В общем случае управляемость системы отопления связана с тепловой инерционностью всех элементов, влияющих на формирование микроклимата: ограждающих конструкций, воздушного пространства помещения, отопительного контура и приборов отопления.

Без учёта данных параметров создать эффективную схему управления системой автономного отопления при изменениях внешних атмосферных условий не представляется возможным.  Инерционность контура отопления зависит от конструкционных материалов деталей теплогенератора, труб и запорно-регулировочной арматуры, приборов отопления, объёмов и теплофизических свойств теплоносителя.

Оценочный расчёт объёма теплоносителя, по многочисленным рекомендациям в Интернете,  можно выполнить исходя из расчёта 10 л теплоносителя на 1 кВт мощности котла. Так, объём отопительной системы с котлом мощностью 24 кВт оценивается в 240 л. В реальности данный расчёт может привести к большим ошибкам. Настенные газовые котлы часто используются в автономных системах поквартирного отопления. Площадь таких квартир составляет в основном 50–70 м². Максимальная мощность настенных котлов в большинстве случаев равна 18–24 кВт. По указанным рекомендациям объём теплоносителя в системе отопления находится в пределах от 200 до 240 л. В действительности квартира в 50–70 м² имеет три-пять отопительных приборов (радиаторов), а длина трубопроводов двухтрубной системы не превышает 25–35 м. Рекомендации по расчёту теплоносителя в системе отопления данного типа  определят объём теплоносителя в такой системе в размере 25–30 л.

Многие консультанты заявляют, что малая инерционность тепловых приборов отопления является положительным фактором, поскольку такие системы быстро нагревают помещение. Однако дело не только в тепловой инерционности приборов отопления, но и в инерционности всего теплового контура и работе теплогенератора.

Настенные газовые котлы конвекционного типа, доля применения которых в России составляет до 98%, не способны работать на мощности менее 6–7 кВт·ч. Это обусловлено применением в них атмосферной горелки, которая конструктивно не может работать в режиме менее 40% от максимальной заявленной тепловой мощности . Для обогрева помещения площадью 50–70 м²  бóльшую часть времени отопительного сезона требуется не 1 кВт мощности на 10 м² отапливаемого помещения, а 0,2–0,4 кВт, поскольку температура наружного воздуха в этот период, в зависимости от региона, составляет от −5 до +5°C.

Поскольку конвекционные газовые настенные котлы не могут работать на мощности менее 6–7 кВт·ч, их использование при поквартирном отоплении всегда связано с избыточной мощностью. В результате газовый котёл работает в режиме «старт-стоп» («тактование»). Для снижения количества включений и выключений настенного котла все производители ввели в его систему управления запаздывание повторного запуска — не менее одной минуты по продолжительности. Следовательно, в режиме работы настенных котлов с избыточной минимальной мощностью возникают паузы, связанные не только с настройкой порогов температуры теплоносителя, но и с алгоритмами работы котлов.

Величина тепловой инерционности отопительного контура зависит от двух составляющих: инерционности теплогенератора, трубопроводов, регулировочной арматуры и теплоносителя; инерционности отопительных приборов автономных систем отопления (радиаторов, конвекторов, тёплого пола).

Для поквартирного отопления время нагрева элементов первой группы составляет не более одной-двух минут. А в полноценных системах автономного теплоснабжения загородного дома площадью 200–300 м² этот показатель составляет уже около десяти минут.

При рассмотрении вопросов управления теплоснабжением квартиры в многоквартирном доме ограждающие конструкции, как правило, имеют большую тепловую инерционность. Суточные колебания температуры атмосферы допускается не учитывать. Теплопотери через ограждающие конструкции можно принять стационарными.

Для создания оптимальных алгоритмов управления системой отопления помещения при изменении заданной температуры внутри помещения необходимо оценить влияние инерционности объёма воздуха. Данный параметр применительно к системе отопления зависит от объёмов помещения, типа приборов отопления и их мощности. Если мы рассматриваем отопительные приборы с естественной циркуляцией воздуха (типа радиаторов или конвекторов), то инерционность объёма воздуха в помещении влияет на продолжительность нагрева, которая составляет, в диапазоне гистерезиса настройки воздушных терморегуляторов, около десяти минут.


Рис. 1. Процессы нагревания и охлаждения отопительных приборов системы водяного отопления

Что касается приборов отопления, то показатели инерционности сильно зависят от их материалов и конструкции. В общем виде процессы нагрева и остывания радиаторов отопления представлены на рис. 1. В работе  представлены данные по инерционности отопительных приборов.

Постоянные времени отопительных приборов:

  • в режиме нагревания конвектора Atoll (ПКН 310) — Тпр.нагр = 6 мин.;
  • в режиме нагревания панельного радиатора Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) — Тпр.нагр = 15 мин.;
  • в режиме охлаждения конвектора Atoll (ПКН 310) — Тпр.охл = 15 мин.;
  • в режиме охлаждения панельного радиатора Profil-Kompakt (FKO 22-03-09) — Тпр.охл = 38 мин.

Данные приборы отопления малоинерционны. Алюминиевые и биметаллические радиаторы имеют характеристики инерционности в два-три раза больше, чем у панельных радиаторов. Чугунные радиаторы имеют показатели инерционности ещё выше — в два-четыре раза.

Если в качестве отопительных приборов используется водяной тёплый пол, то инерционность данного низкотемпературного прибора зависит от многих факторов, и в режиме установившегося колебательного процесса с амплитудой регулирования 2–3°C время нагрева составляет пять-десять часов.

При работе газового настенного котла малая инерционность некоторых высокотемпературных приборов отопления, с точки зрения быстроты нагрева помещения, является преимуществом. Но на длительность нагрева воздуха влияет малая инерционность контура отопления. Система встроенного защитного регулирования работы настенных конвекционных котлов основана на установлении порогов гистерезиса температуры подачи теплоносителя на выходе из котла. Данный диапазон изменения определяется заводскими настройками по отоплению в ±5°C и может быть заново установлен на объекте в диапазоне до ±15°C.

При работе котла на минимально возможной мощности (7 кВт) время нагрева составляет две минуты 20 секунд. Указанное время меньше времени нагрева любых приборов отопления в несколько раз (водяной тёплый пол при поквартирном отоплении на рассматривается). Теплоноситель будет нагреваться быстро: даже малоинерционный тепловой прибор не успеет нагреться, и котёл выключится по перегреву теплоносителя. Это значит, что применяемые в рассматриваемой системе отопительные приборы не способны реализовать вырабатываемое настенным котлом тепло, если не изменены заводские установки режимов работы котла.

Чем меньше тепловая инерционность тепловых приборов, тем лучше для скорости нагрева помещения.

Но важно учитывать и инерционность самого контура отопления. Для более устойчивой работы настенного газового котла целесообразно сразу (если котёл используется для поквартирного отопления) предельно занизить максимальную мощность работы котла в режиме «зима». Необходимо выставить верхний порог давления газового клапана на уровне 400 Па. Можно также увеличить порог гистерезиса настройкой выключения температуры до 15°C и установить температуру отключения отопления 60°C. Режим работы такой системы отопления с избыточной мощностью теплогенератора всегда регулируется только за счёт количества циклов включения и выключения котла, но это будет происходить в два-три раза реже, чем при заводском уровне настроек.

Настенный конвекционный котёл  используется для отопления помещения и подготовки горячей воды. Для подогрева проточной воды в объёме потребления одной точкой разбора (душ, ванная, кран) требуется мощность более 15 кВт·ч. Именно это является причиной того, что   настенные котлы всегда будут работать с избыточной мощностью. И при отоплении, и при подготовке горячей воды в настенных котлах используется один и тот же основной теплообменник и атмосферная горелка, которые рассчитываются исходя из максимальной нагрузки (подготовка горячей воды).

Выводы

1. Тепловая инерционность гидравлической части контура отопления — важный показатель для правильного подбора системы автоматического управления работой котла. В системах поквартирного отопления данный показатель в несколько раз ниже, чем у любых отопительных приборов, применяемых в настоящее время в ИЖС.

2. При поквартирном отоплении с использованием конвекционных газовых котлов основной режим работы отопительной системы — периодическое включение и выключение теплоагрегата. Это обусловлено значительной избыточностью тепловой мощности настенного газового котла в режиме «Отопление» даже при работе на минимальной нагрузке. Однако на практике можно значительно снизить число включений-выключений котла за счёт корректировки его заводских настроек (данные работы по настройке котла должны проводить специалисты).

3. Режим работы настенного газового конвекционного котла при поквартирном отоплении с точки зрения цикличности не соответствует номинальным условиям эксплуатации котла, установленным заводом-изготовителем для гарантийных обязательств.