Отопительные системы

Различные системы обогрева помещений с целью поддержания теплового комфорта или для производственных нужд. Этот термин обычно применяется к системам, в которых сжигание топлива происходит в более или менее удаленном от обогреваемого помещения месте, в отличие от примитивного очага или печки и небольших переносных нагревателей.
Паровое отопление. Большинство отопительных систем, в которых в качестве теплоносителя используется пар, работают на принципе конвекции, т.е. они нагревают воздух в помещении и тем самым уменьшают до приемлемого уровня потери тепла. В системах этого типа в качестве нагревательных приборов могут использоваться чугунные радиаторы, конвекторы, изготовленные, как правило, из цветных металлов, или тепловентиляторы. Преимуществами пара как теплоносителя являются высокая теплопередающая способность, сравнительно небольшая масса и постоянство температуры в процессе передачи тепла. Последнее обстоятельство имеет большое практическое значение, поскольку оно обеспечивает одинаковую температуру на различных участках теплопередающей поверхности. Другое (не столь значительное в обычных отопительных системах) преимущество - это высокое значение коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации и, следовательно, небольшое термическое сопротивление при передаче тепла через теплопередающую поверхность. Недостатками паровых систем являются трудность регулирования величины подвода тепла в помещение (это не относится к системам с низким давлением и т.н. вакуум-паровым системам) и высокая температура (100° С) при атмосферном давлении. Обычные паровые системы можно разделить на следующие виды.
Открытые замкнутые однотрубные системы. Это наиболее дешевые системы парового отопления. Они состоят из одного паропровода, связывающего паровой котел и отопительные приборы. Паропровод прокладывается с небольшим уклоном для возврата конденсата самотеком в источник тепла. В системах этого типа течение теплоносителя происходит в двух направлениях по одной трубе, поэтому ее сечение должно быть достаточно большим, чтобы поток пара не увлекал за собой текущий навстречу конденсат. В верхней точке трубопровода, идущего из котла, предусмотрено выпускное устройство. Серьезным недостатком однотрубной системы является невозможность регулирования теплового потока; отопительный прибор может функционировать при полностью открытом либо полностью закрытом приборном вентиле. Частичное регулирование возможно с помощью специальных устройств, однако оно редко является экономически оправданным (рис. 1).

Рис. 1. ОТКРЫТАЯ ЗАМКНУТАЯ ОДНОТРУБНАЯ ПАРОВАЯ СИСТЕМА, в которой конденсат возвращается самотеком.
Двухтрубная паровая система. В этой системе увеличивается расход труб за счет использования отдельного обратного трубопровода для отвода конденсата от отопительных приборов. Пар подается к ним через регулирующий вентиль, а конденсат попадает в обратный трубопровод через термостатирующие конденсатоотводчики. Кроме возможности регулирования, эта система позволяет избежать неприятностей, связанных с шумом, который иногда представляет серьезную проблему в однотрубных системах.
Системы с пониженным давлением. В системах этого типа регулирование теплоподвода осуществляется за счет изменения температуры пара, выходящего из парогенератора, с соответствующим изменением скрытой теплоты конденсации и удельного объема теплоносителя. В этом случае регулирование происходит на уровне всей системы в парогенераторе, в отличие от регулирования отдельного радиатора или конвектора в двухтрубной системе высокого давления.
Водяное отопление. Преимущество водяных систем перед паровыми заключается главным образом в большей простоте регулирования теплоподвода радиаторов и конвекторов. Классификация систем водяного отопления по схеме расположения труб стояков приводится ниже.
Однотрубная горизонтальная система. Эта система отличается от однотрубной паровой системы тем, что вода в трубопроводах течет в одном направлении, а минимальная длина трубопроводов обеспечивается за счет того, что вода после прохождения через отопительные приборы возвращается в подающую систему. Таким образом, расход в подающем трубопроводе постоянен по его длине, а температура падает, что связано с поступлением более холодной воды из отопительных приборов; поэтому при фиксированном теплоподводе площадь теплоотдающей поверхности отопительного прибора должна возрастать с увеличением расстояния от водонагревателя.
Однотрубная вертикальная система. Для зданий, имеющих более одного этажа, обычно используется разновидность однотрубной системы с верхней разводкой и прокладкой по чердаку подающего трубопровода, от которого отходят вниз параллельные вертикальные стояки для подачи воды в радиаторы, находящиеся на разных этажах строго один над другим. При этом температура воды в подающем трубопроводе одинакова в точке входа в любой нисходящий стояк; изменение температуры происходит только в самих стояках.
Двухтрубные системы. Расположение труб в этой системе аналогично двухтрубной паровой системе. Вода из водонагревателя проходит через подающий трубопровод с разводкой на отдельные радиаторы, а выходящая из них вода попадает в обратный трубопровод, по которому она возвращается в водонагреватель. Диаметр подающего и обратного трубопроводов уменьшается по мере удаления от водонагревателя. Недостаток этой схемы состоит в том, что потери давления в каждом гидравлическом контуре (соответствующем каждому радиатору) растут по мере удаления от водонагревателя, поэтому для обеспечения одинакового расхода через отопительные приборы необходимо принимать специальные меры.
Тупиковая двухтрубная вертикальная система. Эта система аналогична однотрубной вертикальной системе за исключением того, что радиаторы на каждом этаже подключены параллельно между подводящим и отводящим стояками.
Проточная двухтрубная система с попутным движением воды. Эта гидравлическая схема обладает всеми достоинствами двухтрубных систем и в тоже время лишена недостатка, связанного с неравенством перепадов давления, присущим тупиковым схемам. Горячая вода из водонагревателя проходит по подающему трубопроводу уменьшающегося размера, от которого отходят трубы к нагревательным приборам, а от них в обратный трубопровод, который идет параллельно подающему трубопроводу в направлении от водонагревателя, собирая выходящую из радиаторов воду и увеличиваясь в диаметре до последнего радиатора; при этом длина пути, проходимого водой, одинакова для всех радиаторов. Тупиковая двухтрубная система с встречным движением воды в подающем и обратном разводящих трубопроводах и двухтрубная проточная система с попутным движением воды показаны для сравнения на рис. 2. Водонагреватель обозначен буквой H, а радиаторы - цифрами.

Рис. 2. РАЗЛИЧНЫЕ СХЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ. а - тупиковая двухтрубная; б - проточная двухтрубная.
Радиаторы и конвекторы. В качестве нагревательных приборов в отопительных системах конвекционного типа обычно используются чугунные радиаторы или конвекторы, выполненные из стали либо цветных металлов. Обычные радиаторы состоят из литых чугунных секций, соединенных в батареи с помощью патрубков с левой и правой резьбой. Радиаторы обычно устанавливаются вдоль стен обогреваемого помещения. Чаще всего они располагаются под окнами, чтобы предотвратить образование холодного потока воздуха от окон к полу. Стандартные чугунные радиаторы выпускаются в виде секций различной ширины и высоты. Обычно такая секция представляет собой несколько соединенных между собой вертикально расположенных труб, количество которых зависит от ширины секции. Воздух входит в радиатор снизу и спереди и, нагреваясь, поднимается вверх, проходит вдоль радиатора и выходит сверху нагретый и с заметной скоростью. Конвекторы отличаются от радиаторов тем, что имеют гораздо меньшие поверхности нагрева и располагаются в нижней части специального кожуха, который нужен для создания эффекта дымохода, чтобы организовать движение воздуха мимо нагревательной поверхности и затем распределить поток нагретого воздуха по объему помещения. Характеристики кожуха конвектора зависят от размеров и положения отверстий для входа воздуха, а также от выбранного способа обдува нагревательной поверхности.
Системы с тепловентиляторами. К системам конвективного нагрева относятся также применяемые в производственных помещениях системы с трубчатым калорифером, через который вентилятором с большой скоростью продувается комнатный воздух. В условиях вынужденной конвекции в такой системе теплоотдача от нагревательной поверхности более интенсивна, чем для обычного конвектора или радиатора, поэтому эффективность обогрева существенно выше по сравнению с другими системами. Тепловентиляторы обычно выполняются в виде блока, который устанавливается у потолка в центре обогреваемого помещения. Кожух тепловентилятора имеет жалюзи, которые позволяют изменять направление потока нагретого воздуха, чтобы обеспечить лучшее перемешивание воздуха в помещении и предотвратить образование нежелательных застойных зон с градиентом температуры (рис. 3).

Рис. 3. ТЕПЛОВЕНТИЛЯТОР. 1 - потолок; 2 - элементы крепления; 3 - электродвигатель; 4 - подвод воздуха; 5 - жалюзи; 6 - вентилятор; 7 - отвод воздуха.
Трубчатые калориферы с развитой поверхностью нагрева иногда используются в подающих каналах воздушных отопительных систем вместо непосредственного огневоздушного нагрева. Проблема выбора нужного тепловентилятора и его рационального размещения представляет известные трудности, потому что эффективность работы тепловентилятора зависит от многих факторов, в частности, от его расположения в помещении и направлений воздушного потока на входе и выходе.
Системы с теплым полом. В местностях, где климат мягок и поэтому потери тепла из помещения невелики, часто используются дешевые отопительные системы с газовым воздухоподогревателем, расположенным в подвальном помещении. При этом прохладный комнатный воздух, опускаясь к воздухоподогревателю, проходит мимо его внешних нагреваемых поверхностей и возвращается в комнату через встроенные в пол решетки. Обогреватели этого типа полностью автономны, имеют небольшую стоимость и могут быть легко установлены. Однако они не свободны от недостатков, к числу которых относятся опасность чрезмерного нагрева поверхности полов и трудность обеспечения равномерного обогрева всего жилого пространства. Обычно газовые агрегаты располагаются под центральным холлом или гостиной у дверей, ведущих в другие комнаты.
Воздушное отопление. Этот термин относится к системам отопления, в которых подогретый воздух подается по проложенным в здании специальным каналам в отапливаемые помещения. Если комнатный воздух возвращается обратно для повторного нагрева, система называется рециркуляционной; в тех случаях, когда возврат воздуха не предусмотрен и в комнату поступает только подогретый наружный воздух, система называется вентиляционной. Эта последняя система неэкономична и используется только в тех помещениях, где рециркуляция воздуха недопустима. Воздушное отопление может быть естественным или принудительным. В системах с естественной циркуляцией перемещение воздуха происходит за счет разности температур и плотностей воздуха, поэтому важным требованием при проектировании воздуховодов является малость потерь на трение, чтобы обеспечить необходимую интенсивность циркуляции воздуха. В системах с принудительной циркуляцией используется внешний источник энергии для обеспечения требуемой интенсивности циркуляции. Поскольку скорости перемещения воздуха в системах с принудительной циркуляцией значительно выше, проблема перемешивания воздуха упрощается, однако возникает проблема шума в воздуховодах и распределительных решетках. В связи с распространением систем кондиционирования воздуха системы с принудительной циркуляцией стали более распространенными, поскольку воздуховоды отопительной системы можно легко приспособить для подачи в помещение охлажденного воздуха в жаркие летние месяцы.
Централизованное теплоснабжение. В деловых, жилых и промышленных районах городов умеренного и холодного климата экономически выгодно использовать тепло от централизованного источника тепла (ТЭЦ). В таких районах прокладывается сеть трубопроводов (тепловая сеть) и устанавливаются снабженные счетчиками распределительные тепловые пункты, которые снабжают индивидуальных потребителей паром или горячей водой. Централизованные системы более экономичны и имеют то преимущество, что освобождают место для производственных целей, которое в противном случае потребовалось бы для размещения собственной котельной и хранения топлива; для небольших зданий центральное отопление имеет дополнительное преимущество стабильного теплоснабжения без необходимости постоянного контроля за работой собственной отопительной системы.
Панельное отопление. В отличие от конвективных систем отопления, которые обсуждались в предыдущих разделах, в панельных системах большая часть тепла передается излучением. При этом комфортные температурные условия в жилых помещениях создаются за счет регулирования средней температуры внутренних поверхностей в помещении, а не температуры воздуха. В идеале при панельном отоплении должна регулироваться средняя температура всех окружающих поверхностей, однако на практике регулируется температура только небольшой части полной поверхности; так, изменение на 6° С температуры поверхности одной стороны кубического помещения дает тот же эффект, что и изменение на 1° С всех шести сторон. Методы подвода тепла к поверхностям нагрева могут быть самыми разными, однако независимо от того, какой теплоноситель используется - воздух, вода или электричество, - в большинстве панельных систем для обогрева служат плоские поверхности конструкции помещения, т.е. потолок, пол или стены. Панели в полах не должны быть нагреты выше 40° С, а лучше 30° С, поскольку в противном случае они будут слишком горячими, чтобы на них стоять. Максимальная допустимая температура поверхности потолка зависит от высоты помещения, однако величину 50° С можно считать максимально допустимой для обычных высот помещений (рис. 4).

Рис. 4. СИСТЕМА ПАНЕЛЬНОГО ОТОПЛЕНИЯ. 1 - подающие трубопроводы; 2 - трубчатые нагреватели, скрытые в стене.
Достоинства. Основным преимуществом панельного отопления является снижение оптимальной температуры воздуха внутри помещения наряду со снижением ощущений вялости и сонливости, которые часто связывают с комфортными температурными условиями. Величина возможного снижения температуры воздуха зависит в основном от скорости циркуляции воздуха в помещении; при больших интенсивностях вентиляции оптимальная комфортная температура воздуха может быть на 5° С ниже значений, обычных для конвективных систем отопления, однако для помещений, в которых интенсивность вентиляции мала, что характерно для жилых помещений или небольших зданий с естественной вентиляцией, возможное снижение температуры воздуха составляет лишь 1-2° С. Дополнительное преимущество пониженной температуры воздуха состоит в снижении тепловых затрат на нагрев до комнатной температуры приходящего снаружи воздуха, поэтому использование панельного отопления в хорошо вентилируемых помещениях, дает, как правило, от 10 до 20% экономии по сравнению с отопительными системами конвективного типа. Однако, если воздухообмен в помещении происходит через фильтры, экономии не получается, так как интенсивность вентиляции в такой системе слишком мала. Дополнительными преимуществами панельного отопления являются его скрытность (тепловыделяющие элементы находятся внутри ограждающих конструкций помещения), экономия полезного пространства, чистота, более равномерный обогрев и более комфортные условия из-за отсутствия эффекта холодных стен, как в случае конвективного отопления.
Недостатки. К недостаткам отопительных панелей относятся медленная реакция на изменение нагрузки, плохая ремонтопригодность и ограниченность площади при полной тепловой нагрузке. В некоторых местностях из-за недостатка опыта также высока стоимость изготовления, установки и отладки этих систем. При проектировании системы панельного отопления основным и, вероятно, наиболее важным фактором является выбор места расположения отопительных панелей. В Европе предпочитают потолочные панели, а в США шире применяется размещение отопительных панелей в полах. Со строительной точки зрения, отопительные панели в полах можно очень просто установить в домах без подвальных этажей с бетонными полами, с чем, очевидно, связано их широкое распространение в США. С тепловой точки зрения, панели в полах менее эффективны, чем потолочные, поскольку ограничение на максимальную температуру (30° С) снижает тепловыделение отопительной панели приблизительно до половины от его величины для такой же потолочной панели при температуре 50° С. Другое преимущество потолочных панелей состоит в том, что большая часть тепла в них передается излучением, следовательно, такая система ближе к более эффективной лучистой, чем к конвективной системе отопления.
ЛИТЕРАТУРА
Дроздов В.Ф. Отопление и вентиляция. М., 1984 Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление. М., 1991 Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома. М., 1991