Погодозависимое регулирование системы отопления — стоит ли его устанавливать

Погодозависимое регулирование отопления в частном доме позволяет изменять температуру воздуха в жилых комнатах в зависимости от уличной температуры. Такую систему отопления можно организовать при помощи автоматизации работы отопительных приборов. В статье мастер сантехник рассмотрит, способы регулирования отопления в частном доме, расскажет зачем использовать автоматику для управления отопительным котлом.

Ручные и автоматизированные системы управления отоплением

Рассмотрим способы управления температурой системы отопления.

Ручное управление

До определенного момента самым распространённым способом управления отопительным котлом было ручное регулирование температуры теплоносителя (многие котлы до сих пор управляются именно так). Автоматизация была простая – встроенный в котёл термостат вручную настраивался на определенную температуру циркулирующего в системе теплоносителя, например, 50°С.

Но ручное управление эффективно только при стабильных внешних условиях. Допустим, что необходимо поддерживать определенную температуру в помещении – 23°С. При достижении температуры теплоносителем в 50°С термостат подаст команду на выключение горелки, а если температура понизится – то на включение. Этот циклический процесс объясняет «волнистость» оранжевого графика температуры теплоносителя и зеленого графика комнатной температуры. Если на улице резко похолодает, а термостат продолжит работать в прежнем режиме (50°С), то температура в помещении неизбежно понизится. Для исправления этой ситуации требуется участие человека, который должен повысить значения температуры теплоносителя до более высоких значений.

Преимущества:

• Высокая точность поддержания стабильной температуры в доме при неизменной температуре на улице;
• Не нужно доплачивать за автоматику управления, т.к. она входит в стоимость котла.

Недостатки: 

• Необходимость постоянной ручной регулировки температурного режима работы котла;
• Из-за постоянно работающего насоса происходит повышенный расход электроэнергии;
• Частые циклы включения/выключения быстрее изнашивают автоматику котла.

Управление котлом при помощи комнатного термостата

Другой популярный и более современный способ регулировать работу отопительного котла и исключить участие человека из этого процесса – применение в отопительной системе релейного комнатного термостата.

Термостат – это прибор, который измеряет температуру в жилом помещении и, в зависимости от окружающей среды и заданного значения температуры, управляет включением и выключением котла. Однако инерционность тепловой системы вызывает большие задержки в реагировании на команды комнатного термостата. И часто температура в жилом помещении существенно отличается от заданной (в сторону повышения или понижения), что и отображается на зеленом графике комнатной температуры в виде появления красных (перегрев) и синих (недогрев) сегментов.

Следует заметить, что для более быстрого нагрева на котле выставляют более высокую температуру теплоносителя (в нашем случае 80°С). Отсюда и некая «серповидность» формы оранжевого графика – мы видим быстрый нагрев до 80°С, а затем отключение горелки и постепенное остывание до момента, когда комнатный термостат снова подаст команду на включение горелки. Если уличная температура будет понижаться, то термостат будет чаще включать горелку, и нижняя граница температуры теплоносителя (красная точка «ВКЛ.» на оранжевом графике) будет расти, что компенсирует понижение внешней температуры. Таким образом, с помощью термостата стало возможным стабилизировать комнатную температуру без участия человека, хотя и возможны кратковременные циклические «перегревы» и «недогревы».

При использовании релейного термостата автоматика розжига работает значительно реже, чем при ручном управлении, но из-за высокого порогового значения температуры теплоносителя происходит перерасход топлива. Этот недостаток можно компенсировать усовершенствованием комнатных термостатов. Так, современные программируемые модели этих приборов позволяют задавать различные суточные и недельные режимы работы. Например, температуру в комнатах ночью можно понизить, а днём – повысить. Аналогично в будни и выходные дни. Гибкий график необходимой температуры позволяет добиться значительной экономии топлива.

Преимущества:

• Исключение участия человека из процесса регулировки работы котла;
• Уменьшение количества циклов включения/выключения котла, что благотворно влияет на срок службы автоматики розжига;
• Экономия электричества за счёт автоматического отключения насоса при выключенной горелке.

Недостатки:

• Затраты на покупку и монтирование термостата;
• В помещении вероятны заметные колебания температуры воздуха.

Что такое погодозависимая автоматика

В погодозависимой автоматике уровень сложности регуляции поднялся за счет возможностей учета текущих параметров уличного климата. То есть ключевая задача осталась прежней – управлять температурным режимом условного котла так, чтобы в доме поддерживался комфортный микроклимат. Но достигается это несколько другим способом, в котором команды на регуляцию подаются исходя из текущих погодных показателей за пределами дома.

На графике мы можем видеть, что горелка практически не выключается, а только меняет интенсивность своего горения. При этом вне зависимости от внешних условий, график целевой температуры практически не меняется и лежит в границах гистерезиса теплосистемы. Также преимущества этой системы управления – это заметное повышение срока службы горелки и значительная экономия газового топлива.

Преимущества:

• Минимальный расход топлива по сравнению с другими методами управления;
• Минимальное колебание температуры воздуха в доме вне зависимости от температуры на улице, что обеспечивает максимальный комфорт;
• Корректировка температуры идёт за счёт изменения модуляции пламени горелки, что минимизирует количество циклов включения/выключения;
• Возможность удаленного мониторинга состояния котла и изменения его настроек.

Недостатки:

• Более высокая цена по сравнению с другим оборудованием, что компенсируется за счёт экономии газа.

Пример теплового расчёта эффективности погодозависимой автоматики

Рис. 1. Фасад здания

Для примера возьмем дом (рис. 1), расположенный в Московской области, имеющий конструктивные характеристики, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики здания

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

Qогр = k · A · (tв – tн) · n · (1 + ∑β), Вт,

Где k – коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/м²·K; А – площадь ограждающей конструкции, м²; tв и tн – 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 Московской области в период 2018–2019 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 2018 г. и закончился 30 апреля 2019 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 5.10.2018 по 30.04.2019 в Московской 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.

Таблица 2. Потребленная энергия в зависимости от способа регулирования

Далее мы можем подсчитать необходимое количество топлива:

Gгаза = 3600 · Q/(qн – ɧ)

Где Q – расход тепла за отопительный период, кВт·ч; qн – 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 = Gг · B / n, руб.

Где Gr – 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

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:

To= Зм · No / (Збр – За) = (7999 + 5974) · 7 / (43908,36 – 15627,25) = 3,5 мес.

Где Зм – затраты на модернизацию системы отопления, руб; No – количество месяцев в отопительном периоде; Збр – затраты за отопительный период при отсутствии регулировки, руб; За – 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.

Видео

В сюжете - Помогает ли погодозависимое управление сэкономить

В сюжете - Суть и принцип работы погодозависимой автоматики для котлов

Заключение

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.

В продолжение темы посмотрите также наш обзор Монтаж системы Умный дом