Система отопления

Система отопления

Отопление помещений  может быть конвективным и лучистым.

К конвективному  относят отопление, при котором  температура воздуха t_a поддерживается на более высоком уровне, чем радиационная температура помещения t_R (Ј_E>Ј_R), понимая под радиационной усредненную температуру поверхностей, обращенных в помещение, вычисленную относительно человека, находящегося в середине помещения. Это широко распространенный способ отопления.

Лучистым считают  отопление, при котором радиационная температура помещения превышает температуру воздуха (tn>t_b). Лучистое отопление при несколько пониженной температуре воздуха (по сравнению с конвективным отоплением) более благоприятно для самочувствия людей в помещениях (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 необходимого количества теплоты в обогреваемые помещения.

Основные конструктивные элементы системы отопления (рис.   1.1):

1 —теплоисточник (теплообменник при централизованном  теплоснабжении)—элемент для получения  теплоты;

2—теплопроводы  — элемент     для   переноса   теплоты от теплоисточника к  отопительным приборам;

3—отопительные   приборы — элемент   для  теплопередачи в помещения.

Перенос по теплопроводам  может осуществляться с помощью жидкой или газообразной рабочей среды. Жидкая (вода и другие жидкости) или газообразная (пар, воздух, 
 

Рис. 1.1. Принципиальная схема системы отопления

1- теплообменник  (теплогенератор); 2 - подвод первичного теплоносителя (топлива); 3 — подающий теплопровод; 4 — отопительный прибор; 5 - обратный теплопровод 
 
 

Рис. 1.2. Схема  изменения среднесуточной температуры  наружного воздуха а течение

года в Москве t_n — температура помещении; t1 -минимальная среднесуточная        температура; г _с -продолжительность отопительного сезона 
 

газ) 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 з обогреваемых помещениях при температуре наружного воздуха, называемой расчетной (£_н._р.на рис. 1.2). Расчетная тепловая мощность в течение отопительного сезона должна использоваться частично в зависимости от изменения теплопотерь помещений при текущем значении температуры наружного воздуха (t_ai   на рис.   1.2) и только при  t_{Ki р} — полностью.

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 н количества перемещающегося в системе отопления теплоносителя. Регулироваться должны также затраты топлива в теплоисточнике.

К системе отопления  предъявляются разнообразные требования. Все требования можно разделить  на пять групп:

1  — санитарно-гигиенические  — поддержание заданной температуры  воздуха и внутренней поверхности  ограждений во времени, в плане и по высоте помещений при допустимой подвижности воздуха; ограничение температуры поверхности  отопительных  приборов;

2 — экономические  —- невысокие капитальные вложения с минимальным расходом металла; экономный расход тепловой энергии при эксплуатации;

3 — архитектурно-строительные — соответствие интерьеру помещений, компактность, увязка со строительными конструкциями; согласование со сроком строительства зданий;

4 — производственно-монтажные — минимальное число унифицированных узлов и деталей, механизация их изготовления; сокращение трудовых затрат при монтаже;

5 — эксплуатационные  — эффективность действия в  течение всего периода работы, связанная с надежностью и техническим  совершенством системы.

Деление требований на пять групп условно, так как  в них входят требования, относящиеся как к периоду проектирования и строительства, так и эксплуатации зданий.

Наиболее важны  санитарно-гигиенические и эксплуатационные требования, которые обусловливаются необходимостью поддерживать заданную температуру в помещениях в течение отопительного сезона и всего срока службы системы.

Классификация систем отопления

Системы отопления  по расположению основных элементов подразделяются   на  местные  и  центральные,

В местных Системах для отопления одного помещения  все три основных элемента (см. § 1.1) конструктивно объе-диняются в одной установке, непосредственно в которой происходят получение, перенос и теплопередача в помещение. Теплопереносящая рабочая среда нагревается горячей 
 

Рис. 1.3.   Схема газовоздуш-ного отопительного   агрегата

1 — газовая горелка; 2 -дымоход; 3 — вентилятор; 4 — теплообменник; 5 -теплопроводы — каналы; . 6 -воздушный  фильтр 
 
 

Рис. 1.4. Принципиальная схема районной системы отопления  1 — приготовление  первичного  теплоносителя;   2 — местный  тепловой   пункт; 3 и 5 —* внутренние подающие и обратные теплопроводы; 4 — отопительные приборы; 6 и 7 — наружный подающий и обратный теплопроводы;  5 - циркуляционный насос 
 

водой, паром, электричеством или при сжигании какого-либо  топлива.

Примером местной системы отопления является газовоздушный отопительный агрегат (рис. 1.3). Тепловая энергия, получаемая при сжигании газообразного топлива в горелке, передается в поверхностном теплообменнике теплоносителю воздуху, нагнетаемому вентилятором. Горячий воздух по теплопроводам — каналам (путь указан на рисунке стрелками) выпускается в помещение после очистки в фильтре. Охладившиеся продукты сгорания газа удаляются (пунктирные стрелки)   через дымоход в атмосферу.

В местной системе  отопления с использованием электрической  энергии  теплопередача  может  осуществляться  с помощью жидкого или газообразного теплоносителя либо без него непосредственно через твердую среду.

Центральными  называются системы, предназначенные  для отопления группы помещений  из одного теплового центра. В тепловом центре находятся теплообменники или теплогенераторы (котлы). Они могут размещаться в обогреваемом здании (в местном тепловом пункте или котельной), а также 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 охладившийся теплоноситель отводится), 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 зданий с собственной котельной, принципиальная схема которой не будет отличаться от схемы на рис. 1.1, если отопительные приборы размещены во всех помещениях здания.

Центральная система  отопления называется районной, когда  группа зданий отапливается из отдельно стоящей центральной тепловой станции. Теплообменники и отопительные приборы системы здесь также разделены: теплоноситель (например, вода) нагревается на тепловой'станции, перемещается по наружным и внутренним (внутри зданий) теплопроводам в отдельные помещения каждого здания к отопительным приборам и, охладившись, возвращается на станцию (рис.  1.4).

В современных  системах теплоснабжения гражданских  зданий от ТЭЦ и крупных тепловых станций используются два теплоносителя. Первичный высокотемпературный теплоноситель перемещается от ТЭЦ или станции по городским распределительным теплопроводам к ЦТП (или к отдельным зданиям) и обратно. Вторичный теплоноситель после нагревания в теплообменниках (или смешения с первичным) поступает по наружным (внутриквартальным) и внутренним теплопроводам к отопительным приборам в каждом обогреваемом помещении и затем возвращается в ЦТП.

Первичным теплоносителем обычно служат вода, пар или газообразные продукты сгорания топлива. Если, например, первичная высокотемпературная вода нагревает вторичную воду, то такую центральную систему отопления, строго говоря, следует именовать водо-водяной. Аналогично могут существовать вод овоздушная, пароводяная, паровоздушная, газовоздушная и другие системы центрального отопления.*

По виду основного (вторичного) теплоносителя местные и центральные системы отопления принято называть системами водяного, парового, воздушного  и   газового  отопления.

                 Теплоносители в системамх отопления

Движущаяся среда  в системе отопления — теплоноситель — аккумулирует теплоту и затем передает ее в обогреваемые помещения. Теплоносителем для отопления может быть любая, достаточно подвижная и дешевая, жидкая или газообразная среда, соответствующая требованиям, предъявляемым к системе отопления  (см. §1.1).

Для отопления  зданий и сооружений в настоящее время преимущественно используют, как уже известно, воду, водяной пар, атмосферный воздух, нагретые газы. В северных районах страны применяют воду с добавками во избежание замерзания теплоносителя в трубах (например, 27%-ный раствор  хлористого кальция).

Органические  теплоносители, температура кипения  которых при атмосферном давлении превышает 250 °С (например, жидкое топливо), используются в специальных высокотемпературных установках. Этиленгликоль, как вещество 3-го класса опасности, применяют для отопления только тех сооружений, в которых люди не присутствуют.

Сопоставим основные свойства горячих газов, воды, пара и воздуха, характерные при использовании их в качестве теплоносителей в системах отопления.

Газы, образующиеся при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива, имеют сравнительно высокую

температуру и  применимы для отопления в  тех случаях, когда б соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности приборов. При транспортировании горячих газов имеют место значительные попутные теплопотери (обычно бесполезные для  обогревания  помещений).

Высокотемпературные продукты сгорания топлива можно выпускать непосредственно в помещения или сооружения, но при этом способе отопления ухудшается состояние их воздушной среды, что в большинстве случаев, недопустимо. Удаление же продуктов сгорания наружу по каналам усложняет и понижает КПД системы отопления.

Область использования  горячих газов ограничена отопительными печами, газовыми калориферами и другими местными отопительными установками.

Наибольшее распространение  в качестве теплоносителей в системах отопления имеют вода, пар и  воздух. Они используются многократно и без загрязнения окружающей здания среды.

Вода представляет собой практически несжимаемую  жидкую 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 и выделять 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 (см. § 1.1). По этому показателю преимущество перед другими теплоносителями  имеет воздух. При использовании горячего воздуха — малотеплоинерционного теплоносителя — можно постоянно поддерживать равномерной  температуру каждого отдельного помещения, быстро изменяя температуру подаваемого воздуха, т. е. проводя так называемое эксплуатационное регулирование. 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 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 неравенства теплопередачи приборов при неизменной температуре пара (при постоянном давлении) изменяющимся теплопотерям з течение отопительного сезона, В связи с этим приходится • уменьшать количество подаваемого пара и даже периодически выключать приборы во избежание перегревания помещений   при уменьшении теплопотерь.

Другое санитарно-гигиеническое  требование — ограничение температуры поверхности 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 ^СС, т. е. превышает гигиенический предел. При отоплении горячей водой средняя температура нагревательной поверхности, как правило, ниже, чем при применении пара. Кроме того, температуру воды в системе отопления планомерно понижают для снижения теплопередачи приборов по мере уменьшения 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.

Расход  металла на теплопроводы возрастает с увеличением площади их поперечного сечения. Вычислим соотношение площади поперечного сечения теплопроводов, по которым подаются различные теплоносители для передачи в помещения одинакового количества теплоты. Примем, что для отопления используются вода, температура которой понижается с 150 до 70 °С, пар давлением 0,17 МПа (температура 130 °С) и воздух, охлаждающийся с 60 °С до температуры помещения (например, 15 °С). Результаты расчетов, а также характерные параметры теплоносителей (плотность, теплоемкость воды и воздуха, удельная теплота конденсации пара) сведем в табл. 1.1.  
 
 
 

Видно, что площади поперечных сечений водоводов и паропроводов относительно близки; сечение воздуховодов в сотни раз больше. Это объясняется, с одной стороны, значительной теплоаккумуляционной способностью воды и свойством пара выделять большое количество теплоты при конденсации, с другой стороны — малыми плотностью и теплоемкостью  воздуха.

При сравнении  расхода металла следует также  учесть, что площадь поперечного  сечения труб для отвода конденсата от приборов — конденсатопроводов значительно мень ше площади сечения паропроводов, так как объем конденсата примерно в 1000 раз меньше объема той же массы пара.

Можно сделать  вывод, что расход металла как  на водоводы, так и на паро- и конденсатопроводы будет значительно меньшим, чем на воздуховоды, даже если последние выполнить со значительно более тонкими стенками. Кроме того, при большой длине воздуховодов малотеплоемкий теплоноситель (воздух) сильно охлаждается по пути. Этим объясняется, что при дальнем теплоснабжении в качестве теплоносителя используют не воздух, а воду или пар.

Расход  металла на отопительные приборы, обогреваемые паром, меньше, чем на приборы, нагреваемые горячей водой, вследствие уменьшения площади приборов при более высоких значениях температуры нагревающей их среды. Конденсация пара в приборах происходит без изменения температуры насыщенного пара, а при охлаждении воды в приборах понижается средняя температура (например, до 110 ^СС при температуре воды, входящей в прибор, 150 °С и выходящей из прибора 70 °С). Так как площадь нагревательной поверхности приборов обратно пропорциональна температурному напору, то при температуре пара 130 °С (см. табл. 1.1) площадь паровых приборов приблизительно (считая коэффициенты теплопередачи равными) составит (110—20) : (130-—20)=0,82 площади водяных приборов (20 °С — температура    помещений).

В дополнение к  известным эксплуатационным показателям следует отметить, что из-за высокой плотности воды (больше плотности пара в 600—1500 раз и воздуха в 900 раз) в системах водяного отопления многоэтажных зданий может возникать разрушающее гидростатическое давление. В связи с этим в высотных зданиях в США применяют системы парового   отопления.

Воздух и вода могут перемещаться в теплопроводах  бесшумно (до определенной скорости движения). Частичная конденсация пара вследствие попутных теплопотерь через стенки паропроводов (появление, как говорят, попутного конденсата) вызывает шум (щелчки, стуки и удары) при движении  пара.

В заключение перечислим преимущества и недостатки основных теплоносителей для отопления.

При использовании  воды обеспечивается довольно равномерная температура помещений, можно ограничить тем пературу поверхности отопительных приборов, сокращается по сравнению с другими теплоносителями площадь поперечного сечения труб, достигается бесшумность движения в трубах. 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. 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 не обеспечивает регулирования 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 каналах. Недостатками являются его малая теплоаккумулирующая способность, значительные площадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по длине   воздуховодов.

                     Основные виды систем отопления

В настоящее  время в стране применяют глазным  образом центральные системы водяного и парового отопления, местные и центральные системы воздушного отопления, а также печное отопление. Приведем общую характеристику этих систем (кроме печного отопления) с детальной классификацией на основании рассмотренных свойств, теплоносителей.

1. При водяном  отоплении циркулирующая нагретая  вода охлаждается в отопительных  приборах и возвращается в тепловой центр для последующего нагревания.

Системы водяного отопления по способусоздания циркуляции воды разделяются на системы о  

Рис. 1.5. Принципиальные схемы водяного отопления с естественной циркуляцией

(гравитационная) (а) а с механическим побуждением циркуляции воды (насосная)

(б)  —теплообменник; 2 — подающий теплопровод (Т1); 3 — расширительный бах; 4 ~ отопительный прибор;  5 — обратный теплопровод (Т2); 6 — циркуляционный насос; 7 - устройство для выпуска воздуха из системы 
 

естественной  циркуляцией (гравитационные) и с  механическим побуждением циркуляции воды при помощи насосов (насосные). В гравитационной (лат. gravitas — тяжесть) системе (рис. 1.5, а) используется свойство воды изменять свою плотность при различной температуре. В замкнутой вертикальной системе с неравномерным распределением плотности под действием гравитационного поля Земли возникает естественное движение воды.

В насосной системе (рис. 1.5, б) используется насос с механическим приводом для повышения разности давления, вызывающей циркуляцию, и в системе создается вынужденное  движение  воды.

По температуре  теплоносителя различаются системы низкотемпературные с предельной температурой горячей воды t_r<70 °C, среднетемпературные при t_v от 70 до 100 °С и высокотемпературные при t_v> >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 бывают системы однотрубные и двухтруб-ные. В каждом стояке или ветви однотрубной системы приборы соединяются одной трубой, и вода протекает последовательно через все приборы. Если каждый отопительный прибор, установленный в помещении, разделен на две равные части («а» 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 (дзухпоточной).

В двухтрубной  системе приборы отдельно присоединяются к двум трубам — подающей и обратной, и вода протекает через каждый прибор независимо от других приборов. 2. При паровом отоплении в приборах выделяется теплота фазового превращения в результате конденсации пара. Конденсат удаляется из приборов и возвращается в паровые котлы.

Системы парового отопления по способу возвращения конденсата в паровые котлы разделяются на замкнутые (рис. 1.6, а) с самотечным возвращением конденсата и разомкнутые (рис. 1.6, б) с перекачкой конденсата насосами. В замкнутой системе конденсат непрерывно поступает в I котлы под действием разности давления,     выраженного 

Рис1.6. Принципиальные схемы замкнутой (о) и разомкнутой (б) систем парового отопления

1 — паровой котел с паросборником; 2 — паропровод; 3 — отопительный прибор; 4 и 6 — самотечный и напорный кондеисатопроводы; 5 — воздуховыпускная труба;  7 — конденсатный бак;   S — конденсатный  насос;  9 — парораспределительный коллектор 
 

столбом конденсата высотой h (см. рис. 1.6, а) и давления пара р_п в котлах. Поэтому отопительные приборы должны находиться достаточно высоко над паросборниками котлов (в зависимости от давления пара в них).

Е разомкнутой  системе парового отопления конденсат из отопительных приборов непрерывно поступает в конден-сатиый бак и по мере накопления периодически перекачивается конденсатным насосом в котлы на тепловой станции. В такой системе расположение бака должно обеспечивать стекание конденсата из нижнего отопительного прибора в бак, а давление пара в котлах преодолевается давлением насоса.

В зависимости  от давления пара системы парового отопления подразделяются на субатмосферные, вакуум-паровые, низкого и высокого давления (табл. 1.2)