Общие сведения об отоплении
В зависимости от преобладающего способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным или лучистым.
Характеристика систем отопления
К конвективному относят отопление, при котором температура внутреннего воздуха поддерживается на более высоком уровне, чем радиационная температура помещения, понимая под радиационной усредненную температуру поверхностей, обращенных в помещение, вычисленную относительно человека, находящегося в середине этого помещения. Это широко распространенный способ отопления.
Лучистым называют отопление, при котором радиационная температура помещения превышает температуру воздуха. Лучистое отопление при несколько пониженной температуре воздуха (по сравнению с конвективным отоплением) более благоприятно для самочувствия человека в помещении (например, до 18-20 °с вместо 20-22 °с в помещениях гражданских зданий).
Конвективное или лучистое отопление помещений осуществляется специальной технической установкой, называемой системой отопления. Система отопления — это совокупность конструктивных элементов со связями между ними, предназначенных для получения, переноса и передачи теплоты в обогреваемые помещения здания.
Основные конструктивные элементы системы отопления (рисунок 1):
- теплоисточник (теплогенератор при местном или теплообменник при централизованном теплоснабжении) — элемент для получения теплоты;
- теплопроводы — элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;
- отопительные приборы — элемент для передачи теплоты в помещение.
Рисунок 1. Схема системы отопления: 1 — теплогенератор или теплообменник и основные типы теплообменных аппаратов ; 2 — подача топлива или подвод первичного теплоносителя; 3 — подающий теплопровод; 4 — отопительный прибор; 5 — обратный теплопровод.
Перенос по теплопроводам может осуществляться с помощью жидкой или газообразной рабочей среды. Жидкая (вода или специальная незамерзающая жидкость — антифриз) или газообразная (пар, воздух, продукты сгорания топлива) среда, перемещающаяся в системе отопления, называется теплоносителем.
Система отопления для выполнения возложенной на нее задачи должна обладать определенной тепловой мощностью. Расчетная тепловая мощность системы выявляется в результате составления теплового баланса в обогреваемых помещениях при температуре наружного воздуха.
Текущие (сокращенные) теплозатраты на отопление имеют место в течение почти всего времени отопительного сезона, поэтому теплоперенос к отопительным приборам должен изменяться в широких пределах. Этого можно достичь путем изменения (регулирования) температуры и (или) количества перемещающегося в системе отопления теплоносителя.
Требования к системе отопления
Санитарно-гигиенические: поддержание заданной температуры воздуха и внутренних поверхностей ограждений помещения во времени, в плане и по высоте при допустимой подвижности воздуха, ограничение температуры на поверхности отопительных приборов;
Экономические: оптимальные капитальные вложения, экономный расход тепловой энергии при эксплуатации;
Архитектурно-строительные: соответствие интерьеру помещения, компактность, увязка со строительными конструкциями, согласование со сроком строительства здания;
Производственно-монтажные: минимальное число унифицированных узлов и деталей, механизация их изготовления, сокращение трудовых затрат и ручного труда при монтаже;
Эксплуатационные: эффективность действия в течение всего периода работы, надежность (безотказность, долговечность, ремонтопригодность) и техническое совершенство, безопасность и бесшумность действия.
Деление требований на пять групп условно, так как в них входят требования, относящиеся как к периоду проектирования и строительства, так и эксплуатации здания.
Наиболее важны санитарно-гигиенические и эксплуатационные требования, которые обусловливаются необходимостью поддерживать заданную температуру в помещениях в течение отопительного сезона и всего срока службы системы отопления здания.
Классификация систем отопления
Системы отопления по расположению основных элементов подразделяются на местные и центральные.
В местных системах для отопления, как правило, одного помещения все три основных элемента конструктивно объединяются в одной установке, непосредственно в которой происходит получение, перенос и передача теплоты в помещение. Теплопереносящая рабочая среда нагревается горячей водой, паром, электричеством или при сжигании какого-либо топлива.
Еще одним примером местной системы отопления могут служить отопительные печи, конструкции и расчет которых будут рассмотрены.
В местной системе отопления с использованием электрической энергии теплопередача может осуществляться с помощью жидкого или газообразного теплоносителя либо без него непосредственно от разогретого твердого элемента.
Центральными называются системы, предназначенные для отопления группы помещений из единого теплового центра. В тепловом центре находятся теплогенераторы (котлы) или теплообменники. Они могут размещаться непосредственно в обогреваемом здании (в котельной или местном тепловом пункте) либо вне здания — в центральном тепловом пункте (ЦТП), на тепловой станции (отдельно стоящей котельной) или ТЭЦ.
Теплопроводы центральных систем подразделяют на магистрали (подающие, по которым подается теплоноситель, и обратные, по которым отводится охладившийся теплоноситель), стояки (вертикальные трубы или каналы) и ветви (горизонтальные трубы или каналы), связывающие магистрали с подводками к отопительным приборам (с ответвлениями к помещениям при теплоносителе воздухе).
Примером центральной системы является система отопления здания с собственным тепловым пунктом или котельной, принципиальная схема которой не будет отличаться от схемы на рисунке 1, если отопительные приборы размещены во всех обогреваемых помещениях этого здания.
Центральная система отопления называется районной, когда группа зданий отапливается из отдельно стоящей центральной тепловой станции. Теплогенераторы, теплообменники и отопительные приборы системы здесь также разделены: теплоноситель (например, вода) нагревается на тепловой станции, перемещается по наружным и внутренним (внутри здания) теплопроводам в отдельные помещения каждого здания к отопительным приборам и, охладившись, возвращается на тепловую станцию (рисунок 2).
Рисунок 2. Схема районной системы отопления: 1 — приготовление первичного теплоносителя; 2 — местный тепловой пункт; 3 и 5 — внутренние подающие и обратные теплопроводы; 4 — отопительные приборы; б и 7 — наружный подающий и обратный теплопроводы; 8 — циркуляционный насос наружного теплопровода
В современных системах теплоснабжения зданий от ТЭЦ или крупных тепловых станций используются два теплоносителя. Первичный высокотемпературный теплоноситель перемещается от ТЭЦ или тепловой станции по городским распределительным теплопроводамк цтп или непосредственно к местным тепловым пунктам зданий и обратно. Вторичный теплоноситель после нагревания в теплообменниках (или смешения с первичным) поступает по наружным (внутриквартальным) и внутренним теплопроводам к отопительным приборам обогреваемых помещений зданий и затем возвращается в цтп или местный тепловой пункт.
Первичным теплоносителем обычно служит вода, реже пар или газообразные продукты сгорания топлива. Если, например, первичная высокотемпературная вода нагревает вторичную воду, то такая центральная система отопления именуется водоводяной. Аналогично могут существовать водовоздушная, пароводяная, паровоздушная, газовоздушная и другие системы центрального отопления.
По виду основного (вторичного) теплоносителя местные и центральные системы отопления принято называть системами водяного, парового, воздушного или газового отопления.
Теплоносители в системах отопления
Движущаяся среда в системе отопления — теплоноситель — аккумулирует теплоту и затем передает ее в обогреваемые помещения. Теплоносителем для отопления может быть подвижная, жидкая или газообразная среда, соответствующая требованиям, предъявляемым к системе отопления.
Для отопления зданий и сооружений в настоящее время преимущественно используют воду или атмосферный воздух, реже водяной пар или нагретые газы.
Сопоставим характерные свойства указанных видов теплоносителя при использовании их в системах отопления.
Газы, образующиеся при сжигании твердого, жидкого или газообразного органического топлива, имеют сравнительно высокую температуру и применимы в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности отопительных приборов. При транспортировании горячих газов имеют место значительные попутные теплопотери, обычно бесполезные для обогревания помещения.
Высокотемпературные продукты сгорания топлива могут выпускаться непосредственно в помещения или сооружения, но при этом ухудшается состояние их воздушной среды, что в большинстве случаев недопустимо. Удаление же продуктов сгорания наружу по каналам усложняет конструкцию и понижает кпд отопительной установки. При этом возникает необходимость решения экологических проблем, связанных с возможным загрязнением атмосферного воздуха продуктами сгорания вблизи отапливаемых объектов.
Область использования горячих газов ограничена отопительными печами, газовыми калориферами и другими подобными местными отопительными установками.
В отличие от горячих газов вода, воздух и пар используются многократно в режиме циркуляции и без загрязнения окружающей здание среды.
Вода представляет собой жидкую, практически несжимаемую среду со значительной плотностью и теплоемкостью. Вода изменяет плотность, объем и вязкость в зависимости от температуры, а температуру кипения — в зависимости от давления, способна сорбировать или выделять растворимые в ней газы при изменении температуры и давления.
Пар является легкоподвижной средой со сравнительно малой плотностью. Температура и плотность пара зависят от давления. Пар значительно изменяет объем и энтальпию при фазовом превращении.
Воздух также является легкоподвижной средой со сравнительно малыми вязкостью, плотностью и теплоемкостью, изменяющей плотность и объем в зависимости от температуры.
Сравним эти три теплоносителя по показателям, важным для выполнения требований, предъявляемых к системе отопления.
Одним из санитарно-гигиенических требований является поддержание в помещениях равномерной температуры. По этому показателю преимущество перед другими теплоносителями имеет воздух. При использовании нагретого воздуха-теплоносителя с низкой теплоинерционностью — можно постоянно поддерживать равномерной температуру каждого отдельного помещения, быстро изменяя температуру подаваемого воздуха, т.е. Проводя так называемое эксплуатационное регулирование. При этом одновременно с отоплением можно обеспечить вентиляцию помещений.
Применение в системах отопления горячей воды также позволяет поддерживать равномерную температуру помещений, что достигается регулированием температуры, подаваемой в отопительные приборы воды. При таком регулировании температура помещений все же может несколько отклоняться от заданной (на 1 -2 °С) вследствие тепловой инерции масс воды, труб и приборов.
При использовании пара температура помещений неравномерна, что противоречит гигиеническим требованиям. Неравномерность температуры возникает из-за несоответствия теплопередачи приборов при неизменной температуре пара (при постоянном давлении) изменяющимся теплопотерям помещения в течение отопительного сезона. В связи с этим приходится уменьшать количество подаваемого в приборы пара и даже периодически отключать их во избежание перегревания помещений при уменьшении их теплопотерь.
Другое санитарно-гигиеническое требование — ограничение температуры наружной поверхности отопительных приборов — вызвано явлением разложения и сухой возгонки органической пыли на нагретой поверхности, сопровождающимся выделением вредных веществ, в частности окиси углерода. Разложение пыли начинается при температуре 65-70 °С и интенсивно протекает на поверхности, имеющей температуру более 80 °С.
При использовании пара в качестве теплоносителя температура поверхности большинства отопительных приборов и труб постоянна и близка или выше 100 °С, т.е. Превышает гигиенический предел. При отоплении горячей водой средняя температура нагретых поверхностей, как правило, ниже, чем при применении пара. Кроме того, температуру воды в системе отопления понижают для снижения теплопередачи приборов при уменьшении теплопотерь помещений. Поэтому при теплоносителе воде средняя температура поверхности приборов в течение отопительного сезона практически не превышает гигиенического предела.
Важным экономическим показателем при применении различных теплоносителей является расход металла на теплопроводы и отопительные приборы.
При использовании воды обеспечивается достаточно равномерная температура помещений, можно ограничить температуру поверхности отопительных приборов, сокращается по сравнению с другими теплоносителями площадь поперечного сечения труб, достигается бесшумность движения в теплопроводах. Недостатками применения воды являются значительный расход металла и большое гидростатическое давление в системах. Тепловая инерция воды замедляет регулирование теплопередачи приборов.
При использовании пара сравнительно сокращается расход металла за счет уменьшения площади приборов и поперечного сечения конденсатопроводов, достигается быстрое прогревание приборов и отапливаемых помещений. Гидростатическое давление пара в вертикальных трубах по сравнению с водой минимально. Однако пар как теплоноситель не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям, его температура высока и постоянна при данном давлении, что затрудняет регулирование теплопередачи приборов, движение его в трубах сопровождается шумом.
При использовании воздуха можно обеспечить быстрое изменение или равномерность температуры помещений, избежать установки отопительных приборов, совмещать отопление с вентиляцией помещений, достигать бесшумности его движения в воздуховодах и каналах. Недостатками являются его малая теплоаккумулирующая способность, значительные площадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по их длине.
Основные виды систем отопления
В настоящее время в россии применяют центральные системы в основном водяного и, значительно реже, парового отопления, местные и центральные системы воздушного отопления, а также печное отопление в сельской местности. Приведем общую характеристику этих систем с детальной классификацией на основании рассмотренных свойств теплоносителей.
При водяном отоплении циркулирующая нагретая вода охлаждается в отопительных приборах и возвращается к теплоисточнику для последующего нагревания.
Системы водяного отопления по способу создания циркуляции воды разделяются на системы с естественной циркуляцией (гравитационные) и с механическим побуждением циркуляции воды при помощи насоса (насосные). В гравитационной системе (рисунок 3, а) используется свойство воды изменять свою плотность при изменении температуры. В замкнутой вертикальной системе с неравномерным распределением плотности под действием гравитационного поля земли возникает естественное движение воды.
В насосной системе (рисунок 3, б) используется насос с электрическим приводом для создания разности давления, вызывающей циркуляцию, и в системе создается вынужденное движение воды.
Рисунок 3. Схемы системы водяного отопления: а — с естественной циркуляцией (гравитационная); б — с механическим побуждением циркуляции воды (насосная); 1 — теплообменник; 2 — подающий теплопровод (т1); 3 — расширительный бак; 4 — отопительный прибор; 5 -обратный теплопровод (т2); 6 — циркуляционный насос; 7 — устройство для выпуска воздуха из системы
По температуре теплоносителя различаются системы низкотемпературные с предельной температурой горячей воды ниже 70 °С, среднетемпературные от 70 до 100 °С и высокотемпературные выше 100 °С. Максимальное значение температуры воды ограничено в настоящее время 150°С.
По положению труб, объединяющих отопительные приборы по вертикали или горизонтали, системы делятся на вертикальные и горизонтальные.
В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами системы бывают однотрубные и двухтрубные.
В каждом стояке или ветви однотрубной системы отопительные приборы соединяются одной трубой, и вода протекает последовательно через все приборы. Если каждый прибор разделен условно на две части («д» и «б»), в которых вода движется в противоположных направлениях и теплоноситель последовательно проходит сначала через все части «а», а затем через все части «б», то такая однотрубная система носит название бифилярной (двухпоточной).
В двухтрубной системе каждый отопительный прибор присоединяется отдельно к двум трубам — подающей и обратной, и вода протекает через каждый прибор независимо от других приборов.
При воздушном отоплении циркулирующий нагретый воздух охлаждается, передавая теплоту при смешении с воздухом обогреваемых помещений и иногда через их внутренние ограждения. Охлажденный воздух возвращается к нагревателю.
Системы воздушного отопления по способу создания циркуляции воздуха разделяются на системы с естественной циркуляцией (гравитационные) и с механическим побуждением движения воздуха с помощью вентилятора.
В гравитационной системе используется различие в плотности нагретого и окружающего отопительную установку воздуха. Как и в водяной вертикальной гравитационной системе, при различной плотности воздуха в вертикальных частях возникает естественное движение воздуха в системе. При применении вентилятора в системе создается вынужденное движение воздуха.
Воздух, используемый в системах отопления, нагревается до температуры, обычно не превышающей 60 °с, в специальных теплообменниках -калориферах. Калориферы могут обогреваться водой, паром, электричеством или горячими газами. Система воздушного отопления при этом соответственно называется водовоздушной, паровоздушной, электровоздушной или газовоздушной.
Воздушное отопление может быть местным (рисунок 4, а) или центральным (рисунок 4, б)
Рисунок 4. Схемы системы воздушного отопления: а — местная система; б — центральная система; 1 — отопительный агрегат; 2 — обогреваемое помещение (помещения на рис. Б); 3 -рабочая (обслуживаемая) зона помещения; 4 — обратный воздуховод; 5 — вентилятор; б -теплообменник (калорифер); 7 — подающий воздуховод.
В местной системе воздух нагревается в отопительной установке с теплообменником (калорифером или другим отопительным прибором), находящимся в обогреваемом помещении.
В центральной системе теплообменник (калорифер) размещается в отдельном помещении (камере). Холодный воздух подводится к калориферу по обратному (рециркуляционному) воздуховоду. Горячий воздух от калорифера перемещается вентилятором в обогреваемые помещения по подающим воздуховодам.
