Предлагаемая методика дает возможность анализа автономной системы отопления, аналитического и графического расчета любого параметра и определения зависимости каждого из них от изменения любого другого. А это, в свою очередь, необходимо и при проектировании, и при наладке, и при эксплуатации систем отопления.

   Основные элементы системы отопления
   1. Котел. Номинальная мощность котла — это тепловая энергия, отдаваемая им в теплосеть в единицу времени. Мощность котла определяется или мощностью электронагревателей — для электрокотлов, или мощностью газовой горелки — для газовых. Но для всех котлов их мощность можно выразить через параметры системы отопления: Qk = G tг – tо 0,86 [Вт], (1) где: G — расход воды через котел, л/ч; tг, tо — температура горячей и обратной воды, °С; 0,86 — коэффициент для воды (для антифриза — 0,984).
   2. Нагревательные приборы. Тепловая мощность отопительных приборов дается фирмой-изготовителем при оговоренных параметрах теплоносителя (tгн, tон) и температуре окружающего воздуха (tвн). При любых других значениях тепловая мощность приборов отопления определяется формулой (1): Qпр = Qну tг + tо2 – tвtгн + tон2 – tвнm (2) Gпр360p b c, Qпр = Qну ttнm (3) Gпр360p b c . где: tг, tо — фактическая температура воды на входе и выходе из прибора; tгн, tон — номинальная температура воды на входе и выходе из прибора; tв, tвн — температура воздуха и номинальная температура воздуха в отапливаемом помещении; m — коэффициент экспоненты прибора; b, , c — постоянные коэффициенты; p — коэффициент, учитывающий схему подсоединения; t — текущий температурный напор; tн — номинальный температурный напор; Qну — номинальный условный тепловой поток прибора. Значения Qну, m, p, b, , и c приведены в [1].
   3. Помещение. Отапливаемое помещение при анализе системы будем характеризовать тепловыми потерями через окружающие строительные конструкции: Qт = с tв – tн, (4) где: tв — температура воздуха внутри помещения; tн — температура наружного воздуха; с — коэффициент, постоянный для данного помещения.
   4. Окружающая среда. Окружающая среда участвует в системе отопления только одним параметром— температурой tн, входящей в формулу (4).
    Основные формулы автономной системы
   Проектирование и расчет системы отопления конкретного здания сводится, в конечном итоге, к выбору таких вышеперечисленных параметров системы (tг, tо, Qк, G), при которых каждый нагревательный прибор обеспечивает количество тепла, соответствующее его номинальной тепловой мощности, которая, в свою очередь, суммарно соответствует теплопотерям данного здания при расчетных параметрах внутреннего (tвн) и наружного (tнн) воздуха. В настоящее время практический интерес вызывает проектирование и наладка автономных систем отопления жилых зданий с индивидуальным источником тепловой мощности, независимым насосом подачи теплоносителя и приборами отопления, оборудованными термостатическими вентилями тонкой настройки. Схема такой системы, как правило, выбирается двухтрубной, с одним или несколькими стояками, с размещением на каждом этаже распределительных шкафов, к которым индивидуально подключаются все радиаторы. В качестве подводящих труб используются металлопластиковые или медные трубы с фирменной соединительной и запорной арматурой. Такая схема обеспечивает надежный монтаж, гибкость при изменении схемы в процессе эксплуатации, простую и надежную наладку системы и ее гидравлическую и теплотехническую устойчивость. Достаточно точно можно считать, что в установившемся тепловом режиме здания при данной наружной температуре tн мощность котла, отдаваемая в систему, равна мощности всех отопительных приборов, отдаваемой ими в помещения, и равна теплопотерям здания в окружающую среду. При этом в системе автоматически устанавливаются соответствующие этим мощностям температуры tг, tо, tв. Режим системы отопления, когда все параметры системы достигли номинальных, заданных значений, назовем номинальным. Отнеся текущие значения мощностей котла, приборов и теплопотерь помещения к их номинальным значениям, получим:
   
   QQкн = GGкн tг – tоtгн – tон,(5) QQпн = tг + tо2 – tвtгн + tон2– tвнm (6) GGпнp, QQтн = tв – tнtвн – tнн, (7) Обозначим: tг – tо= dt, (tг + tо2 – tв = T, tв – tн= t, tн = А; tн = В; tн = С, x1 = QтнQкн; x2 = QтнQпн; n = QQтн, g = GGкн = GGпн, т.к.
   Gкн ~ Gпн, где m — коэффициент экспоненты приборов; p — коэффициент, учитывающий схему присоединения приборов отопления; Qтн, Qкн, Qпн — номинальные мощности теплопотерь, котла и приборов; х1, х2 — коэффициенты мощности котла и приборов; А, В, С — номинальные параметры системы. Перепишем основные уравнения автономной системы отопления (5), (6), (7) в относительных единицах, т.е. текущие значения мощности и расхода теплоносителя относятся к их номинальным значениям, а температурные показатели —к их цифровым номинальным значениям. Получаем следующую систему уравнений для любого состояния отопительной системы: n = g tА x1, (8) n = gpx2tСm, (9) n = tB. (10) Эта система уравнений описывает любой установившийся режим работы отопления дома, причем, текущие значения температур даны в°С, а значения n и g — в относительных единицах (к их номинальным значениям). Номинальные значения Qтн и Gн определяются из теплотехнического расчета проектируемого здания и равны соответственно номинальным теплопотерям здания и номинальному расходу котла при заданных температурах горячей и «обратной» воды. Поскольку приведенная система из трех уравнений содержит шесть неизвестных, то для ее решения необходимо задаться двумя параметрами (что практически всегда возможно), и от любой третьей неизвестной графически строить изменения всех остальных. Такая трудоемкая работа выполнена на ПК в Excel и для всех возможных сочетаний (их возможно 30) найдены решения. Это программа [3]. Для удобства подбора постоянных и варьируемых параметров, соответствующих конкретной задаче, в указанной программе приведена «Таблица выбора расчетных режимов автономных систем отопления», где указаны соответствующие листы программы [3]. Там же даны и табл. /рис./ , /рис./ , /рис./ с изображением картинки ожидаемых зависимостей.
   
   Примеры применения предлагаемой методики
    I. Построить зависимости изменения температуры горячей и обратной воды от изменения наружной температуры tн в пределах от +20 до –26°С, при постоянном расходе насоса 4 м3/ч с поддержанием постоянной температуры в доме 20°С для отопительной системы с параметрами: tнн = –26°С, tгн = 90°С, tон = 70°С, Qкн = 80 кВт, Qтн = 70 кВт, Qпн = 75 кВт. Радиаторы — стальные панельные, мощностью от 700 до 2000 Вт каждый, подключение снизу-вверх. Для указанных радиаторов по справочнику [1] — P = 0,08, m = 1,3. Подставляя исходные данные в таблицу задаваемых параметров в программе [2], получаем искомые характеристики в табличной и графической форме — рис. /рис./ ; /рис./ . Из полученного графика видно, что система может обеспечить заданный температурный режим в помещениях 20°С вплоть до –32°С наружной температуры. Максимальная температура горячей и обратной воды при tн = –26°С не превышает 84 и 69°С соответственно. II. Найти аналитическое выражение температуры горячей и обратной воды при наружной температуре –5°С во время наладки системы для предыдущего примера. Решая совместно уравнения (8), (9), (10), найдем искомое выражение: tг = C n x2gp)1m + A n x12 g+ tв = t + t2 + tв. (11) tг = 60 0,543 0,9331,160,081/1,3 + + 20 0,543 0,875(2 1,16+ 20 = = 59,339°С. Здесь первый член выражает температурный напор: tг + tо2 – tв = t = 35,3°С. Второй член — это полуразность температур горячей и обратной воды: tг – tо2 = dt2 = 4,1°С. Третий — температура воздуха в помещении tв = 20°С.
   
   Выводы
    Трудоемкая работа по нахождению любого параметра системы в зависимости от любого другого при условии постоянства 2-х параметров из 5 — выполнена на ПК в [3], где для удобства приведена таблица всех возможных режимов (до 30 вариантов) и для наглядности даны картинки ожидаемого результата. Из анализа автономной системы отопления можно предварительно сделать следующие выводы:
   1. Температура в помещении при данной наружной температуре зависит только от мощности котла и совершенно не зависит от расхода теплоносителя.
   2. От величины расхода теплоносителя при данной мощности котла и наружной температуре — зависит только разность температур (dt) горячей и обратной воды: она тем больше, чем меньше расход. (При этом средняя температура теплоносителя остается неизменной). Для определения самих температур необходимо воспользоваться таблицами и графиками [3].
   3. При одной и той же мощности котла температура в помещении, а также температура горячей и обратной воды прямо пропорциональны наружной температуре: на сколько градусов понизится (повысится) наружная температура, на столько же градусов понизятся (повысятся) tв, tгор и tобр при постоянном расходе g.
   4. Для поддержания постоянной температуры в помещениях можно регулировать или мощность котла или расход теплоносителя или температуру горячей воды. Конкретные зависимости определяются из [3].
   5. Поскольку в большинстве котлов фирма-изготовитель не предусматривает бесступенчатую регулировку мощности, а регулирование расхода в основном, тоже ступенчатое, то наиболее распространенными при расчетах являются режимы, когда g = const и n = const, tн = var.
   6. Увеличение мощности котла понижает минимальную температуру наружного воздуха, при которой обеспечивается заданная температура в помещении, а увеличение мощности отопительных приборов — только понижает максимальную температуру теплоносителя в том же диапазоне наружных температур. Все эти выводы подтверждаются не только качественными, но и конкретными цифровыми данными. Предлагаемая методика дает возможность решать широкий круг вопросов в процессе проектирования, наладки и эксплуатации, например:
   рассмотреть влияние возможной ошибки при расчете теплопотерь проектируемого здания в связи с отсутствием точных данных;
   определить действительные теплопотери в существующем доме;
   рассчитать фактическую зависимость горячей воды котла от наружной температуры для ручного или автоматического регулирования внутренней температуры воздуха в доме на любом уровне;
   определять на стадии наладки системы отопления все показатели системы при минимальных заданных наружных температурах (например при –30°С). В случае необходимости исправить положение до сдачи объекта;
   определять на стадии наладки соответствие смонтированной системы техническим условиям по температурному режиму и т.д.