Отопительные системы зданий: назначение, виды, схемы

Системы водяного отопления. Водяное отопление получило наибольшее распространение в силу своих преимуществ перед другими системами отопления, таких, как высо­кие гигиенические и эксплуатационные показатели, надеж­ность, бесшумность, простота и удобство в эксплуатации, зна­чительный радиус действия по горизонтали; по вертикали радиус действия системы определяется допустимым гидроста­тическим давлением.

Классификация систем водяного отопления осуществляется по следующим признакам:

• по способу создания циркуляции - системы с естественной циркуляцией (гравитационные) и с искусственной циркуля­цией (насосные);

• в зависимости от схемы соединения труб стояков с отопитель­ными приборами - двухтрубные системы (отопительные при­боры по ходу движения вторичного теплоносителя соединяют параллельно) и однотрубные (отопительные приборы по ходу движения теплоносителя соединяют последовательно);
• в зависимости от места прокладки магистральных трубопрово­дов - системы с верхней разводкой, если подающая (горячая) магистраль прокладывается выше нагревательных приборов; и системы с нижней разводкой, когда подающая и обратная ма­гистрали лежат ниже приборов и системы с «опрокинутой» циркуляцией;
• по расположению труб, соединяющих нагревательные прибо­ры, - вертикальные системы, когда приборы присоединяются к вертикальному стояку, и горизонтальные системы, когда приборы присоединяются к горизонтально расположенным трубопроводам;
• по направлению движения воды в подающей и обратной маги­стралях - тупиковые системы, когда имеет место встречное движение горячей и охлажденной воды, и системы с попутным движением воды, когда направления потоков в подающей и обратной магистралях совпадают.

Система водяного отопления представляет собой систему замкнутых контуров.

Воздушные пробки могут нарушать циркуляцию воды в сис­теме отопления. Воздух попадает в систему при заполнении ее теплоносителем, а также может подсасываться водой в процес­се эксплуатации. Количество растворенного воздуха, перехо­дящего в свободное состояние, зависит от температуры и дав­ления теплоносителя в системе. Деаэрация воды (удаление воздуха) не устраняет опасности образования газовых пробок при эксплуатации систем отопления, так как в результате хи­мической реакции с образованием гидрата закиси железа, пре­вращающего в окалину, выделяется водород. Поэтому в систе­мах отопления устанавливают воздухосборники. В гравитаци­онных системах отопления, где скорость воды небольшая, подающую магистраль прокладывают с подъемом к расшири­тельному баку, через который и выпускается воздух (газ), стре­мящийся сосредоточиться в верхней точке системы.

В насосных системах, где расширительный бак закрыт и вынесен за пределы здания, воздух выпускают через специаль­ные воздухосборники, устанавливаемые в наивысших точках системы. При верхней разводке воздух собирается на подаю­щей магистрали перед самым дальним стояком, при нижней - в отопительных приборах, расположенных в верхней части системы, и периодически удаляется в атмосферу с помощью ручных и автоматических воздушных кранов или централизо­ванно через специальную воздушную линию. Расширитель­ный бак и система воздухоудаления обычно размещаются на чердаке.

Особого внимания требует водяное отопление зданий по­вышенной этажности, так как в системе водяного отопления всегда действует гидростатическое давление, которое зависит от высоты столба воды, т.е. от этажности. В зависимости от ра­бочего давления, допустимого для отдельных видов отопитель­ных приборов и арматуры, высота столба воды не должна пре­вышать 55 м при использовании чугунных и стальных радиато­ров и 90 м при использовании конвекторов. Поэтому здания повышенной этажности зонируют по вертикали, т.е. делят на части определенной высоты, между которыми помещаются технические этажи высотой не менее 1,9 м. Высота зоны (55 или 90 м) обусловливается допустимым давлением воды (рабо­чим давлением) в наиболее низко расположенных приборах этой зоны. В пределах одной зоны систему водяного отопления устраивают по независимой схеме, т.е. система имеет собст­венный теплообменник, циркуляционный или подпиточный насосы, расширительный бак. Все это оборудование и магист­ральные трубопроводы размещаются на технических этажах.

В зданиях повышенной этажности чаще всего применяют водяные теплообменники (первичный и вторичный теплоно­сители - вода). Высота здания при водяном отоплении имеет предел 150-160 м. В таком здании могут быть устроены две зо­нальные системы отопления (высотой по 75-80 м) с конвекто­рами или три (высотой по 50-55 м) с радиаторами. В зданиях высотой от 160 до 250 м прибегают к комбинированному отоп­лению: помимо водяного теплообменника для нижних 160 м предусматривают теплообменник для пароводяной зоны выше 160 м. Теплоноситель - пар, отличающийся малым гидроста­тическим давлением, подается в качестве первичного теплоно­сителя на технический этаж под верхней зоной, где оборудует­ся свой тепловой пункт с пароводяным теплообменником.

Системы парового отопления устанавливают во вспомогатель­ных, производственных и бытовых помещениях при непродол­жительном пребывании людей тех промышленных предпри­ятий, где пар производится для технологических нужд. Паровое отопление может устраиваться для обогревания производст­венных помещений, где не выделяются пыль и аэрозоли, где выделяются негорючая и неядовитая пыль, негорючие и не поддерживающие горение газы и пары, где присутствуют зна­чительные влаговыделения, а также для обогревания лестнич­ных клеток, пешеходных переходов, вестибюлей зданий. Во всех случаях применение парового отопления допускается при обосновании (например, при избытке пара, используемого в технологическом процессе производства).

Паровое отопление основано на передаче помещению теп­лоты, выделяющейся в отопительном приборе при конденса­ции в нем насыщенного пара. Массовая теплоемкость пара приблизительно в 500 раз больше, чем воды. В паровой системе отопления различают две среды, перемещающиеся по трубо­проводам, - пар и конденсат и два,вида трубопроводов - паро­проводы и конденсатопроводы. Паропроводы прокладывают от источников пара (котлов) до отопительных приборов, а кон­денсатопроводы - от приборов до котла.

По способу возврата конденсата в котел системы парового отопления делятся на замкнутые, в которых конденсат самоте­ком стекает в котел, и разомкнутые, в которых конденсат само­теком поступает в конденсатный бак, а затем перекачивается насосом в котел.

Конденсатопроводы паровых систем подразделяют на сухие, когда конденсат заполняет не все сечение трубопровода, и мокрые, когда все сечение конденсатопровода заполнено кон­денсатом.

Системы парового отопления по сравнению с водяными имеют некоторые преимущества - меньшие капитальные за­траты на создание системы, меньший расход металла, возмож­ность быстрого нагрева помещения и быстрого отключения, меньшее гидравлическое сопротивление.

Однако эксплуатационные недостатки системы парового отопления настолько существенны, что значительно ограни­чивают область ее применения:

• невозможность регулирования теплоотдачи отопительных приборов путем изменения температуры теплоносителя, т.е. невозможность качественного регулирования;

• постоянно высокая температура (100 °С и более) поверхности теплопроводов и отопительных приборов, что вызывает разло­жение оседающей органической пыли, а также вынуждает уст­раивать перерывы в подаче пара, которые в свою очередь при­водят к колебанию температуры воздуха в помещениях, т.е. к понижению уровня теплового комфорта;
• увеличение теплопотерь паропроводами, когда они проложе­ны в необогреваемых помещениях;
• шум при действии систем, особенно при возобновлении рабо­ты после перерыва;
• сокращение срока службы теплопроводов; при перерывах в по­даче пара теплопроводы заполняются воздухом, что усиливает коррозию их внутренней поверхности.

Вследствие этих недостатков системы парового отопления не применяются в жилых, общественных и административ­но-бытовых зданиях, а также в производственных помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха.

Системы воздушного отопления в качестве теплоносителя ис­пользуют воздух, который, нагреваясь в калорифере до задан­ной температуры за счет первичного теплоносителя - пара, го­рячей воды или газов, подается в отапливаемое помещение и, остывая, отдает свою теплоту. Количество теплоты, получен­ное при остывании воздуха, должно быть равно теплопотерям помещения.

Основным преимуществом воздушного отопления являют­ся высокие санитарно-гигиенические показатели, основными недостатками - значительные размеры воздуховодов, слож­ность регулирования и повышенные требования к герметично­сти здания.

Классификацию систем воздушного отопления осуществля­ют по нескольким признакам:

• по способу побуждения движения теплого воздуха - системы с естественной циркуляцией и механическим побуждением за счет вентилятЬра;

• по месту приготовления воздуха - местные системы, где нагре­вание и подача воздуха производятся непосредственно в отап­ливаемом помещении с помощью отопительных и отопитель­но-вентиляционных агрегатов, и центральные системы, где воздух нагревается в воздухонагревательной установке и по ка­налам подается в одно или несколько помещений;
• по выполняемым функциям - только отопительные, пол­ностью рециркуляционные и системы, совмещенные с венти­ляцией, т.е. с частичной рециркуляцией, или прямоточные, при этом количество наружного воздуха определяется требова­ниями вентиляции;
• по качеству подаваемого воздуха - системы с полной рецирку­ляцией, прямоточные и с частичной рециркуляцией.

В системе с полной рециркуляцией воздух, нагретый в кало­рифере, с помощью вентилятора направляется по вентиляци­онным каналам в помещение, где он, отдавая свою теплоту, компенсирует теплопотери помещения и охлажденный воз­вращается по каналу в отопительный агрегат. Затем воздух вновь нагревается, и описанный процесс повторяется. В цир­кулирующем воздухе постепенно накапливаются вредности, выделяющиеся в помещении, и гигиена помещения ухудшает­ся. Рециркуляционной системе присущи высокая экономич­ность и низкие гигиенические качества. Такое отопление ши­роко используется в школах, административных и общественных зданиях как дежурное, т.е. в нерабочее время, а также в складских, коммунально-бытовых и других помещениях, где нормами не предусматривается вентиляция.

В прямоточной системе наружный воздух из воздухозабор­ной шахты вентилятором прогоняется через калорифер и по каналам подается в помещение. Там он, отдавая свою теплоту, компенсирует теплопотери помещения, ассимилирует выде­ляющиеся в помещении вредности и удаляется через вытяж­ную шахту. Прямоточная система отопления обладает самыми высокими гигиеническими качествами, но характеризуется са­мыми большими потерями тепловой энергии, уходящей вме­сте с отработанным воздухом.

В системе с частичной рециркуляцией в калорифере нагрева­ется смесь наружного и рециркуляционного воздуха. Приточ­ный подогретый воздух по каналам подается в помещение. Там он, отдавая свою теплоту, компенсирует теплопотери помеще­ния, ассимилирует вредности и частично удаляется через вы­тяжную шахту, а оставшаяся часть поступает по каналу на сме­шение с наружным воздухом. Такая система экономически целесообразнее, так как использует теплоту отработанного воздуха, но применение ее ограничено (зависит от вида выде­ляющихся в помещении вредностей). Объем наружного возду­ха определяется требованиями вентиляции.

Система воздушного отопления с рекуперацией теплоты от­работанного воздуха наиболее совершенна в гигиеническом и технико-экономическом отношении.

Системы воздушного отопления рекомендуется совмещать с вентиляцией, если вентиляция работает две или три смены. При остановке технологического оборудования предусматри­вается дежурное отопление, работающее при полной рецирку­ляции.

В центральных системах подача воздуха в помещения мо­жет осуществляться: сосредоточенно и с помощью воздухово­дов.

Отопление с сосредоточенной подачей воздуха получило ши­рокое применение в производственных зданиях больших объе­мов и общественных, таких, как кинотеатры на 300-600 зри­телей, плавательные бассейны, гимнастические, торговые и выставочные залы. При этом способе возможно достижение равномерного распределения температур в помещении, а от­сутствие воздуховодов делает систему экономически выгод­ной. Выпуск воздуха при сосредоточенной подаче осуществля­ется компактными или веерными струями.

Воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией, эконо­мично, так как для отопления используется все оборудование механической системы вентиляции - вентилятор, электродви­гатели, воздуховоды, и только поверхность нагрева калорифе­ров несколько больше, чем для вентиляционной установки.

До настоящего времени воздушное отопление, совмещен­ное с вентиляцией, устанавливается в больших производствен­ных и общественных зданиях, но пока практически не нашло применения в строительстве жилых, гостиничных, админист­ративных зданий, но имеется зарубежный опыт строительства таких зданий.

Комбинированные системы отопления в последнее время широко применяются в зданиях с кратковременным пребыва­нием людей. Они состоят из централизованной водяной части упрощенной конструкции с приборами уменьшенной и одина­ковой мощности, создающей устойчивое «фоновое» отопле­ние, рассчитанное на температуру 5-10 °С, и периодически действующего воздушного отопления для обогрева помеще­ний перед началом работы и вентиляции их во время работы. В настоящее время системами центрального воздушного отопления оборудованы многочисленные здания школ. При вве­дении прерывистого обогревания учебных помещений сокра­тились теплозатраты на отопление зданий.

Воздушно-тепловая завеса в открытом проеме входа являет­ся одним из мероприятий по пресечению холодного воздушно­го потока извне, который возникает при движении людей или транспорта через входные двери и ворота, когда в здание посту­пает холодный наружный воздух, переохлаждая прилегающие помещения.

В проемах ворот промышленных зданий создаются высо­коскоростные воздушные завесы шиберующего типа, ограни­чивающие и даже предотвращающие попадание внутрь холод­ного воздуха.

Во входах гражданских зданий и вспомогательных зданий промышленных предприятий устраивают низкоскоростные (скорость выпуска воздуха не более 5 м/с) воздушно-тепловые завесы смесительного типа, рассчитанные на нагревание хо­лодного воздуха, проникающего снаружи. Завесы предусмат­риваются также во входах в помещения, оборудованных систе­мами кондиционирования воздуха, в помещения со значитель­ным выделением влаги или с близким к входам расположением постоянных рабочих мест.

Воздушно-тепловые завесы применяют: при t_н = -15...-25 °С и проходе через двери в течение 1 ч более 400 человек; при t_н = -25...-45 °С и проходе в 1 ч более 200 человек; при t_н = -45 °С и проходе в 1 ч более 100 человек. Воздушно-тепловая завеса создается рециркуляционной установкой местного или цен­трального воздушного отопления. Внутренний воздух забира­ется обычно из верхней зоны помещения и подогревается до температуры не выше 50 °С.

Воздухопроницание обычного входа можно сократить на 30 % путем замены его обычными двойными дверями с там­буром, в 2 раза - при замене его входом с тройными дверями - в 7-7,5 раза при установке во входе вращающейся (турникетной) двери.

Системы лучистого отопления. Лучистое отопление - способ отопления помещения посредством лучистого теплообмена, источником которого служит поверхность потолка, стен, пола, обогреваемая каким-либо теплоносителем (рисунок ниже). В качест­ве теплоносителя в этих системах обычно используется горячая вода, реже пар или горячий воздух, а также электрические на­греватели, замоноличенные в потолок. При лучистом отопле­нии около 75 % всей теплоты, необходимой для отопления, по­мещение получает лучеиспусканием, а 25 % - конвекцией. Лу­чистое отопление может быть устроено при низкой (от 70 до 250 °С) и высокой (до 900 °С) температуре изучающей поверхно­сти.

Стеновая панель с греющим элементом

Система отопления выполняется:

Перспектива применения электрического отопления не­разрывно связана с необходимостью резкого улучшения тепло­защиты отапливаемых зданий. В странах, где распространено электрическое отопление, с целью теплоизоляции зданий при­меняются высокоэффективные утеплители, пакеты-вклады­ши в строительные конструкции для использования теплоты фазовых превращений, тройное остекление для «утепления» световых проемов, когда термическое сопротивление окна приравнивается к термическому сопротивлению стены.