Корректировка методики испытаний отопительных приборов на тепловой поток

Авторы:

  • С.И. СТЫЦЕНКО, заместитель генерального директора – начальник испытательной теплотехнической лаборатории, ОАО «НИТИ «Прогресс»
  • Д.А. ПЛОТНИКОВ, к.т.н., доцент кафедры «Теплоэнергетика» ФГБОУ ВО “ИжГТУ имени М.Т. Калашникова”.

В статье приводится критика существующего метода испытаний отопительных приборов на номинальный тепловой поток. Рассмотрены причины, из-за которых существующая методика по ГОСТ Р 53583 является устаревшей и не обеспечивающей достаточной точности измерений. Предложены основные принципы, на основании которых следует корректировать методику, с целью повышения точности измерений, повышению сходимости результатов лабораторий, а так же гармонизации с европейским стандартом EN 442-2.

Вопрос корректировки существующей методики испытаний отопительных приборов неоднократно обсуждался в специализированных журналах [1]. Требования к отопительным приборам в РФ регламентируются двумя ГОСТами, ГОСТ 31311 «Приборы отопительные. Общие технические условия» и ГОСТ Р 53583 «Приборы отопительные. Методы испытаний». Если ГОСТ 31311 нужен, чтобы обеспечить безопасность отопительных приборов, то ГОСТ Р 53583 определяет главную конкурентную характеристику отопительных приборов – тепловую мощность отопительного прибора.
Результаты, полученные на основании методов испытаний по данному ГОСТ ложатся в основание конкурентной борьбы на рынке отопительных приборов. Исходя из этого, формируется главное требование к методике испытаний – результаты, полученные в результате испытаний радиаторов различной конструкции, моделей, марок должны быть сопоставимы между собой!
Это означает, что испытания отопительных приборов должны производиться при одних и тех же условиях, а подбор моделей для испытаний — обеспечивать сравнимость результатов. Например, известно [2], что если испытать один и тот же секционный радиатор из 6 секций и из 10 секций, то при пересчёте на секцию вы получите результаты отличающиеся более чем на 5%. Это объясняется тем, что зависимость тепловой мощности радиатора не прямо пропорциональна длине или количеству секций, как записано в п 7.4.2 ГОСТ Р 53583-2009 (аналогично в ЕN 442-2), а линейна, в связи с тем, что все отопительные приборы имеют теплоизлучающие поверхности, не изменяющиеся пропорционально длине. Для секционных радиаторов это наружные боковые поверхности секций, теплообмен которых существенно отличается от боковых поверхностей обращённых внутрь радиатора. Для стальных панельных радиаторов это поверхности фитингов, торцевые поверхности панелей или боковые панели радиаторов [3]. Для отопительных конвекторов это не оребрённые участки труб. Для каждого модельного ряда величина тепловой мощности, не изменяющаяся пропорционально длине, имеет конкретное значение.
В действующей версии ГОСТ Р 53583, в соответствии с п. 5.1.1, при отборе приборов для проведения испытаний следует брать радиаторы в диапазоне мощностей 800-1200 Вт. В реальности это приводит к тому, что при проведении каталожных/определительных испытаний для модельного ряда в разных лабораториях, мы можем получать различные зависимости тепловой мощности от длины, изменяя мощность отопительного прибора отобранного для испытания. Наглядно это показано на графике (рис.1), сделанном по результатам определительных испытаний панельного радиатора тип 10.

Рис.1  Изменение каталожных данных в зависимости от мощности выбранного отопительного прибора.

Мы видим, что прямопропорциональные зависимости, построенные на точках, отражающих мощности на краях допустимого диапазона мощностей испытываемых радиаторов, заметно отличаются друг от друга, особенно с увеличением длины. При этом значения тепловой мощности на коротких радиаторах существенно ниже реальных – на 8-15%. В ходе проведения сертификационных испытаний мы неоднократно сталкивались с проблемой: если для сертификации отобраны короткие модели, то, как правило, их тепловой поток оказывается выше заявленного более чем на 5%. Из вышеизложенного следует, что ограничение испытываемых радиаторов по мощности приводит к несопоставимости получаемых результатов, а при испытаниях коротких моделей возникают недопустимые отклонения от заявленных значений.
Европейские специалисты решили эту проблему достаточно просто. В EN 442-2 п. 4.2.1.3 и EN 16430-2 п. 4.1.1 они установили минимальную длину испытываемого радиатора (конвектора) и приняли, как и мы, что зависимость тепловой мощности от длины прямо пропорциональна, но в качестве критерия отбора приняли линейный размер (количество секций):
• секционные радиаторы – 10 секций или длиной не менее 0,8 м;
• радиаторы – длина 1 м;
• длина оребрения конвекторов – 1 м;
• конвекторы, встраиваемые в пол: длина оребрения – 2 м;
• длина оребрения конвекторов с вентиляторным обдувом – 1 м;
• длина оребрения для цокольных конвекторов – 3 м;
• многосекционные радиаторы высотой ˃ 1 м: длина – 0,45 м.
Соответственно на определительные, сертификационные, подтверждающие соответствие испытания отбираются приборы вышеуказанных размеров и по ним определяется или подтверждается тепловая мощность отопительных приборов всего модельного ряда. EN 442-2 допускает проведение испытаний на радиаторах большей длины, но это не выгодно производителям, так как при приведении к тепловой мощности к модулю отопительного прибора (секции) полученная мощность будет меньше, чем мощность, измеренная на радиаторах вышеприведённой длины.
А вот при определении зависимости тепловой мощности от высоты определяется реальная линейная зависимость, которая строится на основании:
• для радиаторов 1м ˂ Н это Нмин, Нср, Нмакс (т.е. отопительный прибор минимальной, средней и максимальной высоты);
• для радиаторов 1м˂ Н≤ 2,5м это Нмин, Н1 ̸3, Н2 ̸ 3, Нмакс (т.е. отопительный прибор минимальной высоты, высотой в 1/3 и 2/3 от максимальной и максимальной высоты).
Такой подход позволяет получать сопоставимые результаты испытаний по определению теплового потока, что особенно важно для обеспечения честной конкуренции.
Применение такого метода отбора образцов в РФ требует изменения требований к проведению испытаний. Дело в том, что образцы длиной 1 м или 10 секций как правило излучают мощность более чем 1,2 кВт и она может достигать при тепловом напоре 70°С до 5 кВт. Например, панельный радиатор 33х900х1000 имеет мощность более 4,5 кВт. В рамках действующего ГОСТ Р 53583 можно провести эти испытания только на пониженных тепловых напорах и пересчитать их на тепловой напор Δ70°С. Но результаты, полученные таким способом, иметь погрешность +/-2% и выше по сравнению с результатами полученными на реальном напоре 70°С
В европейских стандартах для решения проблемы испытаний радиаторов (конвекторов) в диапазоне мощностей 200÷3500 Вт сделано нижеследующее.
1. Величина номинального теплового потока принята на уровне теплового напора Δ50°С. В результате это позволяет:
а) почти в полтора раза уменьшить тепловую мощность испытываемых радиаторов по сравнению с мощностью, получаемой от этих же радиаторов при тепловом напоре Δ70°С;
б) вторичный эффект этого состоит в том, что становится возможным использовать «водяной метод» путем взвешивания, который реализуется при нормальном атмосферном давлении. На температурном напоре 70°С практически невозможно реализовать «водяной метод» путем взвешивания, поскольку приходится нагревать воду до температуры 95°С и выше, что находится вблизи точки кипения и это делает невозможным поддерживать температуру на входе в радиатор (конвектор) с точностью +/-0,1°С. По европейскому методу испытания поводятся при температуре на входе в радиатор 85°С, что существенно ниже точки кипения и эти проблемы не возникают.
2. В европейском ЕN442-2 при испытаниях стены могут охлаждаться до гораздо более низких температур по сравнению с испытаниями проводимыми по ГОСТ Р 53583-2009. Это объясняется тем, что в действующем ГОСТ Р наложено ограничение на разницу температуры стен и воздуха в испытательной камере 4°С и, соответственно, при температуре воздуха 18,5°С (воздух в камере 20 +/- 1,5°С ) температура стен не может быть ниже 14,5°С. Причин, по которым наложено данное ограничение две:
• первая – создание условий приближенных к условиям эксплуатации соответствии с требованиями СП 50.1333.0.2012, где оговаривается разница между температурой стен и воздуха;
• вторая – ограничение погрешности от различного радиационного теплообмена при испытаниях в камерах различных размеров.
Действующий ГОСТ Р 53583 позволяет проводить испытания в камерах со следующими размерами и допусками: 3,4 +/-0,6м ; 3,4 +/- 0,6м; 2,8 +/-0,3м. Разница температур охлаждаемых стен, которая может возникнуть при испытаниях одного и того же прибора при выходе на стационарный режим в камерах минимального и максимального размера достигает 3-4°С. Увеличение мощности испытываемого прибора приведёт к увеличению разности температур более чем на 4°С в камере минимального размера. Согласно [4], разница температур стен в 1°С приводит к разнице в результатах испытаний в +/- 0,5% для однопанельных радиаторов. Соответственно в 4°С дадут ошибку 2% однопанельных радиаторов и от 1÷1,4% – остальные виды радиаторов, в зависимости от доли радиационной составляющей свойственной конкретному виду отопительного прибора. Выход за пределы ограничения по мощности приводит к увеличению расхождения результатов испытаний, проведённых в испытательных камерах разного размера, более чем на 2% .
3. Максимальное использование площади охлаждаемых поверхностей. В европейском стандарте не используется утепление стен, но в связи с этим прибор располагается у неохлаждаемой стены. Однако у такого решения есть оборотная сторона: оно требует одинаковых размеров испытательных камер для исключения влияния на радиационную составляющую изменяющихся угловых коэффициентов из-за удаления или приближения охлаждаемых поверхностей.
В действующем ГОСТ Р 53583 прибор располагается у охлаждаемой стены, утеплённой на высоту 1 м. Это снижает площадь охлаждаемых поверхностей на 10,75% для камер минимальных размеров и на 8,3% – для камер максимальных размеров.
Для чего делается утепление заприборной части камеры?
а) исключение влияния теплообмена с охлаждаемой поверхностью, который будет разным при испытаниях радиаторов различной мощности, а также разным при испытаниях радиаторов в камерах различных размеров вследствие разной температуры стен, необходимой для достижения стационарного состояния. При испытаниях одного и того же радиатора в камере минимальных размеров при достижении стационарного состояния температура стен будет ниже, чем в камере максимальных размеров. В европейском ЕN442-2 эта проблема закрывается единством размеров камеры.
б) авторы ГОСТ объясняют это желанием создать условия реальной эксплуатации, моделированием реального помещения с установкой прибора отопления под подоконником. Однако такое решение создаёт проблемы с испытаниями отопительных приборов, которые не устанавливаются под окно. Это отопительные приборы высотой более 800 мм, верхний край которых оказывается на уровне верхнего края утепления и выше. Результаты испытаний таких приборов не вписываются в линейную зависимость тепловой мощности от высоты, а оказываются существенно выше расчётной. То же самое и касается внутрипольных конвекторов – утепление стены существенно снижает их тепловую мощность. Отказ европейского стандарта от моделирования реальных условий эксплуатации радиаторов обеспечивает сопоставимость результатов испытаний радиаторов любой высоты, а для внутрипольных конвекторов прописаны особые условия проведения испытаний, отражающие условия их эксплуатации, так как они не имеют радиационного теплообмена с охлаждаемой стеной.
4. С целью повышения мощности испытываемых в европейском стандарте допускается охлаждение пола. Но это возможно только при идентичности размеров испытательных камер.
Как итог этих мероприятий, европейский стандарт ЕN 442-2 позволяет испытать в одинаковых исходных условиях радиаторы (конвекторы) при пересчёте на тепловой напор 70°С в диапазоне 300÷5250 Вт, чего в большинстве случаев достаточно для испытаний отопительных приборов вышеприведённой нормативной длины. При этом неопределенность измерений по сообществу аккредитованных лабораториям составляет менее 1%.
Отдельно следует остановиться на выборе «водяного» или «электрического» метода измерения теплового потока отопительного прибора. Нет смысла, говорить какой метод лучше. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. «Водяной метод» хорош тем, что является прямым способом измерения и обеспечивает высокую точность, особенно – методом взвешивания. Недостатком является то, что высокая точность измерения обеспечивается в узком диапазоне расхода теплоносителя 20±120 кг ̸ час. В европейском ЕN 442-2 этот недостаток обходится за счёт создания и строгого поддержания разницы температур на входе и выходе из радиатора – 10°С. Соответственно основным недостатком «водяного метода» является невозможность определить с достаточной точностью зависимость тепловой мощности от расхода теплоносителя в диапазоне свыше 120 кг/час. Для производителей конвекторов, тепловая мощность которых существенно зависит от расхода теплоносителя, эта характеристика очень важна. «Электрический метод» свободен от этого недостатка, потому что тепловую мощность мы получаем, посредством замера электрической мощности, потребляемой электрокотлом нагревательного контура.
При «водяном методе» погрешность измерения связана с точностью применяемых термометров, которая соотносится с перепадом температур на входе и выходе из прибора, а перепад температур связан с расходом теплоносителя через прибор. И чем больше расход теплоносителя через последний, тем меньше этот перепад, а погрешность измерения температуры вряд ли может быть измерена с точностью выше ±0,04°С (это два термометра с точностью ± 0,02°С); погрешность измерения на мощностях 800÷1300 Вт может достигать 5÷6%.
Погрешность измерения электрической мощности котла определяется погрешностью вольтметра и амперметра (для котла на постоянном токе), для которых обеспечение точности измерения ±0,1% или ваттметра (для котла на переменном токе), с точностью ± 0,2% не является технической сложностью. Но у «электрического метода» есть своя «ахиллесова пята». При измерении электрической мощности на клеммах котла мы измеряем мощность, которая ушла на нагрев испытываемого отопительного прибора, а также на тепловые потери подводок и самого котла. В п. 4.4.3 дано указание: «Тепловые потери в рабочем диапазоне температурного напора определяют с помощью короткой, хорошо изолированной перемычки, тепловые потери, которой известны, устанавливаемой вместо испытуемого отопительного прибора». В ЕN442-2 это требование звучит следующим образом: «Потери тепла определяются при испытании короткозамкнутого контура в диапазоне рассматриваемых температурных напоров (вместо радиатора устанавливается теплоизолированная перемычка с известной теплоотдачей). Мы видим, что предлагаемые методы измерения тепловых потерь практически ничем не отличаются. Однако на практике возникает проблема – где взять теплоизолированную перемычку известной мощности. Электрическим способом её не измерить, так как неизвестны её тепловые потери, «водяным методом» её тоже нельзя измерить, так как перепад температур на входе и выходе из перемычки будет слишком малым, чтобы измерить её с достаточной точностью. На практике подводящий и отводящий теплоноситель патрубки соединяют через ниппель, считая, что тепловые потери через него составляют не более 5 Вт. Но определённые таким образом потери теплового контура приводят к следующему результату – при испытаниях отопительных приборов «электрическим» и «водяным» методами результаты не совпадают. Расхождение составляет до 10%. Однозначного объяснения этому явлению на сегодняшний день нет. Однако известно, что «электрический метод» европейскими лабораториями не используется
Как вариант решения этой проблемы, для определения тепловых потерь использовать радиатор, мощность которого измерена «водяным методом», но действующий сегодня ГОСТ Р 53583 не даёт такой возможности, так как использование расхода теплоносителя 360 кг/час делает «водяной метод» не применимым из-за высокой погрешности по причинам изложенным выше. В лучшем случае можно измерить мощность радиатора «водяным методом» на расходе, к примеру, 90 кг/час, а потом применить некую расчётную зависимость тепловой мощности от расхода. Но вопрос учета погрешности данной зависимости также на сегодняшний день не решен.
В этой ситуации напрашивается только один вывод, что для равноправного использования «водяного» и «электрического» методов необходимо уменьшить номинальный расход теплоносителя, сделав его не более 120 кг/час. Здесь, чтобы не «изобретать велосипед», на мой взгляд, было бы правильно использовать «водяной метод» так как он изложен в ЕN 442-2. Это позволило бы:
• иметь «электрический метод», результаты испытаний по которому совпадали бы с результатами «водяного метода»;
• появляется возможность получать высокоточную реальную зависимость теплового потока от расхода теплоносителя.
Подводя итог вышеизложенному: если принятием ГОСТ Р 53583 мы искренне преследуем цель обеспечить равноправную и честную конкуренцию на рынке отопительных приборов, мы должны принять следующие решения:
а) при отборе приборов на испытания мы должны отказаться от критерия мощности, а использовать конкретные линейные размеры отопительных приборов;
б) габаритные размеры испытательных камер должны быть одинаковыми;
в) не должно быть ограничений на температуру стен в испытательных камерах;
г) площадь охлаждаемых поверхностей в камерах должна быть одинаковой;
д) необходимо снизить номинальный тепловой поток до Δ50°С;
е) необходимо установить номинальный расход теплоносителя аналогично тому, как это сделано в ЕN442-2. В итоге нужно понимать, что «водяной метод» не может существовать без «электрического метода», так как невозможно определять зависимость тепловой мощности от расхода в диапазоне расходов 20÷400 кг/час, и «электрический метод» не может существовать без «водяного метода», так как без него невозможно правильно определять тепловые потери контура посредством эталонных радиаторов и не возможно создать систему эталонных радиаторов.
В идеале по всем вышеперечисленным пунктам необходимо принять нормы изложенные в ЕN 442-2. Это заложило бы основу для сходимости результатов, получаемых в разных лабораториях РФ и прослеживаемость результатов измерений к европейским лабораториям. При этом нас не должны беспокоить сегодняшние возможности существующих лабораторий. Мы должны понимать, что в результате принятия новой версии ГОСТ Р 53583 производители должны получить возможность для честной конкуренции на рынке Российской Федерации и не только на нем. А испытательные лаборатории – это только инструмент, с помощью которого это достигается. Испытательным лабораториям необходимо предоставить разумное время для проведения модернизации, то есть – некий переходный период.

Литература:

1. В. И. Сасин, Г. А. Бершидский, Т. Н. Прокопенко, Б. В. Швецов. Действующая
методика испытаний отопительных приборов — требуется ли корректировка? // АВОК,
2007, No 4, с. 46–48.

2. Стыценко С.И., Плотников Д.А. К вопросу о зависимости теплового потока секционного отопительного прибора от количества секций // Журнал СОК, 2019. №8. С. 36–37.

3. Плотников Д.А. Повышение точности каталожных испытаний стальных панельных радиаторов// Журнал СОК, 2021. №4. С. 43-45.

4. Г.А. Бершидский , М.Я. Поз «Некоторые вопросы методики теплотехнических испытаний отопительных приборов» опубликованной в журнале // Журнал АВОК, 2017. №4.