Автоматизация и регулирование систем обеспечения микроклимата зданий и сооружений. Отопление

 
 
 
 
 
Д. А. Драпалюк 
 
 
 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗАЦИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ  
СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА  
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ 
ОТОПЛЕНИЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 
 

УДК 697:681.5 
ББК 38.762.1 
Д72 
 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой гидравлики, 
водоснабжения и водоотведения Воронежского государственного 
технического университета Журавлева Ирина Владимировна; 
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой 
теплогазоснабжения и нефтегазового дела Воронежского государственного 
технического университета Китаев Дмитрий Николаевич 
 
 
 
Драпалюк, Д. А.  
Д72   
Автоматизация и регулирование систем обеспечения микроклимата 
зданий и сооружений. Отопление : учебное пособие / Д. А. Драпалюк. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 64 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1522-4 
 
Рассматриваются основные методы и способы автоматизации и регулирования 
систем отопления, используемые при монтаже и проектировании. Раскрывается суть 
и принципы работы основных устройств, применяемых в котельных, а также методы 
и способы автоматизации устройств, используемых для безопасной и долговечной работы теплогенерирующих установок. 
Для студентов направления 08.03.01 и 08.04.01 «Строительство» всех форм 
обучения. 
 
УДК 697:681.5 
ББК 38.762.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1522-4 
” Драпалюк Д. А., 2023 
 
” Воронежский государственный технический университет, 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

-ÂÊ¿ÁÊÄÌÇÄ

Предисловие ............................................................................................................... 4 
 
ГЛАВА 1 ...................................................................................................................... 4 
1.1. Основной вид топлива – природный газ                                                          
для отопительных установок .................................................................................. 5 
1.2. Виды отопительных установок и основные принципы работы ................... 7 
1.3. Котлы с открытой камерой сгорания и атмосферной горелкой 
................... 7 
1.4. Котлы с закрытой камерой сгорания и наддувной горелкой ....................... 9 
1.5. КПД газовых котлов ....................................................................................... 11 
1.6. Газовые конвекционные котлы 
...................................................................... 13 
 
ГЛАВА 2 .................................................................................................................... 16 
2.1. Принципиальная схема устройства котельной                                                
и работа основных элементов ............................................................................... 16 
2.2. Приготовление ГВС в котельных средней и большой мощности ............. 25 
2.3. Приготовление ГВС в емкостном водонагревателе .................................... 27 
2.4. Нагрев ГВС с помощью пластинчатого теплообменника                            
на отопительном контуре ...................................................................................... 28 
2.5. Контур нагрева ГВС с помощью пластинчатого теплообменника               
и буферной емкости ГВС ...................................................................................... 30 
2.6. Рециркуляция горячей воды через бойлер                                                  
косвенного нагрева: особенности системы ......................................................... 34 
2.7. Сравнение косвенных и прямых систем горячего водоснабжения ........... 35 
 
ГЛАВА 3 .................................................................................................................... 39 
3.1. Системы управления и регулирования ......................................................... 39 
3.2. Регулирование с целью поддержания                                                            
постоянных параметров теплоносителя 
............................................................... 39 
3.3. Управление по температуре наружного воздуха,                                        
согласно климато-логике 
....................................................................................... 40 
3.4. Управление по температуре наружного воздуха ......................................... 41 
3.5. Автоматика или блок управления котла 
....................................................... 43 
3.6. Применение смесительных клапанов 
............................................................ 47 
3.7. Многокотловая установка .............................................................................. 49 
3.8. Использование модулей удаленного контроля                                                      
за состоянием системы отопления ....................................................................... 49 
 
ГЛАВА 4 .................................................................................................................... 54 
4.1. Исходные данные для проектирования ........................................................ 54 
4.2. Проектирование автоматизации систем ТГВ 
............................................... 54 
4.3. Состав и объем проекта .................................................................................. 57 
 
Заключение ............................................................................................................... 59 
 
Термины, определения и сокращения ................................................................ 60 
 
3 
 

®ÏÄÃÇÐÊÍÁÇÄ

В данном учебном пособии рассмотрены основные типы газовых теплогенерирующих установок, даны типовые решения проектов автоматизации технологических процессов систем ТГВ. Приведены наиболее распространенные 
схемы автоматизации с использованием современных технических средств автоматизации.  
В учебном пособии изложены основные подходы к расчету и проектированию автоматизации систем отопления с учетом того, что студенты знакомы 
с дисциплинами «Строительная теплофизика», «Отопление и вентиляция гражданских зданий», «Конструирование систем обеспечения микроклимата», «Энергосбережения при обеспечении микроклимата в помещениях здания». 
Пособие написано в соответствии с разделом программы СОМ к дисциплине «Автоматизация и регулирование систем обеспечения микроклимата зданий и сооружений». 
Автоматизация теплогазоснабжения и вентиляции (ТГВ) является прикладной наукой, изучающей закономерности функционирования технических 
систем ТГВ без участия человека, но под его контролем. Цель курса состоит 
в формировании необходимых знаний, навыков и компетенций учащихся по 
проектированию автоматизации ТГВ.  
 
 
4 
 

¢ªŸ¡Ÿ


-ÐÌÍÁÌÍÈÁÇÃÑÍÎÊÇÁ¿wÎÏÇÏÍÃÌÚÈ¿Æ
ÃÊÞÍÑÍÎÇÑÄÊÛÌÚÔÒÐÑ¿ÌÍÁÍÉ
 
Наиболее распространенным видом топлива для обогрева зданий является природный газ. Природный газ – это один из важнейших сырьевых ресур- 
сов на Земле, который широко используется в быту и промышленности. Представляет собой концентрацию углеводородов, которые образовались в недрах 
нашей планеты. 
Природный газ находится в газообразном состоянии при нормальных 
условиях (0 градусов Цельсия и давление 760 мм ртутного столба). В таком 
случае он находится или в горных породах в виде залежей, или в месторождениях нефти в виде газовых шапок. Кроме того, он встречается в растворенном (в нефти и воде) и твердом (газовые гидранты, которые еще называют «горючий лед») состоянии. 
Поэтому добыча газа может стать достаточно нетривиальной задачей: 
приходится приложить немало усилий по его извлечению. Основным спосо- 
бом добычи газа являются скважины, которые необходимо равномерно размещать по территории месторождения. Делается это для уменьшения пластового 
давления. 
В химическом составе основу природного газа составляет метан (CH4) – 
третий по распространенности газ во Вселенной. Доля этого простейшего углеводорода составляет от 80 до 98 процентов. В состав также могут входить другие тяжелые углеводороды, доля которых может колебаться от единиц до сотых 
долей процента: 
• этан (C2H6); 
• пропан (C3H8); 
• бутан (C4H10); 
• пентан (C5H12). 
Кроме того, могут входить и другие неуглеводородные вещества: водород, сероводород, углекислый газ, азот или гелий. 
 
Физические свойства 
 
Метан (а следовательно, и природный газ) бесцветен и не имеет запаха. 
При концентрации более 4,4  в воздухе – взрывоопасен, из-за своей высокой 
горючести. Именно по этим причинам проводят одоризацию газа перед подачей 
в квартиры: подмешивают специальное вещество (обычно это этантиол) с резким неприятным запахом. Утечку даже 1  такой смеси можно определить по 
запаху. Особенно важно, что это абсолютно не сказывается на его горении: га- 
 
5 
 

зовая смесь сжигается полностью, чистым голубым пламенем. Если кислоро- 
да для горения недостаточно, то пламя может окраситься в желтый или оранжевый цвет.  
Природный газ легче воздуха почти в два раза, поэтому при утечке скапливается вверху, а не около пола. Именно поэтому датчики утечки газа должны устанавливаться как можно выше. 
Ученые все еще не пришли к единому мнению насчет происхождения газа. Поэтому на сегодня существует две популярные теории. 
Сторонники минеральной теории утверждают, что все химические элементы уже находятся в мантии Земли. Поэтому из-за процесса дегазации углеводороды поднимаются ближе к поверхности, образуя залежи. 
Согласно биогенной теории, природный газ образовался в результате 
разложения живых организмов, под действием бактерий, высокого давления и 
температуры. 
Самое удивительное, что газу даже поклонялись И хотя в IV веке до нашей эры его уже использовали в Китае для освещения и отопления, на тер- 
ритории современного Азербайджана в VII веке был воздвигнут храм Атешгях, 
где проходили служения для огнепоклонников вплоть до XIX века. 
Впервые в России газ начали использовать почти 210 лет назад. В 1811 году изобретатель Петр Соболевский представил общественности термоламп – 
прибор для получения газа. По указу Александра Первого изобретатель был 
награжден орденом. А в 1819 году в Санкт-Петербурге зажглись первые газовые фонари на Аптекарском острове. 
Самая богатая страна в мире по запасам природного газа – Россия. Практически 25  от всех запасов мира находятся на нашей территории. Самое 
крупное месторождение в мире находится в Персидском заливе на территории 
Катара и Ирана. Крупнейшее в России расположено в Ямало-Ненецком автономном округе около поселка Уренгой. Оно занимает третье место в мире и 
было открыто в 1966 году. 
Голубое топливо широко используется для отопления, нагрева воды и 
приготовления пищи. Все чаще автомобили и техника оборудуются газовыми 
баллонами. Кроме того, газ может использоваться для получения органических 
веществ, например, пластмассы. 
В отличие от других углеводородных ископаемых природный газ является самым чистым топливом. При его сгорании образуется только вода и углекислый газ, без образования копоти и золы. Но экологи бьют тревогу: выбросы 
большого количества CO2 могут привести к возникновению парникового эффекта и изменению климата. Однако, при сжигании природного газа этих выбросов существенно ниже, чем при использовании нефти. 
В настоящее время основным видом топлива для отопления зданий в Российской Федерации является природный газ. 



6 
 

¡ÇÃÚÍÑÍÎÇÑÄÊÛÌÚÔÒÐÑ¿ÌÍÁÍÉ
ÇÍÐÌÍÁÌÚÄÎÏÇÌÕÇÎÚÏ¿ÀÍÑÚ

Основными видами отопительных установок являются водогрейные котлы. Бытовые котлы, предназначенные для автономного обогрева жилых площадей, работающие на природном газу и твердом топливе.  
Существуют настенные и напольные типы водогрейных установок. Базовым и одним из первых типов установок стали установки с атмосферной горелкой.  
Атмосферные горелки имеют широкую область применения. Они завоевали прочные позиции в бытовых газовых приборах – плитах, водонагревателях в лабораторной практике и часто примени в чугунных отопительных котлах и сушилках. Топки, оборудованные атмосферными горелками, имеют положительные качества, к которым следует отнести: 
1)  возможность работы на низком давлении газа; 
2)  отсутствие необходимости в специальной дутьевой установке для подачи воздуха. 
К отрицательным сторонам можно отнести: 
1)  диапазон колебания давления газа лимитируется устойчивостью горения; 
2)  горелки с малым коэффициентом первичного воздуха работают с повышенными избытками воздуха в топке (коэффициент избытка воздуха в топке доходит до 1,4) и, как следствие, с пониженными температурами горения. 
Изменение теплотворной способности газа меньше сказывается на горелке атмосферного типа, чем на пламенной, так как в этом случае газ подсасывает только часть воздуха, а остальная часть его поступает в топку за счет тя- 
ги. Исходя из этого, можно заключить, что для небольших производственноотопительных котлов, особенно для чугунных. 
Еще один важный момент тип камеры сгорания – это один из основ- 
ных критериев выбора газового котла отопления. Он не влияет на внешний вид 
и габариты модели, способ установки, лишь едва влияет на характеристики и 
стоимость, но определяет способ отведения продуктов сгорания, требования 
к помещению, уровень шума. 

©ÍÑÊÚÐÍÑÉÏÚÑÍÈÉ¿ËÄÏÍÈÐÂÍÏ¿ÌÇÞ
Ç¿ÑËÍÐÓÄÏÌÍÈÂÍÏÄÊÉÍÈ

Бытовые котлы с открытой камерой сгорания – это наиболее простая, 
чаще напольная, чем настенная, конструкция, предполагающая лишь горелку, 
над которой находится теплообменник. Воздух для сжигания в таких моделях 
забирается из помещения, через отверстия в корпусе котла, а отвод продуктов 
7