Вопрос 1. Назначение, устройство, классификация систем отопления.

Отопление – это искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них тепловых потерь и поддержания температуры воздуха, отвечающей условиям теплового комфорта для людей или требованиям технологического процесса.

Отопление – искусственное нагревание помещения в холодный период года для компенсации тепловых потерь и поддержания нормируемой температуры со средней необеспеченностью 50 ч/год. [п. 3.22 СП 60.13330.2012] (необеспеченность – это отклонение параметров внутреннего воздуха от нормируемых (расчетных), допускаемое СП).

Комплекс технических устройств, обеспечивающих заданный тепловой режим, называется системой отопления.Основными элементами отопительных систем являются генератор теплоты, теплопровод и нагревательные приборы.

Системы отопления классифицируются по ряду признаков.

В зависимости от места размещения генератора теплоты относительно отапливаемого помещения различают системы местного и центрального отопления.

По виду теплоносителя различают системы водяного, парового, и воздушного отопления.

Сравнительная характеристика теплоносителей позволяет правильно выбрать вид теплоносителя (отопления) с учетом экономических, технических и противопожарных требований. Теплоноситель должен быть негорючим, теплоемким, подвижным и дешевым. Наряду с этим он не должен ухудшать санитарных условий в отапливаемых помещениях.

В качестве теплоносителей в системах отопления используются вода, водяной пар, дымовые газы и воздух.

Вода легко подвергается нагреву в широком диапазоне температур, обладает большой теплоемкостью, что позволяет передавать значительные количества теплоты при небольшом ее расходе. В центральных и местных системах отопления производственных, жилых, общественных и административных зданиях чаще используется вода с температурой 60-95 °С, поэтому температура магистральных трубопроводов сравнительно невысока и тепловые потери в системах водяного отопления значительно меньше, чем в системах парового отопления. При теплоносителе «вода» теплоотдача от нагревательных приборов к воздуху помещения может регулироваться из теплового пункта путем изменения температуры воды. Это позволяет при смене климатических условий легко изменять тепловой режим в отапливаемых помещениях.

Основные недостатки воды как теплоносителя заключается в том, что она имеет большую плотность, поэтому при ее перемещении требуются большие затраты энергии, а так же при длительной аварийной остановке системы возможно ее замерзание.

Водяной пар, используемый в системах отопления, в нагревательных приборах конденсируется, выделяя скрытую теплоту парообразования. Высокое теплосодержание пара и малая плотность позволяет передавать на большие расстояния значительные количества теплоты при малых затратах энергии. В системах парового отопления используется водяной пар с температурой 105-130 °С. При одинаковой температуре воды и пара теплоотдача системы парового отопления выше, чем при водяном отоплении.

Однако пар имеет существенные недостатки, значительно ограничивающие область его применения. В отопительных системах парового отопления нагревательные приборы имеют температуру более 100 °С, при которой органическая пыль, осевшая на поверхности приборов, разлагаются и в воздух помещения выделяются продукты разложения (в числе которых и окись углерода). При этом теплоносителе невозможна централизованная регулировка теплоотдачи нагревательных приборов.

Дымовые газы являются теплоносителем в отопительных установках, работающих при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива. Передача теплоты от продуктов горения к воздуху помещения осуществляется путем нагрева конструкций печей или аппаратов. Дымовые газы в отопительных установках имеют температуру от 1300 °С в топливнике до 130 °С на выходе из дымовой трубы. Раскаленные сажистые частицы, содержащиеся в дымовых газах, при отсутствии искрогасителя на дымовой трубе могут быть источником воспламенения сгораемых кровель и других сгораемых предметов.

Воздух имеет малую теплоемкость и плотность, температура его в системах отопления не превышает 70 °С. Подавать воздух на большие расстояния при воздушном отоплении нецелесообразно. Достоинством воздуха как теплоносителя является возможность обеспечивать в отапливаемых помещениях необходимые санитарно-гигиенические условия.

В пожарном отношении вода, пар и воздух с учетом их физических свойств не представляют опасности (известны случаи, когда разрушение трубопровода водяной или паровой системы отопления при пожаре приводило к ликвидации горения). Однако в производственных помещениях могут использоваться вещества, способные в контакте с водой или паром образовывать взрывоопасные смеси, самовозгораться или самовоспламеняться, поэтому для данных помещений применение воды или пара не допускается.

Пожарная опасность отопительных систем обусловлена наличием нагретых поверхностей элементов отопительного оборудования (калориферов, нагревательных приборов, трубопроводов и др.). Так, в системах парового и водяного отопления с насосной рециркуляцией воды температура поверхности нагревательных приборов может превышать 100°С. При этой температуре возможно самовоспламенение таких веществ, как сероуглерод, ацетальдегид и др. Поэтому для помещений, в которых используются данные вещества, температура теплоносителя должна быть ниже температуры самовоспламенения наиболее опасного вещества.

Пожароопасные свойства теплоносителей следует учитывать при разработке мероприятий противопожарной защиты и выбора отопительных систем.

Системы отопления: назначение, устройство, классификация

По виду основного теплоносителя местные и центральные системы отопления принято называть системами:

• системы водяного отопления с применением радиаторов, кон­векторов и стальных панелей — устанавливают преимущест­венно в жилых зданиях, общежитиях, гостиницах, домах отды­ха, школах, административных зданиях, научных, проектных и детских учреждениях, больницах, родильных домах и других лечебных учреждениях, зрелищных предприятиях малой вме­стимости;
• системы воздушного отопления, как правило, совмещенные с вентиляцией, — устанавливают в зданиях спортивных сооруже­ний (бассейны, крытые стадионы, залы), бань, прачечных, предприятий общественного питания, вокзалов, аэропортов, зрелищных предприятий большой вместимости, музеев, выста­вок, производственных помещений различного назначения; о системы парового отопления — применяют в тех же случаях, что и воздушного;
• системы газового и электрического отопления — служат для обогрева производственных неутепленных зданий или поме­щений, а также отдельных рабочих зон;
• комбинированные системы (пароводяные, паровоздушные, водовоздушные, газовоздушные) — используют разные тепло­носители или один теплоноситель, но с разными параметрами.

Системы водяного отопления различают:

• по схеме соединения труб с отопительными приборами — од­нотрубные с последовательным соединением и двухтрубные с параллельным соединением приборов;
• по положению труб, соединяющих отопительные приборы, — вертикальные и горизонтальные;
• по расположению разводящих трубопроводов — с верхней раз­водкой при прокладке подающего трубопровода выше отопи­тельных приборов и с нижней разводкой при прокладке по­дающего и обратного трубопроводов ниже приборов;
• по направлению движения воды в подающем и обратном тру­бопроводе — с тупиковым (встречным) и попутным (в одном направлении) движением;
• при встречном движении воды в двух частях каждого отопи­тельного прибора, последовательно соединенного трубами, система носит название бифилярной (двухпоточной).

Системы парового отопления подразделяют:

• по связи (соединению) с атмосферой — на открытые и закры­тые;
• по способу возврата конденсата в котел или тепловой пункт — с непосредственным возвратом конденсата за счет гидростати­ческого или остаточного давления и с возвратом конденсата насосом;
• по схеме расположения трубопроводов — на вертикальные двухтрубные и горизонтальные однотрубные.

Конденсатопроводы по виду перемещаемой среды и харак­теру работы бывают:

• сухие, частично заполненные конденсатом, а частично возду­хом;
• мокрые, полностью заполненные конденсатом;
• напорные, по которым конденсат перемещается насосом либо за счет гидростатического давления.

Паро- и конденсатопроводы систем парового отопления с радиаторами, конвекторами и другими отопительными прибо­рами, а также систем для производственных нужд должны быть самостоятельными, не связанными с трубопроводами агрега­тов воздушного отопления, вентиляционных камер и горячего водоснабжения.

Вертикальные двухтрубные схемы систем парового отоп­ления монтируют: с верхней разводкой паро- и конденсатопроводов; со средней разводкой паропровода при прокладке его под потолком какого-либо из нижележащих этажей; с нижней разводкой паропровода, если невозможно проложить его под потолком какого-либо из этажей, или при отсутствии чердака.

Системы воздушного отопления разделяют:

• на децентрализованные, где нагрев и циркуляция воздуха в по­мещении осуществляются воздушно-отопительными агрега­тами. Воздух из агрегатов поступает, как правило, выше рабо­чей зоны;
• централизованные, в которых используются вентиляционные камеры, воздух по воздуховодам поступает в приточные возду­хораспределительные устройства, через которые подается в отапливаемое помещение одной или несколькими горизон­тальными компактными струями. Расстояние от места подачи воздуха до возможных препятствий (стенки, перегородки) должно быть не менее удвоенной высоты помещения.

Системы электрического отопления бывают:

• воздушные с нагревом воздуха в электрокалориферах;
• лучистые с применением потолочных электроизлучателей;
• лучисто-конвективные с применением подоконных электро­радиаторов, стеновых электропанелей, а также с закладкой греющего электрического кабеля в бетонный пол.

В системах отопления с использованием энергии Солнца в ка­честве генераторов теплоты используют солнечные панельные коллекторы, устанавливаемые на крыше здания.

Какие виды систем отопления существуют и что лучше

Идея центрального теплоснабжения возникла довольно давно. В 80-м годах 19 столетия с ростом многоэтажного строительства каменных домов она получила широкое развитие, как в России, так и за рубежом.

В начале 20 века появились системы комбинированной выработки тепла и электроэнергии, когда нужно было использовать тепло в процессе производства, к примеру, на сахарных предприятиях и текстильных фабриках.

В это же время появились системы отопления, движение теплоносителя в которых выполняли электрические центробежные насосы.

Дальше развитие систем отопления шло по пути повышения температуры подающего теплоносителя, и к 1955 году в СССР она была принята равной 150 С.

Одновременно с совершенствованием основного централизованного отопления, начался процесс развития индивидуальных систем отопления для частного дома, что было связано с массовой газификацией населенных пунктов.

На протяжении всей истории развития систем отопления появлялись все новые и новые схемы и разводки батарей. Даже в наше время, когда, казалось бы, что все уже придумано, бытовая теплоэнергетика продолжает развиваться, создавая все новые и новые виды систем отопления.

Все узлы любой системы отопления

Начиная с самых первых систем отопления, все последующие в обязательном порядке имели три базовых элемента схемы: источник тепла, система трубопроводов с запорно-предохранительной арматурой и приборы отопления.

В принудительных системах дополнительно устанавливается сетевой насос для циркуляции теплоносителя. По этим базовым элементам осуществляется классификация систем отопления.

Источники тепла — являются сердцем любой системы теплоснабжения. Это может быть ТЭЦ, центральная котельная и внутридомовой котлоагрегат. В последнее время к ним относятся нетрадиционные источники тепловой энергии, например, тепловые насосы и солнечные коллекторы.

Система трубопроводов служит для переноса тепла от источника к приборам отопления. Концепция отопительной системы и ее вид выбирается на стадии проектирования. Системы отопления бывают естественные, когда теплоноситель движется за счет разности температур и принудительные, когда движение греющей воды внутри системы выполняется циркуляционным насосом.

Для защиты, обслуживания и ремонта элементов тепловой схемы, на трубопроводах подающего и обратного теплоносителя устанавливается защитная запорно-регулировочная арматура, а также датчики, терморегуляторы, воздушники и расширительные баки.

Отопительные приборы — устройства, которые передают тепло от горячего теплоносителя в окружающую среду помещения. Они подбираются по мощности, которая должна превышать потери тепла отапливаемого объекта и бывают различных видов: изготавливаются из чугуна, стали и алюминиевых сплавов.

В настоящее время наиболее популярными считаются биметаллические радиаторы, рассчитаны на 25 атм., срок службы которых превышает 25 лет.

Какие виды систем отопления существуют

Классификация систем отопления подразделяет их на автономные и центральные. По теплоносителю подразделяются на паровые, водяные и воздушные. По источнику энергии — газовые, электрические, жидкотопливные или твердотопливные.

По движению теплоносителя группируются на системы с естественной и принудительной циркуляцией. Виды систем отопления многоквартирного дома по схеме разводки систем отопления группируются на систему «Ленинградка», двухтрубные системы отопления, однотрубные системы отопления и лучевые системы.

Водяное

В этих системах тепловую энергию переносит горячий водяной теплоноситель. Он нагревается в источнике отопления и поступает через трубную систему в приборы отопления, имеющих развитую поверхность нагрева.

Подающий теплоноситель через поверхность стен радиаторов передает тепло в окружающее пространство, остывает и возвращается по обратному трубопроводу в отопительный котел.

Классификация систем водяного отопления выполняется по расчетной температуре подающего теплоносителя:

• низкой температурный теплоноситель до 70 С;
• средний от 75 до 100 С ;
• высокий свыше 100 С.

• верхняя, когда подача находится выше радиатора, а обратка ниже;
• нижняя, если обе трубы находятся ниже батареи;
• с опрокинутой циркуляцией, если подача – ниже батареи, а обратка – выше.

В самом простом варианте, отопление производственных помещений может проходить без радиаторов через трубы большого диаметра, собранные в секции. Однако такая система считается менее эффективной, более металлоемкой и трудозатратной, поэтому в жилом домостроении не применяется.

Газовое

Этот вариант отопления дома предполагает использовать энергию от сгорания газового топлива. На данный момент времени это самый дешевый и автоматизированный тип отопления. Он применяется в газифицированных районах.

Источником отопления служит газовый котел настенного или напольного исполнения. Одноконтурный только для отопления. Подогрев воды в таких котлах можно организовать через устройство внешнего бойлера косвенного нагрева.

Для совместного отопления и подготовки горячей воды устанавливают газовые двухконтурные котлы. Газовые котлы имеют возможность работать при 100% режиме автоматизации, в том числе и с дистанционным управлением через современные сети передачи информации: вай-фай, смс и интернет.

Погодозависимая автоматика настраивает температуру внутри помещения в соответствии с температурой наружного воздуха.

К такому типу отопления также можно отнести конвекторное газовое отопление. Устройства внешне напоминают водяные или электрические конвекторы. Различие состоит только в том, что радиаторы отопления запитаны от газового или твердотопливного котла, а газовые конвекторы имеют прямое подключение по газу, система трубопроводов отсутствует.

Тепло передается конвекцией от сгоревшего газа через стенки устройства. С точки зрения КПД это самое эффективное отопительное устройство, в нем отсутствуют потери по длине трубопроводов и снижаются затраты на монтаж. Единственным недостатком является необходимость обустройства дымоотводной системы к каждому конвектору.

Воздушное

Самый древний традиционный вид нагрева. Он исходит от традиционной русской печи. Для развитой системы воздушного отопления необходима установка большого количества воздуховодов и нагреваемых стен, которые будут передавать тепло от дымовых газов окружающему воздуху.

Преимущество — большая аккумуляционная способность такой системы, стены нагретые до температуры 60-100 С, остывают очень медленно, практически такой источник нагрева топится один раз в сутки.

Классификация систем воздушного отопления:

• центрального отопления с применением системы воздуховодов;
• местные, действующие в зоне установки.

Поскольку, воздушный теплоноситель считается отличной контролируемой средой, воздушные системы сегодня приобрели новую жизнь.

Подобное инженерное решение способно быть представлено, например, как сплит-система кондиционера с внутренним и наружным блоками, работающая в режиме отопления.

Электрическое

При огромной эффективности такого вида отопления, КПД которого стремится к предельным 98-99 % этот вид нагрева домов остается самым дорогим из-за стоимости электрической энергии. Современные источники электрического отопления весьма разнообразны от стационарных установок в виде отопительных котлов до мобильных калориферов.

Наиболее популярной является схема водяного отопления с электрокотлом и циркуляционным насосом. В силу особенностей электронагрева такая система может быть только закрытого типа и должна оборудоваться расширительным баком мембранного типа.

Электроотопление имеет 100 % автоматизацию тепловых процессов, в том числе и с удаленным режимом управления и оборудуется погодозависимой автоматической системой.

Инфракрасный пол

Инфракрасный пол относится к электрическому обогреву, может включаться от розетки или блока управления, который настраивает позонный температурный режим в доме.

Система изготавливается в форме ламинированных панелей, с внутренним расположением нагревательных элементов в виде полосы. В них впаяны углеродистые пластины, излучающие инфракрасный спектр при прохождении электроэнергии.

В отличие от водяного теплого пола этот вид обогрева менее трудоемкий при установке не поднимает уровень, при этом он обеспечивает наиболее быстрый и качественный нагрев. Кроме того по мере необходимости такую систему нагрева легко демонтировать и перенести в нужное помещение.

Тепловые насосы и геотермальные установки

Грамотное использование температуры земной поверхности для нагрева домов несправедливо недооценивается в России, хотя западноевропейские пользователи с успехом применяют такую практику.

Геотермальное теплоснабжение – это безграничный и почти бесплатный ресурс, позволяющий обеспечить дом всеми видами теплоснабжения: отопление, вентиляция и горячего водоснабжения. При этом не имеет значение объем услуг, время года, температура наружного воздуха и место проживания.

Современные инновационные технологии способны аккумулировать неиссякаемое тепло земли. При высоких затратах на монтаж такого оборудования и низкой себестоимости единицы выработанной тепловой энергии, срок окупаемости геотермального отопления составляют 5-6 лет, что вполне соответствуют мировым показателям в энергетике.

Солнечные коллекторы

Еще один современный вид отопления, набирающий объемы в установке автономных систем теплоснабжения. И если такой вариант подготовки ГВС применялся с незапамятных времен, например при установке летнего душа.

То для систем отопления энергия солнца используется сравнительно недавно. Этому поспособствовал выход на промышленный уровень производства недорогих солнечных батарей, устанавливаемых на крышах домов. При солнечном свете в них производится электричество, поступающее в систему отопления.

Устройства устанавливаются под углом максимального поглощения солнечных лучей. В системе устанавливаются аккумуляторные батареи которые накапливают электрический заряд и передают его системе отопления в ночное время.

Срок окупаемости таких систем примерно равен системам с тепловыми насосами, но затраты все же выше, а межремонтный период, когда потребуется полная замена аккумуляторов остается небольшим всего лишь 2 года. Эти обстоятельства сдерживают широкое распространение солнечных систем в бытовой теплоэнергетике.

Комбинированное отопление

К комбинированному отоплению относятся системы, которые одновременно включают в себя два и более различных источников: газ-электро, газ-твердое топливо, газ-тепловые насосы, тепловые насосы-солнечные коллекторы и так далее.

Подобное сочетание разнообразных источников тепловой энергии дает возможность осуществить автономное отопление индивидуального коттеджа с высоким уровнем защиты, не зависящим от одного источника энергии.

Комбинированная схема способна выбрать тепловой режим, который обеспечит самую низкую стоимость единицы тепла, а также позволит использовать сбросное тепло для дополнительного нагрева воды в системе ГВС.

Промышленные отопительные системы

Выполнение производственных процессов предполагает поддержание необходимого температурного режима внутри помещений особенно в осенне-зимний период. Чаще всего на производстве устанавливается паровое отопление.

Классификация систем парового отопления выполняется по давлению пара:

• низкого давления 0,7 атм.;
• высокого давления выше 0,7 атм.

Проектные разработки при возведении инженерных систем промзданий находятся в зависимости от специфики такого производства, в связи с чем существенную роль в данном процессе выполняет анализ тепловых выбросов в процессе производства, для последующего его использования в системе отопления в качестве вторичных источников энергии.

Затраты на обогрев промпомещений относятся к себестоимости выпускаемой продукции. Рынок требует низких цен, в связи, с чем в промышленном обогреве помещений остро стоит проблема энергосбережения.

Типы отопления по способу циркуляции теплоносителя

Эффективная передача тепла в помещение в водяных системах отопления напрямую зависит от скорости движения теплоносителя во внутреннем отопительном контуре.

Для небольших отапливаемых объектов, необходимую скорость движения горячей воды можно обеспечить с помощью естественной циркуляции, а для более крупных объектов со сложными многоуровневыми контурами нагрева, скорость теплоносителя достигается путем применения электрического центробежного насоса.

Естественная циркуляция

Эти системы правильнее называть гравитационными. Поскольку нагреваемая вода поднимается по вертикальной трубе, под воздействием гравитационного эффекта, вызванного разностью температур теплоносителя и, следовательно, различной плотностью жидкости, создающей напор. Данная труба считается подающим стояком.

Дальше теплоноситель движется по подающему трубопроводу к отопительным приборам. В которых тепло передается окружающему воздуху и благодаря конвекции распространяется по комнате. Вода остывает и по обратному трубопроводу возвращается в котлоагрегат.

Ее плотность увеличивается, создается напор, вытесняющий нагретую воду из котла в подающий трубопровод для следующего цикла нагрева.

Принудительная циркуляция

Это современные эффективные системы отопления способные отапливать дом любой этажности и площади с многоуровневыми контурами отопления зданий, работающие с разными режимами нагрева, например, традиционная радиаторная система с вариантом «теплый пол».
Обвязку трубопроводов, возможно, выполнить трубами небольшого диаметра, которые располагают под любым углом и в любом месте исходя из принятого дизайна и габаритов комнат.

Преимущество данных систем объясняется высоким уровнем регулирования, способным обеспечить индивидуальный режим нагрева для каждого помещения в разрезе суток и отопительных месяцев.

Существует всего один недостаток этого варианта отопления — он относится к энергозависимым, поэтому для обеспечения бесперебойности необходимо предусмотреть аварийный источник электрической энергии, который, скорее всего, понадобится и котлоагрегату.

Какая система теплоснабжения лучше

Этот вопрос будет, прежде всего зависеть от бюджета, который способен выделить собственник на организацию системы отопления. Немаловажное значение имеет доступность топлива, климатический район строительства и состояние теплоизоляции стен дома.

Если анализировать систему теплоснабжения для центрального района России для многоуровневого жилого дома от 200 до 300 м2, когда владелец не обременен средствами, то наиболее перспективные варианты теплоснабжения будут распределяться следующим образом:

1. Тепловой насос.
2. Газовые котлы.
3. Твердотопливные котлы.
4. Теплый пол.
5. Электрические котлы.

В любом случае перед выбором системы отопления в частном доме, собственнику потребуется обратиться к специалистам, чтобы они могли оценить все теплозначимые факторы объекта отопления, чтобы обеспечить долговременную работу теплосетевого оборудования с низкой себестоимостью тепловой энергии.

Тем не менее, по большинству технико-экономический показателей тепловой насос и геотермальные установки — лучшее направление в развитии систем отопления.