Относительная истина и тепловая безопасность/ В. Сасин, С. Трехов
Опубликовано: 21 апреля 2015 г.
192
Обеспечение тепловой безопасности зданий базируется на многих факторах. Но квалифицированный учет их, в частности работы систем отопления, невозможен без расчетов, в которых используются достоверные теплотехнические, гидравлические и прочностные характеристики инженерных систем зданий. Все статьи номера здесь.
Определение и прогнозирование изменения в течение срока эксплуатации теплотехнических характеристик отопительных приборов возможно лишь при использовании стандартных, нормированных методик испытаний. Но и это не защищает от ошибок при проектировании отопительных систем. Например, часто приводимые производителями мощности и прочностные характеристики отопительных приборов оказываются завышенными по отношению к реальным.
Относительная погрешность
Причин несоответствия заявленных характеристик реальным может быть три, причем эти факторы могут действовать как по отдельности, так и вместе, порождая своего рода синергетический эффект и приводя в ряде случаев к критическим нарушениям тепловой безопасности.
Во-первых, даже в случае корректных испытаний отечественные и зарубежные методики различны и будут разными полученные на их основе данные (см. А-Т 57 «Кто в ответе за достоверность»). Во-вторых, – уже после испытаний производители часто вносят те или иные изменения в конструкцию и/или технологию изготовления прибора, приводящие к изменению его теплотехнических, гидравлических и прочностных характеристик. И в-третьих, производитель завышает характеристики, некорректно осуществляя испытания либо не проводя их вообще. Бывают также случаи, когда даже теоретические расчеты не проводятся, а данные указываются по аналогии с другими изделиями.
Причем можно даже не рассматривать вариант прямой фальсификации. Недостоверные данные могут быть получены, например, при экономии на испытаниях и определении параметров расчетным путем. При этом возникает соблазн скорректировать в большую сторону результаты, не учитывая множественность и взаимовлияние различных факторов, прямо и косвенно изменяющих теплотехнические характеристики.
Все это приводит к тому, что часто даже формально достоверные параметры не подходят для получения корректных проектных расчетов. Зарубежные методики (например, EN 442-2) рассчитаны на проведение сопоставительных исследований, в частности, по сравнению характеристик отопительных приборов с показателями эталонного отопительного прибора (например,«мастер-радиатора» из нержавеющей стали). Таким эталоном обладают лишь несколько базовых европейских испытательных центров, в организационной зависимости от которых находятся еще пять–шесть лабораторий.
Отечественный подход характеризуется большей близостью к реальным условиям эксплуатации. Например, не охлаждается пол и противоположная прибору стенка, ближе к реальным также граничные условия, характеризующие теплообмен прибора и окружающих его воздуха и ограждений.
Но несовпадение методик – это систематическая ошибка, учет которой вполне возможен. В основе недостоверности указываемых параметров может быть также некорректная или устаревшая испытательная методика. Так, именно это обстоятельство вызывает сомнения в точности данных, приводимых китайскими производителями.
Рис. 1. Алюминиевый секционный радиатор
Проверки точности заявленных данных также показывают (рис. 1), что практически всегда тепловые характеристики приборов завышены по отношению к тем, которые получают с учетом реальных условий эксплуатации (см. А-Т 75 «Параметры отопительных радиаторов по российским стандартам»).
Суммирование «точных неточностей»: завышенных – показателей теплоотдачи и прочности и заниженных – гидравлических, приводит уже к существенным ошибкам при проектировании систем теплоснабжения.
Гидравлика и прочность
Гидравлические показатели часто также не соответствуют реальным. В Европе принято проводить испытания, используя чистую воду и новые, еще не эксплуатировавшиеся отопительные приборы. В России же гидравлика исследуется уже после определенного срока эксплуатации (примерно соответствующего трем годам), когда на гидравлические показатели влияют накопившиеся загрязнения.
Например, получаемые по отечественным методикам на стендах ООО «Витатерм» и ОАО «НИИсантехники» гидравлические характеристики достаточно сильно отличаются от заявленных производителями и дистрибьюторами. Это происходит именно из-за учета эксплуатационного фактора – испытания проходят на стендах после трех–пяти недель искусственного «старения», при котором в приборах циркулирует насыщенная кислородом вода. В этом случае гидравлическое сопротивление приборов оказывается на 20–100 % выше заявленного.
Российские нормативные требования к прочностным параметрам жестче европейских. Так, запас прочности литых отопительных приборов по рабочему давлению по сравнению с испытательным принимается полуторакратным, но не менее 0,6 МПа, за рубежом – с запасом всего лишь в 1,3 по испытательному давлению и 1,69 – на разрушение. Если радиатор испытан на рабочее давление 1,5 МПа, то верхняя граница параметра определяется по более жесткому требованию: 1,5 – 0,6 = 0,9 МПа.
Таким образом, даже тогда, когда все элементы отопительной системы испытываются производителем, она может не соответствовать отечественным требованиям. Многие отопительные приборы у нас должны тестироваться на соответствие максимального рабочего давления нормативному давлению разрушения: у литых приборов оно должно быть не менее чем в три раза больше. Так, если максимальное рабочее давление заявлено 1,0 МПа, то прибор должен выдерживать, не разрушаясь, давление 3,0 МПа. У остальных отопительных приборов запас прочности по разрушению должен быть не менее 2,5.
Однако и потребителю нелишне будет внимательно изучать требования и рекомендации изготовителя продукции. Например, никаких неприятностей не сулят отечественным потребителям дорогие вертикальные дизайн-радиаторы, устанавливаемые у окон, и называемые в Европе дизайн-радиаторами полотенцесушители, если их монтируют там, где рекомендовал производитель, – только в системах отопления. Большой популярностью стали пользоваться в России и алюминиевые радиаторы, также полностью безопасные лишь при условии качественных водоподготовки и режимов эксплуатации.
Несмотря на постоянное улучшение конструкции и адаптацию к отечественным условиям эксплуатации зарубежных приборов, могут возникать аварийные ситуации, обусловленные электрохимической коррозией, срезом стальными ниппелями резьбы в головках алюминиевых секций и газообразованием. Отмечаются случаи коррозии внутренней поверхности секций при значениях рН больше 8,5 и содержании кислорода в теплоносителе, превышающем нормативный уровень. Электрохимическая коррозия развивается при установке таких приборов в одной отопительной системе с медными деталями и высоким (более 20 мкг/дм3) содержанием кислорода в теплоносителе.
В алюминиевых и полубиметаллических (со стальными вставками) радиаторах в ряде случаев рекомендуется использовать кадмированные (неоцинкованные) пробки, воздухоотводчики ,а система отопления должна быть с независимой схемой подключения. Для таких приборов оптимальны индивидуальные дома с автономными системами отопления, а общественные здания – лишь такие, где режим эксплуатации организован с учетом специфики этих приборов. Приводимые ограничения не касаются полнобиметаллических радиаторов, в которых теплоноситель не соприкасается с алюминиевыми сплавами.
Три фактора снижения теплоотдачи
Можно говорить о трех факторах, приводящих к существенному снижению (до 50 %) тепловых потоков отопительных приборов по отношению к заявленным в технической документации: различия в методике, неучет срока эксплуатации и изменения, внесенные в конструкции в целях снижения стоимости и металлоемкости.
О различиях методик отечественной по национальному стандарту ГОСТ 53 583-2009 «Приборы отопительные. Методы испытаний» и европейской уже упоминалось. Но отопительные приборы в период массового производства и даже испытаний часто претерпевают те или иные конструктивные изменения. Для алюминиевых радиаторов это, например, может быть снижение толщины ребер или изменение конструкции из соображений дизайна. Причем подобные изменения не отражаются ни на номенклатурных данных, ни на внешнем виде.
Например, производители, часто это китайские компании, технически грамотно вносят небольшое изменение в конструкцию алюминиевого радиатора. В последнее время им удалось добиться высокого качественного уровня выполнения литых конструкций, что позволяет снизить толщину ребер практически без видимых изменений прибора. Но расчеты показывают, что тепловой поток в этом случае может снижаться примерно на 10–20 %.
А в некоторых стальных панельных радиаторах устанавливали распределительные шайбы с очень низким гидравлическим сопротивлением. Производитель внес небольшие, казалось бы, изменения, удешевив продукт, но одновременно и увеличив гидравлическое сопротивление. Как результат, если раньше 10–11 типы приборов можно было использовать в гравитационных отопительных системах, то теперь нельзя.
Вообще же для стальных панельных радиаторов конструктивные изменения распределительных шайб внутри коллекторов – своего рода болевая точка (рис. 2). Понятно, что учесть влияние изменение профиля и/или количества отверстий на гидравлический режим затруднительно, да и обнаружить такие изменения можно только при полной разборке прибора. Причем в зависимости от модели гидравлическое сопротивление может изменяться на 17–60 %.
Рис. 2. Типы распределительных шайб
К неточностям в определении теплоотдачи приводит и пренебрежение конструктивными особенностями отопительных приборов. Так, у многих из них контакт между различными элементами далек от идеального. Это касается практически всех конвекторов с насаженными пластинами и полубиметаллических радиаторов, в которых алюминиевые детали могут становиться микроподвижными относительно стальных из-за различного поведения металлов при нагреве. Характерный пример: аналогичные с точки зрения конструкции приборы – алюминиевый и биметаллический. Последний изначально имеет теплоотдачу ниже на 8–12 %. А производители зачастую просто переписывают данные, не внося коррективы при применении элементов из другого металла (стали).
Серьезное влияние на теплоотдачу конвекторов оказывает технология выполнения и, соответственно, качество контактов между оребрением (рис. 3) и элементами с теплоносителем. Даже небольшие изменения в технологии дорнования могут приводить к нарушению контакта в процессе эксплуатации и снижению теплоотдачи. Влияет на теплоотдачу также качество и количество сварных соединений, наличие и качество окраски и т.п.
Рис. 3. Конструкция оребрения конвектора
Точность – конкурентное преимущество
Добросовестные отечественные производители и дистрибьюторы, как правило, внимательно следят за «неучтенными» изменениями технологий и конструкции, либо внося поправки в технические данные, либо предлагая потребителям такой модифицированный продукт, реальные (полученные путем испытаний) характеристики которого соответствуют приводимым данным.
Так, Ижевский завод теплового оборудования изменил толщину ребер в панельных радиаторах, выполнив их из более тонкой стали. Испытания показали, что тепловая мощность прибора немного снизилась. Производитель пошел на то, чтобы, изменив конструкцию, сохранить прежние теплотехнические показатели.
В хорошо себя зарекомендовавших на отечественном рынке радиаторах «Билюкс+» была уменьшена толщина стенок, что привело к снижению их прочности. И поставщик (компания «Интерма») в данном случае вынужден был освоить производство «новой старой» модели – «Билюкс+ R», прочностные и теплотехнические характеристики которой соответствовали бы новым паспортным данным.
В числе компаний, серьезно подходящих к соответствию заявляемых характеристик фактическим компании «Сантехпром», «Интерма», «Изотерм», «Русклимат», не только освоивший производство отечественных биметаллических радиаторов в торгово-производственном кластере г. Киржача (рис. 4), но и, проведя комплексные испытания продукции, сертифицировавший ее в РФ.
Рис. 4. Производство биметаллических радиаторов в г. Киржач
В европейских странах вводится при проектировании отопления запас 15–20 % по поверхности нагрева там, где предполагается установка автоматических термостатических регуляторов. Если наши проектировщики пойдут тем же путем, то, сложив 8–12 % запаса тепловой мощности, получаемой из-за дискретности номенклатуры отопительных приборов (затруднительно подобрать их мощность совершенно точно) и 15–20 % (на термостат), получится около 30 %, что вполне достаточно, чтобы гарантированно обеспечить тепловую безопасность.
Но этим значением практически исчерпывается возможное уменьшение теплопоступлений в отапливаемые помещения без снижения уровня комфортности в них.
Полимерные трубы в тепловой сети
В принципе, при расчете теплопоступления в то или иное помещение не совсем корректно говорить отдельно о внутренних теплопроводах и отопительных приборах. Теплопотери первых фактических служат весомым (до 25 %) вкладом в отопление. Например, в ряде случаев теплопоступление от стояков, проходящих в кухнях, оказывается достаточным для того, чтобы отказаться от установки отопительного прибора. Точнее, его роль выполняет теплопровод, обеспечивая среднее теплопоступление примерно 70 Вт/м трубы (в зависимости от ее диаметра и температурного напора). При этом, как оказывается, неизолированные стальные и полимерные теплопроводы вносят примерно одинаковый вклад в отопление.
В последнее время как номенклатура, так и сфера применения полимерных труб стремительно расширяются. При этом производители стремятся подчеркивать такие их преимущества перед стальными, как низкий коэффициент теплопроводности (и потому возможность пренебречь теплоизоляцией), высокую гладкость, обуславливающую низкое значение удельной линейной потери давления, и коррозионную стойкость. Если последнее возражений не вызывает, то первые две «бесспорные» истины, увы, экспериментальной проверки не выдерживают.
Так, при близких внутренних диаметрах внешние диаметры полимерных труб больше, чем у стальных труб. Причем теплоотдача при прочих равных условиях более зависит от площади внешней поверхности, чем от теплопроводности стенок трубы (кондуктивной теплопередачи). Поэтому теплопотери горизонтального участка неизолированного полимерного теплопровода оказываются сопоставимыми с теплопотерями аналогичного участка, выполненного из стальных труб.
Интересно, что у вертикального участка неизолированного полимерного теплопровода коэффициент теплоотдачи оказывается выше, чем у стального, примерно на 5–7 %. Это, на первый взгляд, парадоксальное явление вызвано тем, что из-за существенно большего коэффициента линейного теплового расширения геометрия вертикального участка теплопровода, выполненного, например, из полипропилена, отличается от геометрии стального теплопровода за счет образования изгибов (рис. 5). К аналогичным результатам приводит и устройство компенсаторов линейного теплового расширения (рис. 6).
Рис. 5. Схема изгиба вертикального теплопровода из полимерных труб
Рис. 6. Компенсатор линейного теплового расширения полипропиленовой трубы
Причем все это касается лишь открытых теплопроводов. Для полимерных теплопроводов, проложенных в стенах, например, в бетонных, коэффициенты теплопередачи стен оказываются меньше, чем при использовании стальных теплопроводов. Поэтому если в первом случае для уменьшения теплопотерь теплопроводы надо изолировать, то во втором – теплоизоляцией можно действительно пренебречь.
Низкое значение эквивалентной шероховатости полимерных труб также может считаться лишь относительной истиной. Испытания, проводимые с учетом эксплуатационного фактора, которым, кстати, зачастую пренебрегают в заводских лабораториях, показывают, что на практике, например, вместо указываемого в технических паспортах изготовителем удельной линейной потери давления следует использовать значение почти на два порядка больше.
Такое существенное расхождение между заявленными и фактическими характеристиками вызвано, как представляется, старением материала, образованием локальных зон загрязнений различных типов и рядом других причин.
Поэтому в отношении систем из полимерных труб уместно говорить о двух истинных удельных линейных потерях давления, но при расчетах нужно использовать примерно в 50 раз большее, чем обычно заявляемое производителями. Поэтому к рекомендациям, когда при замене стальных труб на полимерные можно использовать их меньшие диаметры, нужно относиться с осторожностью: учет эксплуатационного фактора приводит к рекомендации осуществлять при реконструкции монтаж полимерных труб такого же внутреннего диаметра, как и стальных.
Статья из журнала «Аква-Терм» МАРТ-АПРЕЛЬ №2 (84) '2015.
