Системы отопления 1 страница

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ

Система отопления представляет собой комплекс взаимосвязанных элементов, основными из которых, в общем случае, являются: источник теплоты, теплопроводы и отопительные приборы. Передача теплоты от источника теплоты к отопительным приборам осуществляется теплоносителем, циркулирующим по теплопроводам от источника теплоты к отопительным приборам, где отдав теплоту, возвращается к источнику (Рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема системы водяного отопления: τ₀₁, τ₀₂ – температура сетевой воды для систем отопления в подающем и обратном теплопроводах; τ₀₃, τ₀₄ – температура циркулирующей воды на выходе из теплообменника 2 и на входе соответственно; 1 – источник теплоты; 2 – теплообменник; 3 – подающий теплопровод; 4 – обратный теплопровод; 5 – отопительные приборы; 6 – расширительный бак; 7 – устройство для выпуска воздуха; 8 – циркуляционный насос

В зависимости от способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным или лучистым.

К конвективному относят отопление, в котором теплота от отопительных приборов поступает в помещение в результате конвективного теплообмена наружной стенки отопительного прибора с внутренним воздухом помещения. При этом, радиационная (средневзвешенная) температура обращенных к человеку поверхностей окружающих твердых предметов ниже температуры воздуха внутри помещения ( <t ).

Лучистым называют отопление, при котором радиационная (средневзвешенная) температура обращенных к человеку поверхностей окружающих твердых предметов выше температуры воздуха внутри помещения (t < ).

3.1.1 Теплоносители в системах отопления

В качестве теплоносителей в системах отопления используют жидкостные (вода, антифризы) или газообразные (пар, воздух, продукты сгорания природного газа) среды.

Вода представляет собой жидкую среду. Практически несжимаема. Имеет значительную плотность и теплоемкость. Плотность, объем и вязкость изменяются в зависимости от температуры. Температура кипения зависит от давления. Способна сорбировать или выделять растворимые в ней газы при изменении температуры и давления.

При использовании воды в качестве теплоносителя обеспечивается достаточно равномерная температура помещения. Возможно регулирование температуры поверхности отопительных приборов. Сокращается площадь поперечного сечения труб по сравнению с другими теплоносителями и достигается бесшумность движения в теплопроводах. К недостаткам следует отнести следующие: значительный расход металла; значительное гидростатическое давление в системах; тепловая инерционность воды, замедляющая регулирование теплопередачи отопительных приборов.

Антифриз – незамерзающая жидкость, иногда используемая в качестве теплоносителя в суровых зимних условиях. Антифризом являются водные растворы этиленгликоля, пропиленгликоля и других гликолей. Используются также растворы некоторых неорганических солей.

Следует отметить, что антифризы являются достаточно токсичными веществами и требуют особого с ними обращения. Кроме того, его использование в системе отопления может привести к ускорению процессов коррозии, снижению теплообмена, изменению гидравлических характеристик и т.п. В связи с этим, применение антифриза в качестве теплоносителя должно быть обосновано в каждом конкретном случае.

Пар является легкоподвижной средой со сравнительно малой плотностью. Температура и плотность пара зависят от давления. Пар значительно изменяет объем и энтальпию при фазовом превращении. Во время конденсации пара на внутренней поверхности отопительного прибора выделяется теплота конденсации. При этом теплоотдача значительно превышает теплоотдачу при конвективном теплообмене. Однако пар как теплоноситель в системах отопления в большинстве случаев уступает воде. Так как температура поверхности отопительных приборов превышает 100⁰С, происходит возгонка органической пыли, оседающей на эти поверхности, что приводит к выделению в помещение вредных веществ и неприятных запахов.

Воздух является легкоподвижной и легкодоступной средой со сравнительно малыми вязкостью, плотностью и теплоемкостью. При изменении температуры изменяются его плотность и объем. Безопасен в пожарном отношении. Применение воздушных систем позволяет обеспечивать необходимую температуру воздушной среды в помещениях. Однако, из-за низкой удельной теплоемкости и плотности для удовлетворения заданной тепловой нагрузки расход воздуха может быть значительным, что приводит к увеличению сечения каналов воздуховодов, увеличению скорости, повышению гидравлического сопротивления и, следовательно, увеличению расхода электроэнергии. Поэтому, особенно на промышленных предприятиях, систему воздушного отопления совмещают с системами вентиляции и кондиционирования помещений.

Газы, образующиеся при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива, имеют высокую температуру и удельную энтальпию. При транспортировке газа к потребителю имеются значительные тепловые потери. Применяются в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-техническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности отопительных приборов. Высокотемпературные продукты сгорания топлива могут выпускаться непосредственно в помещение или сооружения, но при этом ухудшается состояние их воздушной среды. Кроме того необходимо решать экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды продуктами сгорания вблизи отапливаемых объектов.

В отличие от горячих газов вода, пар, воздух используются многократно в режиме циркуляции и без загрязнения окружающей среды.

В табл. 3.1 представлены сравнительные характеристики основных теплоносителей для систем отопления и соотношения площадей поперечного сечения для теплопроводов при одинаковом количестве теплоты передаваемой в помещение [2]. В расчетах принято, что для отопления используются: вода, температура, температура которой понижается с 150 до 70⁰С; пар с избыточным давлением 0,17 МПа (температура 130⁰С); воздух, охлаждающийся с 60⁰С до 15⁰С.

Таблица 3.1

Параметры	Теплоноситель
вода	пар	воздух
Температура, разность температур, ^ОС	150-70=80		60-15=45
Плотность, кг/м^3		1,5	1,03
Удельная массовая теплоемкость, кДж/(кг∙^ОС)	4,31	1,84	1,0
Удельная теплота конденсации, кДж/кг	-	2 175	-
Количество теплоты для отопления в 1 м^3 теплоносителя, кДж	316 370	3 263	46,4
Скорость движения, м/с	1,5
Соотношение площади поперечного сечения теплопроводов		1,8

3.1.2 Требования к системам отопления

Системы отопления должны удовлетворять различным требованиям: санитарно-гигиеническим; экономическим; строительным; монтажным; эксплуатационным [3].

Санитарно-гигиенические – поддержание заданной температуры воздуха, равномерной по объему рабочей или обслуживаемой зоны. При этом температуры внутренних поверхностей наружных ограждений, нагревательных приборов и технологических установок должны находиться в пределах допустимых.

Экономические – минимизация затрат на сооружение и эксплуатацию систем отопления с учетом расхода металла, затрат труда на изготовление и монтаж оборудования. В связи с этим проводится технико-экономический анализ различных вариантов систем отопления.

Строительные – соответствие архитектурно-планировочному решению помещений. Размещение отопительных элементов должно быть увязано со строительными конструкциями.

Монтажные – унификация деталей и узлов, изготовление элементов систем отопления преимущественно в заводских условиях, минимизация ручного труда.

Эксплуатационные – обеспечение надежности поддержания заданных температур воздуха. Надежность системы отопления обуславливается ее долговечностью, безотказностью, простотой регулирования, управления и ремонта. Кроме того, система отопления должна быть безопасной и бесшумной в эксплуатации, создавать наименьшее загрязнение вредными выбросами окружающей среды.

3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ

Системы отопления можно классифицировать по различным признакам.

В зависимости от числа обслуживаемых объектов, системы отопления делятся на местные и центральные.

Местные системы отопления предназначены для обогрева одного помещения. Все элементы системы отопления находятся внутри обогреваемого помещения. В качестве примеров можно привести следующие: печное отопление; электрическое; водяное, в котором используются – газовый или электрокотел, насос, теплопроводы и отопительные приборы; воздушное с использованием электрокалориферов и т.д.

Центральные системы отопления обеспечивают теплоносителями несколько потребителей теплоты (помещения, здания) из одного центра, где находятся теплогенерирующие установки (котельная, ТЭЦ и т.п.). Произведенная в них теплота по теплопроводам поступает к отопительным приборам потребителей.

По виду теплоносителя делятся на системы водяного, парового, воздушного, электрического и газового инфракрасного (лучистого) обогрева.

В водяных системах отопления используется циркулирующая вода, которая нагревается в теплогенераторе, по теплопроводу поступает к отопительным приборам, где охлаждается, передавая теплоту внутреннему воздуху помещения, и далее возвращается к теплогенератору по обратному теплопроводу.

В паровых системах отопления в качестве теплоносителя используется пар. От источника теплоты (парогенератора) пар по паропроводу поступает к отопительным приборам, где конденсируются, отдавая теплоту фазового перехода. Конденсат под действием гравитационных или побудительных сил возвращается к парогенератору. В парогенераторе происходит парообразование с резким увеличением энтальпии теплоносителя.

В воздушных системах отопления воздух, используемый в системах отопления, нагревается до температуры, обычно не превышающей 60⁰С, в специальных теплообменниках – калориферах. В калориферах для нагрева воздуха могут использоваться: вода, пар, электроэнергия, горячие газы. Системы воздушного отопления при этом соответственно называются водовоздушными, паровоздушными, электровоздушными, газовоздушными.

В панельно-лучистой системе отопления используются специальные панели с температурой стенки, обращенной во внутреннюю область помещения, превышающую температуру воздуха в рабочей или обслуживаемой зоне. Греющие панели – отопительные приборы со сплошной гладкой нагревательной поверхностью, обычно выполняются в виде плиты, в которую заложены трубы для прохода теплоносителя. Греющие панели совместно с теплопроводами образуют систему панельно-лучистого отопления.

3.3. СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ

В настоящее время водяное отопление с искусственным побуждением циркуляции воды при помощи насосов – насосное водяное отопление – получило наибольшее распространение перед другими системами отопления.

Водяное отопление с естественной циркуляцией – гравитационное – применяют сравнительно редко.

Системы водяного отопления имеют гигиенические и технические преимущества перед другими системами отопления. При водяном отоплении (по сравнению с паровым) поддерживается относительно невысокая температура поверхности отопительных приборов и теплопроводов, равномерная температура помещений. Системы водяного отопления обладают большой надежностью, значительным сроком эксплуатации, просты и удобны в обслуживании и ремонте, бесшумны в работе.

В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами системы водяного отопления подразделяются на однотрубные и двухтрубные.

В однотрубных системах отопления отопительные приборы одной ветви присоединяются одной трубой так, что вода последовательно подается к установленным приборам. Основным преимуществом однотрубных систем отопления перед двухтрубными является уменьшение длины и массы труб, унификация отдельных узлов и деталей, меньшие затраты труда и сроки монтажа системы. Однако потери давления в однотрубных стояках и ветвях значительно превышают потери в двухтрубных стояках. При этом устанавливается устойчивый гидравлический режим однотрубных систем – заданное распределение теплоносителя по отопительным приборам сохраняется постоянным в течение всего отопительного периода. Расход труб однотрубной системы составляет 70 – 75% от расхода труб в двухтрубной системе. В табл. 3.2, для примера, представлены сравнения по расходу труб и площади радиаторов в процентном отношении различных систем водяного отопления с верхней разводкой 5-ти этажного жилого здания [2].

Таблица 3.2.

Стояки с двухсторонним присоединением радиаторов	Трубы, %	Площадь радиаторов
длина	масса
Двухтрубные Однотрубные: с замыкающими участками проточные

Однотрубные системы выполняются с верхней и нижней разводкой. Кроме того, они подразделяются в зависимости от способа подключения отопительных приборов на проточные (без замыкающих участков), с замыкающими участками (с осевыми и смещенными) и проточно-регулируемые.

Вертикальная однотрубная система водяного отопления с верхней разводкой. В этой системе теплопровод, подающий нагретый теплоноситель, расположен выше отопительных приборов, обратный теплопровод с охлажденным теплоносителем после отопительных приборов – ниже (рис.3.2). Присоединение отопительных приборов к стоякам осуществляется односторонним или двусторонним. На рис. 3.2 представлена однотрубная система водяного отопления с верхней разводкой с односторонним (стояки СТ.1, СТ.3, СТ.5) и двусторонним (стояки СТ.2, СТ.4) присоединением отопительных приборов.

Рис. 3.2. Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой: 1 – главная магистраль горячей воды; 2 – задвижки; 3 – магистраль горячей воды; 4 – стояки горячей воды; 5 – устройство для выпуска воздуха; 6 – отопительные приборы; 7 – регулирующий кран; 8 – трехходовой кран; 9 – осевой замыкающий участок; 10 – смещённый замыкающий участок; 11 – обходной участок; 12 – обратный трубопровод

Стояк СТ.1 выполнен по проточной схеме. В этой схеме теплоноситель последовательно перетекает из одного отопительного прибора в другой, а регулирующие клапаны у приборов отсутствуют.

Стояк СТ.2 – по схеме с осевыми замыкающими участками – 9, по которым вода в местах присоединения отопительных приборов делится на два потока – один проходит через отопительный прибор, а другой мимо отопительного прибора. У отопительных приборов устанавливаются регулирующие проходные краны.

Стояк СТ.3 – по схеме со смещенными замыкающими участками – 10. Замыкающие постоянно проточные участки с осевым или смещенным от оси расположением могут исполняться с меньшим диаметром по сравнению с диаметром основного трубопровода участка стояка – со «сжимом» и без «сжимов». Как показали исследования, «сжимы» осевых замыкающих участков несущественно изменяют расход теплоносителя через отопительный прибор, тогда как на смещенных замыкающих участках увеличение расхода теплоносителя через отопительный прибор становится более значительным.

Стояки СТ.4, СТ.5 – по проточно-регулируемой схеме присоединения отопительных приборов. Обходные участки – 11 используются периодически для регулирования тепловой нагрузки на отопительные приборы во время эксплуатации. Регулирование распределение расхода теплоносителя через обходные участки и отопительные приборы осуществляется с помощью трехходовых кранов – 8.

Вертикальная однотрубная система водяного отопления с нижней разводкой. В этой системе подающий и обратный теплопроводы расположены ниже отопительных приборов (рис.3.3). В так называемых П – образных стояках используются различные схемы подсоединения отопительных приборов.

Стояк СТ.1 выполнен по проточной схеме.

Стояки СТ.2, СТ. 3 выполнены со смещенными замыкающими участками.

В стояках СТ.4, СТ.5 отопительные приборы подсоединены по проточно-регулируемой схеме. Проточно-регулируемая схема позволяет работать как по проточному режиму, так и по режиму с замыкающими участками переключением трехходового крана – 8.

Рис. 3.3. Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с нижней разводкой и П-образными стояками: 1 – главная магистраль горячей воды; 2 – задвижки; 3 – отопительные приборы; 4 – устройство для выпуска воздуха; 5 – регулирующий кран; 6 – смещённый замыкающий участок; 7 – обходной участок; 8 – трехходовой кран; 9 – обратный трубопровод

Вертикальная двухтрубная система водяного отопления. В двухтрубных системах водяного отопления подвод теплоносителя к отопительным приборам осуществляется по одной трубе, а отводится по другой. На рис. 3.4 представлены схемы двухтрубной системы отопления с верхней разводкой подающей магистрали и с нижней разводкой обеих магистралей с двусторонним подсоединением отопительных приборов.

В двухтрубной системе с верхней разводкой (Рис. 3.4а) горячий теплоноситель из теплового пункта поступает в главный стояк – 4, далее по горизонтальной магистрали, расположенной выше отопительных приборов, распределяется по подающим стоякам – 8 и через проходные краны – 5 поступает к отопительным приборам – 3. Охлажденный теплоноситель после отопительных приборов собирается в обратный стояк – 9 и далее по обратной магистрали – 7 поступает в тепловой пункт. Уклоны горизонтальных магистральных трубопроводов и подводы к отопительным приборам должны обеспечивать свободный выход воздуха к верхним точкам, где устанавливаются устройства для выпуска воздуха. Вертикальные двухтрубные системы водяного отопления также используются в системах отопления с естественной циркуляцией теплоносителя.

В системе с нижней разводкой (Рис. 3.4б) подающие – 1 и обратные – 7 магистрали располагаются ниже отопительных приборов. Движение теплоносителя по подающим стоякам происходит снизу вверх. Удаление воздуха осуществляется через воздушные краны, устанавливаемые на верхних отопительных приборах или на специальных воздушных линиях.

Двухтрубные системы водяного отопление из-за ранее перечисленных недостатков используются реже, чем однотрубные.

Рис. 3.4. Схемы вертикальной двухтрубной системы водного отопления: а – с верхней разводкой подающей магистрали; б – с нижней разводкой обеих магистралей; 1 – подающий теплопровод горячей воды; 2 – задвижки; 3 – отопительные приборы; 4 – главный стояк; 5 – регулирующие краны; 6 – устройство для выпуска воздуха; 7 – обратный трубопровод

Горизонтальные системы водяного отопления. Распространение горизонтальных систем водяного отопления было связано в основном со строительством промышленных и сельскохозяйственных зданий большой протяженностью. В многоэтажных зданиях стояки горизонтальных систем водяного отопления прокладываются в удобных местах, обычно через вспомогательные помещения. Горизонтальные системы водяного отопления, так же как и вертикальные, подразделяются на однотрубные и двухтрубные. На рис. 3.5 представлены схемы горизонтальных систем отопления, где: а, б – однотрубные; в – двухтрубная. Теплообменники к стоякам могут подсоединяться по различным схемам: с замыкающими участками – теплообменники 4; по проточно-регулируемой – теплообменник 5; по проточной – теплообменники 6.

Рис. 3.5. Схемы горизонтальных систем водяного отопления: а, б – однотрубные; в – двухтрубная; 1 – подающий стояк; 2 – обратная магистраль; 3 – замыкающий участок; 4, 5, 6, 7 – отопительные приборы; 8 – проходные краны; 9 – трехходовой кран; 10 – устройство для выпуска воздуха; 11 – подающий трубопровод; 12 – обратный трубопровод

В последнее время, в соответствии с действующими нормативными документами [11], горизонтальные одно и двухтрубные системы водяного отопления получают все более широкое распространение в жилищном и офисном строительстве. Это связано с тем, что горизонтальные системы позволяют боле точно регулировать тепловую нагрузку у потребителя и производить учет потребленной теплоты. К ним относятся и так называемые поквартирные системы отопления – системы с разводкой трубопроводов в пределах одной квартиры, обеспечивающие поддержание заданной температуры воздуха в помещениях этой квартиры [12].

Поквартирные системы отопления, по сравнению с ранее рассмотренными вертикальными системами, имеют следующие преимущества:

· обеспечивают большую гидравлическую устойчивость системы отопления жилого здания;

· повышают уровень комфорта в квартирах за счет обеспечения температуры воздуха в каждом помещении по желанию потребителя;

· обеспечивают возможность учета расхода теплоты в каждой квартире и сокращения его на10-15% при автоматическом или ручном регулировании;

· обеспечивают возможность замены трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры и отопительных приборов в отдельной квартире без нарушения режима эксплуатации систем отопления в других квартирах, возможность проведения наладочных работ и гидростатических испытаний в отдельной квартире.

Системы поквартирного отопления рекомендуется присоединять к тепловым сетям по независимой схеме через теплообменники в центральном тепловом пункте (ЦТП) или индивидуальном тепловом пункте (ИТП) [12].

В зданиях высотой два этажа и более для подачи теплоносителя в квартиры используются двухтрубные системы отопления с нижней или верхней разводкой магистральных трубопроводов, магистральными вертикальными стояками, обслуживающими часть здания или одну секцию. Подающий и обратный вертикальные стояки прокладываются в специальных шахтах общих коридоров, лестничных холлов. В шахтах на каждом этаже предусматриваются встроенные монтажные шкафы, в которых размещаются распределительные поэтажные коллекторы с отводящими трубопроводами для каждой квартиры, запорная арматура, фильтры, балансировочные клапаны, счетчики поквартирного учета теплоты.

Системы поквартирного отопления могут выполняться по различным схемам:

· двухтрубные горизонтальные (тупиковые или попутные) с параллельным подсоединением отопительных приборов (Рис. 3.6). Трубы прокладываются у наружных стен в конструкции пола или в специальных плинтусах-коробах;

· двухтрубные лучевые с индивидуальным подсоединением трубопроводами каждого отопительного прибора к распределительному коллектору квартиры (Рис. 3.7). В пределах одного помещения допускается совместное подсоединение двух отопительных приборов «на сцепке». Соединительные трубопроводы прокладываются в форме петель в конструкции пола или вдоль стен под плинтусами. Система удобна для монтажа, т.к. используются трубопроводы одного диаметра, отсутствуют соединения труб в полу. Кроме того, при прокладке трубопроводов в полу, часть теплоты поступает на нагрев пола и возможно сокращение площади отопительных приборов;

· однотрубные горизонтальные с замыкающими участками и последовательным присоединением отопительных приборов (Рис. 3.8). При этом, значительно сокращается расход труб. Но температура теплоносителя по ходу движения понижается, что приводит к увеличению поверхности отопительных приборов. Расчетная температура теплоносителя, выходящего из последнего отопительного прибора, не должна быть ниже 40⁰С;

· напольные системы отопления с укладкой нагревательных труб в виде змеевиков в конструкции пола. Напольные системы обладают большей инерционностью, чем системы с нагревательными приборами, менее доступны для ремонта и демонтажа. Схемы укладки труб в системах напольного отопления могут быть змеевиковые с одиночной укладкой труб (Рис. 3.9) или с параллельной укладкой (Рис. 3.10). При укладке одиночной трубы обеспечивается более легкий монтаж труб, но при параллельной укладке труб обеспечивается примерно равная температура поверхности пола.

Рис. 3.6. Схема поквартирной двухтрубной горизонтальной системы отопления: 1 – вертикальный стояк; 2 – распределительный коллектор; 3 – отопительные приборы.

В системах поквартирного отопления, как и в традиционных системах отопления, используются отопительные приборы, клапаны, арматура, трубы и другие материалы, разрешенные к применению в строительстве, имеющие сертификаты соответствия РФ.

Рис. 3.7 Схема поквартирной лучевой горизонтальной системы отопления: 1 – вертикальный стояк; 2 – распределительный коллектор; 3 – отопительные приборы; 4 – подающий трубопровод; 5 – обратный трубопровод

Рис. 3.8 Система отопления однотрубная горизонтальная: 1 – вертикальный магистральный стояк; 2 – распределительный коллектор; 3 – отопительный прибор; 4 – подводящий трубопровод

Рис. 3.9. Напольная система отопления с одиночной укладкой труб: 1 – вертикальный стояк; 2 – распределительный коллектор; 3 – нагревательный змеевик; 4 – подающий трубопровод; 5 – обратный трубопровод

Рис. 3.10. Напольная система отопления с параллельной укладкой труб: 1 – вертикальный стояк; 2 – распределительный коллектор; 3 – нагревательный змеевик; 4 – подающий трубопровод; 5 – обратный трубопровод

Поквартирные системы отопления обеспечивают: наиболее комфортные условия проживания благодаря возможности регулирования теплоотдачи отопительных приборов; оплату за конкретное количество потребленной теплоты, что стимулирует более эффективное её использование.

3.4. СИСТЕМЫ ПАРОВОГО ОТОПЛЕНИЯ

В системах парового отопления зданий и сооружений используется водяной пар, свойства которого как теплоносителя, определяются в основном температурой и давлением. При паровом отоплении в отопительных приборах выделяется теплота фазового перехода в результате конденсации пара. Конденсат из отопительных приборов удаляется и возвращается в парогенератор.

В зависимости от давления пара системы подразделяются на системы вакуум-паровые, низкого и высокого давления.

В вакуум-паровых системах пар имеет давление менее 0,1 МПа.

В системах низкого давления – 0,10 ÷ 0,17 МПа.

В системах высокого давления – 0,17 ÷ 0,47 МПа.

Максимальное давление пара ограничивается допустимой температурой отопительных приборов [11].

По способу подачи пара к отопительным приборам системы парового отопления подразделяются на системы с нижней, верхней и средней разводкой, когда паропровод размещается на промежуточном этаже здания.

По способу возврата конденсата в парогенератор системы парового отопления подразделяются на замкнутые и разомкнутые.

Дата добавления: 2015-07-16