Отопление и виды систем отопления

1.Основные элементы систем отопления

Отопление представляет собой процесс принудительной подачи тепла в помещения, обеспечивающий поддержание необходимого теплового режима.

Система отопления — это совокупность функционально связанных компонентов, обеспечивающих выработку, транспортировку и отдачу тепловой энергии.
В ее составе выделяют три ключевых элемента:

Источники тепла (теплогенераторы) — отвечают за производство тепла;

Тепловые сети (теплопроводы) — служат для перемещения теплоносителя;

Нагревательные приборы — обеспечивают теплообмен между системой и воздухом в помещении.
Перенос энергии осуществляется посредством теплоносителя, который может находиться в жидкой, газообразной или парообразной фазе.

2. Коэффициент обеспеченности.

Расчетная температура наружного воздуха, используемая для определения параметров отопительной системы, принимается как средняя температура самых холодных пятидневок, наблюдавшихся подряд за последние 30–50 лет в конкретном регионе. При такой температуре теплопотери здания достигают максимума, соответственно, требуется максимальная тепловая мощность. Если система отопления рассчитана на условия наиболее сурового периода, она будет эффективно работать и в более теплое время.

Однако фактическая температура может опускаться ниже расчетной. В такие периоды отопительная система не сможет полностью обеспечивать комфортные условия в помещениях. Именно для учета таких ситуаций вводится коэффициент обеспеченности (Коб). Он показывает, какую долю времени (в долях единицы или процентах) система способна поддерживать требуемые параметры. Например, Коб = 0,9 (90 %) означает, что на протяжении отопительного сезона в 90 % времени обеспечивается комфорт, а в оставшиеся 10 %, когда наступает похолодание ниже расчетного уровня, система уже не справляется. В России для проектирования отопления принято значение Коб = 0,92 (92 %).

3.Классификация систем по способу прокладки магистралей

В зависимости от расположения магистральных трубопроводов различают три типа систем:

• с верхней разводкой;
• с нижней разводкой;
• с опрокинутой циркуляцией.

При верхней разводке подающий трубопровод (Т1) прокладывается по чердачному помещению либо под потолком верхнего этажа, а обратный (Т2) размещается в нижней части здания — в подвале или по полу нижнего этажа.

При нижней разводке оба трубопровода (подающий и обратный) прокладываются в нижней части здания.

Система с опрокинутой циркуляцией

Опрокинутая циркуляция характеризуется нижним расположением подающей магистрали и верхним — обратной. Такое решение чаще всего применяется в высотных зданиях (от 10 этажей и выше).

В многоэтажных домах инфильтрация холодного воздуха распределена неравномерно по высоте: на нижних этажах она значительно выше, чем на верхних. Соответственно, различаются и теплопотери. По мере подъема теплоносителя его температура снижается, что компенсирует уменьшение теплопотерь. Благодаря этому достигается более равномерное распределение тепловой энергии по всей высоте здания.

4. Однотрубные и двухтрубные системы

В двухтрубной системе все отопительные приборы в пределах стояка получают теплоноситель с одинаковой температурой. Это достигается за счет параллельного подключения приборов к подающему и обратному стоякам.

В однотрубной системе теплоноситель движется через отопительные приборы последовательно, постепенно остывая в каждом из них. Таким образом, самый горячий теплоноситель попадает в первый по ходу движения прибор, а самый холодный — в последний.

В двухтрубных системах существенное влияние оказывает естественное (гравитационное) давление. На верхних этажах оно значительно выше, чем на нижних. Например, в девятиэтажном доме естественное давление для первого этажа составляет около 235 Па, а для девятого — примерно 4000 Па. Это приводит к неравномерному распределению теплоносителя по радиаторам на разных этажах и, как следствие, к неравномерной теплоотдаче.

Для устранения этого явления раньше на подводках к приборам устанавливали краны двойной регулировки с повышенным гидравлическим сопротивлением. С их помощью выполняли настройку системы при пуске. В настоящее время проблема неравномерности давления решается установкой терморегулятора на подводке, поскольку терморегулятор также обладает большим гидравлическим сопротивлением.

Если терморегуляторы на приборах не предусмотрены, применение двухтрубных систем в многоэтажных зданиях не рекомендуется: при верхней разводке — не более двух этажей, при нижней — не более пяти. К недостаткам двухтрубных систем можно отнести более высокий расход материалов и трудоемкость монтажа.

В отличие от двухтрубных, однотрубные системы унифицированы и собираются из одинаковых элементов, что упрощает их изготовление и установку. Они более устойчивы в гидравлическом и тепловом отношении. Однако в однотрубной системе температура теплоносителя последовательно снижается при движении по стояку, что может потребовать увеличения площади отопительных приборов.

5. Тупиковая и попутная системы отопления.

В тупиковой системе теплоноситель в подающей и обратной магистралях движется в противоположных направлениях.

В попутной схеме вода движется по магистралям в одном направлении.

6. Бифилярная система отопления

Бифилярной называют систему, в которой теплоноситель поступает в отопительные приборы двумя встречными потоками. Благодаря такой схеме средняя температура воды в обоих трубопроводах остается постоянной на любом участке.

Средняя температура теплоносителя в обоих трубопроводах в любой точке бифилярной системы определяется как среднее арифметическое: (Т1 + Т2) / 2.

С точки зрения гидравлики такая система относится к проточным однотрубным. Индивидуальная регулировка каждого отопительного прибора в этой схеме невозможна, поскольку приборы соединены последовательно.

Такая система применяется при устройстве панельно-лучистого отопления, в производственных и сельскохозяйственных зданиях, а также в крупных торговых центрах с обширными помещениями.

К основным достоинствам бифилярной системы относятся:

• наивысшая среди известных схем тепловая и гидравлическая устойчивость;
• высокая механическая прочность;
• удобство монтажа и технологичность заготовительных работ;
• совместимость с крупнопанельным домостроением;
• отличные экономические показатели за счет малого расхода труб.

7. Главный стояк системы отопления

Главным стояком (ГС) системы отопления называется вертикальный трубопровод, который подает теплоноситель на чердак при верхней разводке. В системах с нижней разводкой главный стояк не предусматривается.

Замыкающий стояк в системах отопления

Существует три варианта присоединения отопительного прибора к стояку однотрубной системы:

Проточная схема:

С осевым замыкающим осевым участком:

Со смещенным замыкающим участком:

• Замыкающий участок — это отрезок трубопровода, расположенный между верхней и нижней подводками отопительного прибора. Он предназначен для регулирования расхода теплоносителя, поступающего в прибор.
• В проточной схеме весь объем воды, движущейся по стояку, проходит через каждый прибор. В схемах же с замыкающим участком через прибор проходит лишь часть теплоносителя, а его количество можно регулировать с помощью установленной запорной арматуры.

8. Коэффициент затекания

Расход теплоносителя через стояк Gст складывается из суммарного расхода через прибор Gпр и замыкающий участок Gз.у.

Gст = Gпр + Gз.у.

Коэффициент затекания α — это отношение количества воды, протекающей через отопительный прибор, к воде, движущейся по стояку.

α=Gпр/Gcn

9. Горизонтальные системы отопления

Горизонтальные системы отопления бывают однотрубными и двухтрубными. В этой системе нагревательные приборы объединены горизонтальными трубами — ветвями на каждом этаже здания.

Горизонтальные системы отопления преимущественно используют в малоэтажных зданиях большой протяженности, а также в объектах, где нежелательно нарушать целостность межэтажных перекрытий. Такое решение оправдано в случаях, когда разные этажи принадлежат разным потребителям, что позволяет упростить поквартирный учет тепла.

В настоящее время горизонтальные системы находят применение и в многоэтажных зданиях — как гражданского, так и производственного назначения.

В панельно-каркасных зданиях с большой длиной и широким шагом колонн применение вертикальных систем со стояками затруднено. Кроме того, ленточное остекление требует цепочечного расположения отопительных приборов, иначе потоки холодного воздуха от окон создают дискомфорт.

Если в приборах используется высокотемпературная вода, целесообразно применять схему с последовательным соединением этажей. В этом случае исключается риск вскипания воды в верхней части системы, так как высокотемпературный участок находится под повышенным гидростатическим давлением.

К достоинствам горизонтальной системы относятся сокращение количества стояков и уменьшение протяженности трубопроводов. Стояки, как правило, прокладывают во вспомогательных помещениях здания.

К недостаткам системы с параллельным соединением этажей можно отнести ограниченные возможности регулирования теплоподачи: для конвекторов с кожухом регулировка выполняется воздушными клапанами, а для остальных типов приборов — общим вентилем на всю ветку. При этом горизонтальные системы проще в монтаже по сравнению с вертикальными.

10. Конструкции двухтрубных стояков

В столбовых схемах подающий и обратный стояки прокладываются рядом, а в цепочечных — раздельно. На практике чаще всего применяются столбовые схемы.

11. тепловая мощность систем отопления.

Тепловая мощность системы отопления — это количество теплоты, которое система должна передать зданию в расчетных условиях в течение одного часа. Для ее определения рассчитывают теплопотери каждого помещения, после чего суммируют их с учетом поправочных коэффициентов:

Q=∑Q1⋅β1⋅β2Q=∑Q1​⋅β1​⋅β2​

где:

• ∑Q1∑Q1​ — суммарные теплопотери всех помещений;
• β1β1​ — коэффициент, учитывающий дополнительный тепловой поток от отопительных приборов из-за округления их мощности сверх расчетной;
• β2β2​ — коэффициент, учитывающий дополнительные теплопотери от приборов, размещенных у наружных ограждений.

Коэффициенты β1β1​ и β2β2​ принимаются по справочным данным.

12. Температура в системах отопления

Температура теплоносителя в системе отопления не является постоянной величиной — она изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха, чтобы поддерживать в зданиях комфортные условия. На ТЭЦ, централизованных и ведомственных котельных утверждаются отопительные графики, которые устанавливают зависимость температуры теплоносителя от наружной температуры. Такие графики могут оформляться в виде таблиц или отопительных кривых.

На графике представлен ряд отопительных кривых, обозначенных номерами от 0,2 до 3,4. При настройке системы отопления выбирается только одна кривая, номер которой вносится в регулятор автоматики. В дальнейшем автоматика поддерживает температуру теплоносителя в соответствии с выбранной кривой. Как видно из примера, для кривой 1,2 при уличной температуре -25°С температура теплоносителя составит 70 °С. Выбор номера кривой зависит от проектных характеристик здания: теплопотерь, климатической зоны и других факторов.

13. Подключение систем отопления к тепловым сетям

На практике применяются две принципиально отличающиеся схемы присоединения систем отопления к тепловым сетям:

• Зависимая схема. Вода из тепловой сети поступает непосредственно в отопительные приборы. При этом возможно как непосредственное подключение, так и использование смесительной установки.
• Независимая схема. Вода из тепловой сети проходит через теплообменник, где нагревает вторичный теплоноситель, циркулирующий в системе отопления.

Зависимое подключение может выполняться по одной из трех схем:

Прямоточная схема

1. Прямоточная схема

Прямоточная схема применяется в случаях, когда в систему отопления возможно подать высокотемпературную воду под значительным давлением. При этом температура и давление в системе соответствуют параметрам тепловой сети. Это позволяет уменьшить площадь отопительных приборов и сократить диаметры труб.

Недостатки такого подключения:

• отсутствие возможности регулирования температуры на входе в систему;
• ограничение по высоте зданий, в которых используется эта схема, из-за риска вскипания воды при снижении гидростатического давления.

2. Схема со смешением воды при помощи водоструйного элеватора

Используется в тех случаях, когда требуется снизить температуру воды, поступающей из тепловой сети в систему отопления. Такое решение отличается простотой и низкой стоимостью, а также не нуждается в регулярном обслуживании.

Недостатки:

• постоянный коэффициент смешения, что делает невозможным качественное регулирование;
• значительное снижение перепада давлений между подающим и обратным трубопроводом после элеватора.

3. Схема со смесительным насосом

Обеспечивает плавное регулирование коэффициента смешения и позволяет реализовать качественное автоматическое управление. Кроме того, данная схема работоспособна при крайне малом перепаде давления на вводе в здание, когда применение элеватора невозможно.

Недостатки:

• зависимость от электроснабжения;
• необходимость в обслуживающем персонале;
• требуется установка резервного насоса.

4. Независимая схема

Применяется в случаях, когда гидростатическое давление на вводе тепловой сети в тепловой пункт здания оказывается недостаточным или, наоборот, избыточным для нормальной работы системы отопления.