Для обеспечения потребителей горячей водой в квартирах и частных домах иногда используют бойлеры и теплообменники. Регулировка температуры в таких системах горячего водоснабжения (ГВС) осуществляется с помощью термостата или электронного терморегулятора. Его необходимость и принцип работы рассмотрим в этой статье.
Для чего необходим терморегулятор ГВС?
Использование регуляторов температуры, причём обязательное, необходимо по многим причинам. Во-первых, теплоноситель может иметь небезопасную температуру. Даже если пользоваться горячей водой с особой осторожностью, то и это не всегда гарантированно защитит от возможных термических травм. Ведь многие пользователи могут даже не знать, а тем более соблюдать, элементарные правила осторожности.
Не говоря уже об аварийных ситуациях внутри помещения, вероятность которых возрастает при большом количестве ванных комнат и ограниченном контроле их состояния со стороны коммунальных служб. В быту часто используют полотенцесушители, которые подключены к контуру ГВС. Они могут быть опасны вероятностью ожога, если горячая вода в них слишком горячая.
Поэтому Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок регламентируют применение приборов, снижающих температуру, также давление.
Эффективное поддержание этих параметров в безопасном диапазоне возможно использованием теплообменников. А для их автоматического функционирования задействуют электронные терморегуляторы, построенные с использованием микроконтроллеров, работающих в режиме реального времени. Механические термостаты считаются более надёжными и стоят дешевле. Но они проигрывают энергоэффективностью. А это в условиях высокой цены на энергоносители делает их невыгодными.
Итак, есть вероятность таких проблем:
· В большинстве городских квартир, также частных домов, отопление и горячая вода обеспечиваются централизованно, через единую трубу от ТЭЦ-3. Если в тепловом пункте (узле) нет автоматического регулятора горячего водоснабжения (ГВС), то температура воды из крана может быть нестабильной. Она может быть слишком высокой, что опасно ожогами, или, наоборот, слишком низкой.
· Низкая температура особенно вероятна в сильные морозы, когда горячую воду частично направляют обратно в систему (на "обратку"), чтобы избежать повреждений пластиковых труб, счетчиков и, как следствие, проблем для жильцов.
Автоматический регулятор ГВС решает все эти проблемы довольно эффективно. Он поддерживает температуру воды в кранах в пределах нормы: от 60 до 75 градусов Цельсия. Более того, такой регулятор позволяет гибко настраивать температуру: например, днем, когда потребление воды выше, можно установить температуру ближе к верхнему пределу (75 градусов), а ночью, когда водой пользуются меньше, снизить ее до 60 градусов.
Также эти приборы оперативно подстраиваться под погодные условия и другие факторы, влияющие на значение температуры ГВС. Причём на многоквартирный дом бывает достаточно одного теплообменника и регулятора. Но, если подача ГВС стояковая, то возможно, потребуется отдельная установка на каждый подъезд. Также, если дома идентичные, то одного теплообменника с терморегулятором хватает на несколько домов, расположенных на небольшом отдалении.
Как устроены системы терморегуляции ГВС
Термомеханический смесительный регулятор ГВС
Прибор смесительного типа обеспечивает постоянную температуру воды на выходе, смешивая воду из двух источников:
· Охлажденную воду из циркуляционной линии ГВС;
· Горячую воду из теплосети.
Он достигает этого, изменяя количество горячей воды, поступающей из теплосети. Поток горячей воды из теплосети контролируется с помощью специального устройства (смотрите схему).
Внутри него находится термочувствительный элемент, который реагирует на температуру. Когда температура меняется, элемент автоматически открывает или закрывает клапан, чтобы поддерживать заданную температуру воды.
ГВС накопительного типа с электронным регулятором ГВС
Типичное применение данной схемы – горячее водоснабжение объектов, которые имеют пиковый характер потребления. Поскольку основной расход горячей воды в квартире или частном доме происходит неравномерно, с пиками во время приемов пищи (завтрак, обед, ужин), в качестве накопительной емкости используется бойлер.
Этот прибор представляет собой резервуар для нагрева, накопления и хранения горячей воды. Его внешняя оболочка утеплена пенополиуретаном, а внутренняя поверхность защищена стеклоэмалью. Это покрытие предотвращает образование накипи, облегчает очистку и гарантирует гигиеничность горячей воды.
В конструкции самого бойлера предусмотрена гильза, предназначенная для монтажа терморегулятора. Он позволяет задавать желаемую температуру нагрева воды. Согласно нормативным требованиям, температура воды не должна превышать диапазон 55-60°C, чтобы предотвратить риск ожогов. Необходимый объем бойлера определяется количеством пользователей и числом точек водоразбора.
Существуют бойлеры с различными системами нагрева:
· Исключительно электрический;
· Исключительно водяной;
· Комбинированной, включающей оба эти типа.
Электрические нагреватели используются, в основном лишь там, где отсутствует доступ к горячему теплоносителю, обеспечивая нагрев воды с помощью встроенного элемента.
Водяные же нагреватели применяются при наличии горячего теплоносителя, который передает тепло воде через интегрированный змеевик. Комбинированные бойлеры предлагают гибкость: зимой они могут использовать тепло от котельной, а летом – электричество. Такая универсальность, особенно в регионах с одинаковой стоимостью различных энергоносителей. Или в случае применения солнечных электростанций.
В качестве источника тепла для водяного нагрева может служить котловая вода или теплоноситель солнечного подогрева.
Система горячего водоснабжения работает следующим образом:
· Датчик в бойлере постоянно сканирует температуру воды;
· Если вода на выходе остывает ниже заданной температуры, термостат подает сигнал на котел и насос подачи, которые начинают нагревать воду;
· Когда вода достигает нужной температуры, термостат отключает насос и подачу воды в теплообменник.
Подпитка холодной воды (ХВС) в бойлер реализована через обратный клапан, исключающий обратный отток горячей воды при прекращении подачи подпитки. Для защиты бойлера от избыточного давления на входе, до запорного вентиля, установлен предохранительный аварийный клапан. Компенсация температурного расширения воды обеспечивается закрытым расширительным баком.
Рециркуляция ГВС
Она организована для наиболее отдалённой точки водоразбора. Для поддержания работоспособности такой линии используется насос рецеркуляции. В режиме потребления горячей воды поток V1 направляется из системы холодного водоснабжения. Когда горячая вода не используется, поток V2 обеспечивается за счет циркуляции по рециркуляционной линии. При удаленности конечных точек водоразбора горячей воды не более чем на 7–8 метров, необходимость в линии рециркуляции ГВС отпадает.
Система ГВС проточного типа
Проточные схемы горячего водоснабжения (ГВС) являются предпочтительным решением для промышленных технологических процессов, требующих постоянного и бесперебойного обеспечения горячей водой. Основным компонентом нагрева в этих системах выступают теплообменники, причем пластинчатые конструкции зарекомендовали себя как наиболее эффективные и востребованные, наряду с другими видами (трубчатыми и т.д.).
В отличие от громоздких бойлеров, пластинчатые теплообменники обладают высокой эффективностью и компактностью, что делает их незаменимыми для теплообменных процессов в различных промышленных сферах. Их устройство представляет собой пакет гофрированных пластин из коррозионно-стойкого материала. Эти пластины имеют специальные каналы, предназначенные для циркуляции двух сред, между которыми происходит теплообмен.
Пакет пластин, каждая из которых оснащена термостойкой резиновой прокладкой для герметизации и разделения потоков, зажат между опорной и прижимной плитами и фиксируется стяжными болтами. Расчет необходимого количества пластин производится с учетом температурных режимов, расхода воды и допустимых потерь напора. Пластинчатые теплообменники производятся в разборном и паяном исполнении из нержавеющей стали, что обеспечивает их долговечность.
Схема приготовления горячей воды функционирует следующим образом:
· Насос, установленный на первичной стороне теплообменника, обеспечивает циркуляцию теплоносителя;
· Температура горячей воды контролируется ПИД-регулятором;
· В зависимости от измеренной температуры, терморегулятор управляет смесителем посредством сервопривода, увеличивая или уменьшая подачу теплоносителя для поддержания заданной температуры ГВС.
Принцип ПИД-регулирования основан на непрерывном контроле, т.е. его микроконтроллер работает в режиме реального времени. Термопара сопоставляет фактическую температуру горячей воды (ГВС) с целевым показателем (установкой, например, 55–60°С). Если измеренная температура ниже этого параметра, то ПИД-регулятор активирует сигнал на закрытие смесителя на период, зависящий от величины этой разницы (см. рисунок ниже). По завершению цикла измерения, прибор вновь оценивает температуру ГВС. Если отклонение от установленного значения уменьшилось, то продолжительность сигнала на закрытие смесителя сокращается.
При достижении целевой температуры ГВС методом динамического приближения, величина температуры ГВС будет почти равна значению, заданному в программном блоке прибора. В этот момент ПИД-регулятор прекратит подачу управляющих сигналов на смесительный узел. Если же измеренная температура ГВС окажется ниже установленной, то ПИД-регулятор активирует сервопривод, открывая задвижку для повышения температуры.
Таким образом, ПИД-регулятор автоматически корректирует температуру ГВС при любых ее отклонениях, возвращая ее к заданному значению. Это достигается путем смешивания горячей воды от котла с обратной водой из теплообменника, что обеспечивает стабильную температуру ГВС. Для предотвращения обратного тока ГВС при временном отсутствии подпитки холодной воды на входе в теплообменник установлен обратный клапан.
Кроме того, перед запорной арматурой теплообменника расположен аварийный сбросной клапан, защищающий его от избыточного давления, а расширительная емкость закрытого типа компенсирует температурное расширение воды. Система ГВС с рециркуляцией работает от конечного водоразборного крана. Реализация ГВС на таких теплообменниках предусматривает использование линии рециркуляции, за исключением редких случаев.
Для обеспечения рециркуляции на этой линии установлен соответствующий насос. Когда горячая вода используется (проток V1), она поступает из холодной воды. В периоды отсутствия водоразбора (проток V2) циркуляция осуществляется по линии рециркуляции.
Это работа схемы создания ГВС на теплообменнике с регулированием температуры по первичной стороне. Существуют также модификации этой схемы, где регулирование температуры происходит по вторичной стороне. Данная схема выгодна тем, что на вторичной стороне теплообменника используются трубы меньшего диаметра, чем на первичной.
Это приводит к снижению затрат на сервопривод и облегчает процесс установки. Дополнительным плюсом является возможность получения нескольких значений температуры горячей воды от одного теплообменника, благодаря регулированию на вторичной стороне с помощью нескольких регуляторов.
Установка труб ГВС должна соответствовать требованиям монтажа как для систем отопления. Это означает, что трубы ГВС должны иметь технологический уклон в направлении последнего крана водоразбора. При прохождении труб горячей воды и рециркуляции через дверные проемы ("ворота"), в верхней части этих участков необходимо монтировать автоматические воздухоотводчики.
Это крайне необходимо для того, чтобы обеспечить удаление воздуха из системы во всех потенциальных точках его скопления. А несоблюдение этих условий неминуемо приведет к сбоям в работе, а то и полному отказу, всей линии рециркуляции.
Комбинированные системы ГВС
Один из вариантов системы ГВС использует проточный теплообменник для непосредственного нагрева воды. Бойлер же выполняет функцию аккумулятора тепловой энергии, предназначенного для удовлетворения повышенного спроса на горячую воду в часы пик. Теплообменник, встроенный в бойлер, не используется из-за его более медленной реакции по сравнению с проточным типом.
Эта схема иллюстрирует принцип работы проточного теплообменника, в котором регулирование осуществляется на первичной стороне (аналогично похожим схемам выше). Как видно из тех чертежей, представленная схема описывает проточный теплообменник, в котором регулирование осуществляется со стороны вторичного теплоносителя.
При регулировании по вторичному контуру теплообменника можно обеспечить различные температуры ГВС. Для этого необходимо внести изменения в соответствующую схему. Дополнительно, оснащение схем, изображенных на последних рисунках, байпасными кранами позволит проводить "горячую" ревизию проточного и накопительного теплообменников, однако это может привести к ухудшению качества ГВС. А вот требования к монтажу трубопроводов ГВС остаются без изменений.