно подстраивать температуру теплоносителя каждый день. Логика данного регулирования следующая. При просмотре прогноза погоды или реальном ощущении холода человек выставляет необходимую температуру, но главным критерием будет являться не экономия ресурсов, а желание не замерзнуть. Однако при повышении температуры на 2–4 °С вероятность того, что хозяин сразу же пойдет прикрывать регулятор стремится к нулю.

Таким образом, расчет данного вида регулирования будет производиться по минимальной температуре наружного воздуха в течение дня. Расчет выполняется так же, для всех дней отопительного периода.

Третий режим работы предполагает собой ручную подстройку системы в момент резкого изменения температуры наружного воздуха. Для наглядности обратимся к графику, представленному на рис. 4.

Рис. 4. Тенденция изменения температуры наружного воздуха

Из графика видно, что в промежутке с 1 по 23 число включительно, температура наружного воздуха колебалась в диапазоне от –10 до –20 °С, имея среднее значение –15 °С. Затем тенденция пошла вверх, и мы наблюдаем среднее значение в районе +2,5 °С.

Очевидно, что именно в такой момент, любой здравомыслящий человек постарается снизить температуру теплоносителя тем методом, который ему доступен, к примеру, регулировкой мощности котла. Итак, при расчете третьего режима работы системы отопления мы будем задаваться минимальными значениями температуры наружного воздуха внутри тренда.

Четвертый режим работы – полное отсутствие какого-либо регулирования температуры теплоносителя. Предполагается, что система отопления работает на полной мощность в течение всего отопительного периода.

Результаты расчета потребленной тепловой энергии за отопительный период для различных видов регулирования сведены в таблицу 2 и график, представленный на рис. 5.

Таблица 2. Потребленная энергия в зависимости от способа регулирования

Режим работы	Количество потребленной энергии за отопительный период, кВт・ч
Автоматический режим	27093,27
Регулировка по дням	30431,89
Регулировка по периоду	34091,8
Отсутствие регулирования	76123,5

Рис. 5. График зависимости тепловой мощности от температуры наружного воздуха при различных режимах работы системы отопления

Далее мы можем подсчитать необходимое количество топлива:

G_газа = 3600 · Q/(q_н – ɧ),

где Q – расход тепла за отопительный период, кВт·ч; q_н – низшая теплота сгорания газа кДж/м³; ɧ – КПД котла.

Для расчета принимает среднее значение низшей теплоты сгорания для природного газа равной 38 231 кДж/м³ и среднее значение КПД котла равным 0,92.

Расчет финансовых затрат ведется путем умножения полученного объема топлива на величину стоимости 1000 м³ природного газа, взятого по данным розничных цен на газ за период 2015–2016 гг. Стоимость 1000 м³ газа составляла 5636,09 руб. Для определение среднемесячных затрат делим получившееся значений на количество месяцев в отопительном периоде:

A = G_г · B / n, руб.,

где G_r – необходимое количество топлива, м³; B – стоимость 1000 м³ природного газа; n – число месяцев в отопительном периоде.

Полученные результаты сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Расчет экономии энергоресурсов при каждом виде регулирования

Режим работы	Количество потребленной энергии, кВт·ч	Количество топлива, м³	Затраты, руб.	Среднемесячные затраты, руб.	Экономия, %
Автоматический режим	27093,27	2773,25	15627,25	2232,5	64,4
Регулировка по дням	30431,89	3114,99	17553,28	2507,6	60
Регулировка по периоду	34091,8	3489,62	19664,38	2809,19	55,2
Отсутствие регулировки	76123,5	7791,97	43908,46	6272,6	0

Как видно из приведенной таблицы, режим работы, при котором отсутствует регулировка, принят за 100 %. Экономия при полностью автоматическом режиме составила 64,4 %. Необходимо отметить, что увеличение экономического эффекта будет осуществляться за счет использования, к примеру, режима работы по периодам присутствия/отсутствия жильцов, которые настраиваются индивидуально.

Срок окупаемости рассчитывается по формуле:

T_o= З_м · N_o / (З_бр – З_а) = (7999 + 5974) · 7 / (43908,36 – 15627,25) = 3,5 мес.

Где З_м – затраты на модернизацию системы отопления, руб; N_o – количество месяцев в отопительном периоде; З_бр – затраты за отопительный период при отсутствии регулировки, руб; З_а – затраты за отопительный период при наличии погодного регулирования, руб.

Как видим, в этом случае мероприятия по энергосбережению окупаются уже в течении первой половины отопительного периода. 

Проанализировав вышеприведенные расчеты и графики, необходимо отметить, что погодозависимое регулирование – это вполне оправданная мера, которая позволяет не только повысить степень комфорта, но и сэкономить достаточно существенный процент денежных средств. Конечно, данный расчет был выполнен с учетом ряда допущений и предположений, однако все они были взяты в рамках адекватных значений, что позволяет оценить порядок цен. В любом случае погодозависимая автоматика является полноценным оправданным решением, которое движется в ногу со временем.

Автор: Бобров А.А.