Системы водяного отопления – принцип работы

Среди жизнеобеспечивающих инженерных систем современных жилых и производственных зданий системы водяного отопления занимают особое положение. Они отличаются по конструктивным особенностям их исполнения, архитектурно-строительным требованиям размещения и эксплуатации, технологическим признакам. Кроме этого, они должны отвечать и определенным санитарно-гигиеническим требованиям. Все вместе они формируют конкретные, специфические требования к устройству, эксплуатации и содержанию отопительных систем и устройств.

Системы водяного отопления – классификация

Системы водяного отопления современных зданий классифицируют по следующим признакам.

1. По институциональным признакам:

• по назначению: для гражданских объектов (жилых и общественных зданий); производственных (промышленных, сельскохозяйственных); специального назначения (транспортных средств, военных и др. объектов);
• по формам собственности: государственная, коллективная, частная;
• по способу обслуживания: коммунальное обслуживание, самообслуживание, смешанное обслуживание.

2. По технологическим требованиям:

• соответствие требованиям термодинамики;
• нормам надежности и безопасности устройства и функционирования.

3. По требованиям архитектурно-строительных норм, правил и
стандартов:

• по методам тепловых и гидравлических расчетов;
• по конструктивным признакам: по способу циркуляции теплоносителя (естественная и принудительная циркуляция); по месту размещения разводки (верхняя и нижняя разводящая магистраль); по способу подводки разводки к отопительным стоякам (с тупиковым или с попутным движением воды, коллекторные); по конструктивным особенностям стояков и схеме монтажа к ним отопительных приборов (однотрубные и двухтрубные системы, вертикальные, горизонтальные); по типу используемых трубопроводов (металлические, неметаллические); по виду теплоносителей (вода, антифризы);
• по мощности и типу теплогенераторов и источников теплоты, способу присоединения: местные теплогенераторы на углеродном топливе и электричестве (котлы квартирные, домовые, крышные, блочные) мощностью до 3,0 МВт; централизованные источники теплоты (подающие ее в системы отопления от АЭС, ТЭЦ, КЭС, РТС, КТС через тепловые сети и местные или центральные тепловые пункты) мощностью свыше 3,0 МВт; теплогенераторы на нетрадиционных (возобновляемых) источниках теплоты; по гидравлической связи с централизованным источником теплоты (непосредственное присоединение, гидравлически изолированное); по способу присоединения систем отопления в тепловом пункте (4 варианта основных схем);
• по способу автоматизации и учета потребленной теплоты
• по определенным санитарно-гигиеническим требованиям.

Основные элементы и технологические особенности водяных систем отопления

Главной принципиальной технологической особенностью водяных систем отопления, в отличие от однопоточных (однотрубных) систем водопровода, газоснабжения и водоотведения, является то, что в соответствии с законами термодинамики системы водяного отопления могут быть циркуляционными, двухпоточными, двухтрубными.

К основным элементам системы отопления относятся: теплогенератор (котел отопления), теплоноситель (вода или антифриз), подающие и обратные магистрали трубопроводов, циркуляционный насос (если система с принудительной циркуляцией теплоносителя), группа безопасности, расширительный бак и отопительные приборы (радиаторы).

Системы отопления – принцип работы

Принцип работы системы отопления сводится к тому, что нагретый в теплогенераторе (отопительном котле) теплоноситель насосом подается к отопительным приборам здания по подающим трубопроводам с температурой t₁ ºС. В топительных приборах происходит отдача теплоты и охлаждение теплоносителя, и соответственно понижение его температурного потенциала (теплосодержание). Охлажденный до температуры t2, °C, он поступает в обратные трубопроводы, по которым снова возвращается в исходное положение – в теплогенератор для последующего нагрева.

Таким образом, в системах отопления постоянно совершаются тепловые циклы – круговорот теплоносителя в количестве G, кг/ч, и выполняется полезная работа системы по отоплению помещения на температурном перепаде t1 – t2, °C, теплотой в количестве Q, Дж/ч.

Как известно, каждый теплоноситель обладает своей теплоемкостью с, Дж/(кг -°С). Вода имеет теплоемкость с = 4,19 кДж/(кг -°С), это означает, что для нагрева 1 кг воды на 1 °С необходимо затратить 4,19 кДж теплоты . Зная величины G, t1, t2, с, можно определить количество теплоты Qnp, отданное теплоносителем в приборах отопления обогреваемых помещение за один час или за какой-то период времени z, ч, по формулам:

Qпр = G -с (t1 – t2), Дж/ч (1)
Qпр = G -с (t1 -t2) -z, Дж. (2)

При этом, для поддержания постоянной температуры воздуха внутри помещения t_помп = Const, это количество теплоты Q_пр должно соответствовать потерям теплоты помещением (зданием) – Q_пом, равной сумме тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции помещения (наружные стены, двери и окна, полы и потолки), называемые трансмиссионными – Q_трансм, и расходам теплоты на подогрев поступающего наружного вентиляционного воздуха – Q_вент, а в производственных зданиях, кроме этого, и на нагрев технологических материалов и изделий – Q_техн, ввозимых с улицы.

Должен соблюдаться тепловой баланс:

В последние годы стали учитывать также и внутренние теплопоступления – тепловыделения: от находящихся в помещениях людей, от бытовых электрических и варочных приборов, от технологических аппаратов, от готовой продукции и изделий, от солнечной радиации и др. Эти тепловыделения Q_твн, Дж/ч, уменьшают потребность помещения (здания) в теплоте, которую оно должно получить от системы отопления. Тепловой баланс помещения с учетом внутренних тепловыделений будет выглядеть следующим образом:

Q_пом =Q_пр = Q_трансм + Q_вент + О_техн – Q_твн, Дж/ч (4)

Для эффективного заполнения системы водяного отопления теплоносителем (обычно водой) и удерживания циркуляционного кольца в заполненном состоянии, а также для опорожнения системы необходимо наличие еще трех обязательных элементов – подпиточного устройства (насоса), устройства спуска и расширительного бака.

С помощью устройства подпитки вся система, включающая источник теплоснабжения, циркуляционный насос, подающие и обратные магистрали трубопроводов (подача и обратка), все расположенные в помещении приборы отопления, а также расширительный бак, медленно (через обратную линию) заполняются теплоносителем (водой). В процессе заполнения или подпитке системы теплоноситель вытесняет воздух из внутренних полостей трубопроводов и отопительных приборов вверх, в расширительный бак или в специальные, так называемые воздушники. В некоторых П-образных системах отопления воздушники (краны Маевского) устанавливают в верхних заглушках отопительных приборов.

Если воздух из системы не удалось полностью удалить, то образуются воздушные пробки, которые разрывают поток теплоносителя в трубопроводах и приборах отопления и препятствующие циркуляции его в системе. Нередко встречаются случаи аварийного выхода из строя систем из-за нарушения режима циркуляции (перегрева теплоносителя из-за воздушных пробок). Для эффективного воздухоудаления подающие магистрали трубопроводов устанавливают с небольшим уклоном (i = 0,010) в направлении от главного стояка в сторону приборов отопления, а трубопроводы выполняющие обратную подачу – с тем же уклоном от приборов отопления в сторону источника отопления (теплогенератора) к спускному крану.

При нагреве теплоносителя из него в виде пузырьков выделяются растворенные в холодной воде газы – кислород, азот и углекислый газ, которые таким же образом (через расширительный бак или воздушники) удаляются из системы при эксплуатации ее.

Прокладка разводящих трубопроводов с уклоном позволяет также быстро удалять теплоноситель в случаях опорожнения их для ремонтных целей, предотвращает «зависание» теплоносителя в трубах.

Расширительный бак объемом V (м3) монтируется в самой верхней точке системы (как правило это чердачное помещение), и обязательно утепляется. Он является своеобразным буфером системы отопления, и своим объемом позволяет компенсировать изменение объема циркулирующего теплоносителя – увеличения при нагреве и уменьшения при охлаждении, а также возмещать небольшую потерю его за счет испарения и возможных утечек через неплотности системы. Оборудованный сигнальной и переливной трубами открытый расширительный бак позволяет персоналу периодически контролировать заполненность системы теплоносителем (водой), наполнять и пополнять ее подпиточным устройством при необходимости.

В небольших домовых и коттеджных системах отопления такие наполнения и подпитку ведут из питьевого водопровода, открывая кран на линии подпитки. При отсутствии водопровода ее осуществляют либо с помощью электрического, либо ручного насоса, присоединяемого к промежуточной, периодически пополняемой водой при закачке емкости. В системах водяного отопления крупных многоэтажных зданий для этих целей устанавливают специальные подпиточные насосы и подпитку ведут специально подготовленной умягченной и деаэрированной водой для предотвращения коррозии и зарастания металлических трубопроводов.

В самой нижней точке системы отопления на обратной магистрали трубопровода (обратке) устанавливается спускной кран, при помощи которого осуществляют спуск теплоносителя (воды) из системы, в случаях проведения ремонтных работ или отключения на длительный срок во избежание замораживания в зимний период. Чтобы избежать «зависания» теплоносителя в трубопроводных магистралях и отопительных приборах при спуске следует открывать воздушники установленные в верхних точках системы.

Циркуляционный насос системы отопления устанавливается, как правило, на трубопроводе выполняющем обратную подачу (обратка) перед источником отопления (теплогенератором). В крупных разветвленных системах отопления зданий обычно устанавливают несколько (2-3) циркуляционных насоса (один резервный).

Все упомянутые обязательные элементы систем водяного отопления – теплогенератор, циркуляционный насос, отопительные приборы, расширительный бак, воздушники и подпиточное устройство, приборы КИПиА соединяются между собой трубопроводами в определенной последовательности и порядке, образуя сложную гидравлическую циркуляционную систему – систему замкнутых сообщающихся между собой сосудов и колец, заполненных теплоносителем.

• Отопление частного дома
• Расширительный бак
• Циркуляционный насос

Составляющие компоненты и устройство отопительных систем

Составляющие компоненты и устройство отопительных систем

В данной статье мы познакомим вас с основными компонентами систем отопления, расскажем об их технических характеристиках и особенностях их использования. И первым на очереди для рассмотрения отопительным компонентом будет котёл.

Котлы для отопления

Отопительный котёл является одной из важнейших составляющих отопительной системы, а именно – сосуд закрытого типа для нагрева теплоносителя до необходимой температуры, в качестве которого может выступать антифриз или вода. Котлы разделяются по используемому топливу, типам установки, устройству дымохода и по тому, из какого материала выполнен теплообменник.

Разделение по типам топлива

Котлы на твёрдом топливе

В качестве топлива могут быть использованы дрова, уголь, пеллеты. Для производства корпуса твердотопливных котлов может быть использован чугун или сталь. КПД твердотопливных котлов может составлять 30-70%, мощность варьируется от 5 до 100 кВт. Подлежат установке в частных домах без доступа к газовой магистрали. Могут быть использованы в качестве альтернативы для дорогого электрического или дизельного отопления.

Дом может не иметь доступа к магистрали газа по разным причинам. В данном районе её проложить нельзя или это будет стоить больших денег. Кроме того, на неё нужно будет получить огромное количество лимитов и других разрешений.

Котлы, работающие на газе

Могут работать как на магистральном, так и на сжиженном газе. Разве что для перевода на последний вам будет необходимо купить и установить на котёл специальный комплект. По принципу установки делятся на настенные и напольные, бывают с атмосферными и надувными горелками.

Одноконтурные котлы (с одним теплообменником) используются исключительно в отопительных целях, а двухконтурные (с двумя теплообменниками) могут также использоваться и для горячего теплоснабжения. Теплообменники для газовых котлов могут производиться из чугуна, стали и меди.

Дизельные котлы

Дизельные котлы или котлы на жидком топливе, в основном, имеют напольное исполнение, в оснащении имеется надувная горелка, которую, в зависимости от производителя и модели котла, также можно поменять на газовую и оборудовать автоматикой. Для отопления небольшого дома или производственного объекта предпочтительно использовать солярку или мазут.

Жидкое топливо по стоимости выше твёрдого топлива или газа, также вам потребуется оборудовать помещение специальным танком для топлива, что тоже стоит дополнительных денег. Так что, как и в случае с твердотопливным котлом, дизельный котёл лучше устанавливать в доме, где нет магистрали газа.

Электрические котлы

В данных котлах нагрев теплоносителя осуществляется с помощью трубчатого электрического нагревателя, то есть ТЭНа в герметичной ёмкости. Один котёл может вмещать в себя сразу несколько ТЭНов. Котлы с мощностью не более 9 кВт, могут работать под напряжением и в 220В, те, у которых мощность больше – только под 380В.

Электрический котёл хорошо использовать как запасной источник отопления, если ваш твердотопливный, дизельный или газовый котёл вдруг выйдут из строя. Также это отличный вариант в том случае, если проведение газовой магистрали к вашему дому в ближайшем будущем не предвидится.

Преимущества электрических котлов

1. Электрическая безопасность котла по причине герметичности ТЭНа и отсутствия электрической связи с теплоносителем.
2. Мощность котла не меняется в зависимости от типа и температуры теплоносителя, а зависит только от напряжения в сети.
3. Скачки напряжения при включении/выключении котла сведены к минимуму по причине ступенчатого переключения мощности и её плавной настройки.
4. Если один ТЭН сломался, это не вызовет прекращение работы котла целиком.
5. Котлы легко монтируются и обслуживаются без всяких дополнительных знаний.
6. Электрические котлы работают практически бесшумно и от них не происходит никаких вредных выбросов в окружающую среду в виде продуктов сгорания.
7. Практически на протяжения всего периода эксплуатации котла его КПД будет составлять 99%.

По типу вывода продуктов сгорания

Атмосферные котлы обладают открытой камерой сгорания. Для того, чтобы их правильно использовать, в помещении с котлом должен быть дымоход с естественным выведением дыма. Забор воздуха происходит непосредственно из помещения с котлом. Такие котлы дешевле турбированных и работают менее шумно. Имеют, в подавляющем числе, напольный тип установки.

Турбированные котлы обладают закрытой камерой сгорания. Удаление продуктов горения и забор воздуха осуществляется через коаксиальный дымоход, либо через стену, либо раздельный боковой.

Это более безопасно, чем котлы с открытой камерой, поскольку закрытая камера сгорания более герметична и воздух для горения забирается не из одного и того же помещения вместе с котлом.

Несмотря на громкость работы котельного вентилятора, турбированные котлы обладают большим КПД, нежели атмосферные. В основном турбированные котлы имеют настенный тип установки.

Количество контуров и горячее водоснабжение

Большинство котлов с одним отопительным контуром имеют напольную установку и используются исключительно для отопления. Настенный вариант может быть снабжён бойлером для приготовления горячей воды. С другой стороны, все модели двухконтурных котлов используются и для отопления, и для приготовления горячей воды.

В качестве второго теплообменника в двухконтурном котле используется проточный водонагреватель. Режимы работы котла переключаются по очереди. Если вы открыли кран с горячей водой, включается режим ГВС, когда вы закрываете кран, котёл продолжает отапливать помещение.

Схема устройства двухконтурного котла

За переключение режимов отвечает электромагнитный трёхходовой клапан, задающий направление воды к проточному теплообменнику.

В оснащении котлов имеется насос для циркуляции теплоносителя, расширительный бах, воздухоотводчик на автоматике, клапан для предохранения от избытков давления в отопительной системе. Также они оборудованы различной другой автоматикой и арматурой, чтобы регулировать температуру отопления и ГВС.

Фактически настенные котлы на данный момент – это настоящая личная котельная компактных размеров. Для неё нужен только дымоход, подвод газа и подключение к отопительной системе.

Теплоноситель

Следующим по важности элементом отопительной системы можно считать теплоноситель. От него тепло котлов переходит на радиаторы. Обычно теплоносителем является вода, но с ней присутствует рисковая возможность замораживания всей системы или перебой с поступлением, если хозяев долгое время не бывает дома. В таком случае в трубы приходится заливать антифриз, но тут есть много своих тонкостей.

Не стоит покупать теплоноситель малоизвестных фирм. Это чревато разрушением всей отопительной системы и сам её дальнейший ремонт может быть небезопасным. Кроме того, обращайте внимание на теплоёмкость носителя, то есть количество тепла, которое вода или антифриз переносят по трубам.

Вода имеет большую ёмкость тепла по сравнению с антифризом и безвредна, но, как уже было выше сказано, если вы отсутствуете дома в зимние периоды, её использование противопоказано, лучше сразу залить антифриз.

Антифриз

Производится на основе этиленгликоля и пропиленгликоля. Несмотря на дешевизну в первом случае, такой антифриз обладает высокой токсичностью. Если вы вдохнёте его пары, можете уже отравиться, не говоря уже о питье такой воды. Антифриз на основе пропиленгликоля безопасен, хоть и стоит подороже. Немного хуже предыдущего в том плане, что становится менее текучим при высоких температурах.

Однако, пропиленгликоль имеет химическую нейтральность по сравнению с этиленгликолем, не перегревается и не даёт осадков на трубах. Этиленгликоль может протечь, вспениться, а его пары, как мы уже знаем, довольно ядовиты.

Компромиссным вариантом между первыми двумя случаями может быть антифриз на основе глицерина. Несмотря на то, что для человека он безопасен, на прокладки он действует не лучшим образом, особенно если они резиновые. При перегреве ведёт себя тоже не так, как хотелось бы. Но если уж решили сэкономить, выбирайте глицерин, а не этиленгликоль.

Для удобства ориентации покупателя в продукции производители добавляют антифризам разные цвета. Этиленовые антифризы бывают красного и розового оттенка, пропиленовые антифризы имеют зелёный оттенок, а глицериновые обычно голубые. Под воздействием температуры краситель может пропасть совсем, на свойства самого антифриза это никак не повлияет.

При выборе теплоносителя для отопительной системы надо узнавать заранее, на какой тип теплоносителя она рассчитана, так как если залить в систему, рассчитанную на воду антифриз, может возникнуть ряд проблем, основную часть которых мы разберём ниже.

1. Поскольку у антифризов невысокая проводимость тепла, системе не хватит мощности, и дом не будет отапливаться должным образом, будет холодно. Вы можете установить циркуляционный насос большей мощности, чтобы теплоноситель тёк по трубам быстрее, но лучше всего увеличить число секций радиаторов.
2. Антифриз обладает большим объёмом по сравнению с водой во время нагревания, поэтому придётся ставить расширительный бак также большего объёма, чем уже есть.
3. Как уже упоминалось выше, резиновые прокладки не выдерживают воздействие антифриза. Следует устанавливать прокладки паронитовые или из тефлона.

Трубы в системе отопления

Трубы для системы отопления делают из меди, металлопластика, стали, полипропилена или сшитого полиэтилена. Трубы из полипропилена приобретают большую популярность в свете своей невысокой стоимости. Однако у них есть и минусы, на глаз вы не сможете оценить, как вы произвели сварку труб, к тому же их диаметр внутри уменьшается при сварке в несколько раз.

Временами стыки таких труб начинают протекать из-за недостатка нагрева. Обнаружить все минусы можно только в процессе использования труб, а затем надо брать, и некоторые места делать заново. Однако, как уже упоминалось выше, из-за невысокой стоимости такие трубы уверенно держат первое место по популярности, а все риски, связанные с их использованием принимает на себя владелец системы.

Следующими по популярности идут трубы и фитинги из металлопластика. Обжимные латунные фитинги отличаются высокой надёжностью, но их монтаж лучше производить только специалистам. Это же касается и пресс фитингов для металлопластика. Зато качество соединения можно отследить в течение всего рабочего процесса.

Трубы из меди и нержавеющей стали довольно трудно монтировать и стоят они недёшево. Чаще всего их используют в котельных, всю систему из них делают довольно редко. Как и трубы из металлопластика, они имеют красивый внешний вид и обладают большой надёжностью.

И, наконец, трубы из сшитого полиэтилена в последнее время стали приобретать популярность.

Трубы из сшитого полиэтилена обладают хорошей гибкостью, тем не менее, далее 90 градусов их гнуть не стоит, ибо идёт перегиб. Однако, сломать их нельзя. Если согнуть трубу слишком сильно, после достаточно обработать её промышленным феном, и она вернётся в своё прежнее состояние. Такое явление называют эффектом памяти.

Соединения труб обладают большой прочностью и практически не протекают. Воду в трубах можно легко разморозить так как они расширяются под действием тепла. повреждений у труб не будет, и опять же, течь снова они не станут. Устанавливать трубы можно даже при отрицательных температурах.

Тем не менее, следует также упомянуть, о нескольких недостатках таких труб. Во-первых, это их стоимость, которая в несколько раз выше, чем у труб из полипропилена и металлопластика. Это касается также и фитингов.

Во-вторых, для установки таких труб нужно дорогое оборудование. Также не рекомендуется использовать трубы из сшитого полиэтилена в центральном отоплении, так как могут выдерживать максимальную температуру на отметке 110°С лишь в течение краткого промежутка времени.

Делаем вывод, что на сегодняшний день экономные любители выбирают полипропилен, а профессионалы – трубы из сшитого полиэтилена.

Радиаторы в отопительных системах

Итак, после того, как теплоноситель нагрелся в котле и пошёл по трубам, он попадает в радиаторы. Ранее наиболее популярными радиаторами считались чугунные, теперь им на смену приходят радиаторы из биметалла, алюминия и стали. Самые доступные по стоимости и универсальные радиаторы – из алюминия.

Для производства алюминиевых радиаторов используется литые сплавы алюминия и других металлов. Универсальные они, прежде всего, в части отопления частного дома. За счёт разборной секционной конструкции можно наращивать, или, наоборот, уменьшать мощность отопления.

У них отличный современный дизайн и небольшой вес. С помощью них лучше делать обустройство индивидуальных отопительных систем. Поскольку у алюминиевых радиаторов нет инерции, их можно вполне спокойно использовать вместе с температурными регуляторами.

Стальные радиаторы являются отличным решением для отопительных систем, где в качестве теплоносителя используется антифриз. Как и алюминиевые модели, являются превосходным вариантом для частных или просто небольших малоэтажных домов с индивидуальным отоплением.

За счёт того, что они чаще всего по конструкции представляют собой неразборную панель, не протекают на стыках. Их корпус изготовлен из стали с низким содержанием углерода и устойчивостью к образованию коррозии. Далее радиаторы покрывают порошком из эмали и осуществляют обработку при высоких температурах.

Биметаллические радиаторы отлично вписываются в отопительные системы многоквартирных домов, с загрязнённым теплоносителем и повышенным давлением в трубах. Конструктивно снаружи это алюминиевый корпус со стальными трубами внутри. За счёт нагрева наружной алюминиевой оболочки происходит тепловая конвекция.

Это исключает контакт стальных труб с теплоносителем, что препятствует образованию коррозии и практически исключает протечки. Если вы всё же решили установить радиаторы из биметалла в автономной системе частого дома, то при должном усилии вы сможете себе обеспечить чуть ли не паровое отопление!

Итак, мы в данной статье рассмотрели практически все основные компоненты, которые будут вам необходимы, чтобы обустроить систему отопления в вашей квартире или частном доме. Более подробно о каждом элементе вы можете прочитать в статьях, расположенных в соответствующих разделах нашего сайта.