Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
.pdfДанную конструкцию отопительной панели следует отнести скорее к напольнопотолочной отопительной панели, так как часть теплового потока от труб направляется вниз через потолок. В тех случаях, когда необходимо большую часть теплового потока передавать через пол (например, при устройстве теплого пола в вестибюле здания), под перекрытием подвешивают дополнительный слой тепловой изоляции.
Приставные бетонные отопительные панели (рис. 11.7, б) изготавливают в заводских условиях отдельно от несущей части перекрытия в виде секции ограниченных размеров (для удобства транспортирования и монтажа). Эти секции укладываются и соединяются одна с другой в процессе монтажа. Возможна также укладка прверх несущей части перекрытий змеевиков, которые после их соединения и гидравлического испытания покрываются на месте слоем бетона. При втором способе производства работ увеличивается срок строительства здания, что является его недостатком.
Стеновые отопительные панели бывают двух типов: плинтусные и подоконные. Ранее применялись панели совмещенного вида: перегородочные панели, частично заменяющие внутренние стены, и стеновые панели, встроенные в наружные стены зданий.
Перегородочные отопительные панели, устанавливавшиеся впритык к наружным стенам, включали в себя, помимо греющих труб, отопительные стояки, благодаря чему открыто расположенные трубы в помещениях отсутствовали. Теплоотдача этих панелей была двухсторонней и целиком "полезной", тепловая изоляция не требовалась.
Недостатками перегородочных отопительных панелей являлись одинаковая теплоотдача в два смежных помещения обычно с различными теплопотерями и невозможность регулирования теплопоступления в каждое помещение. Кроме того, существовали ограничения в расстановке мебели в помещениях, появлялись щели в местах примыкания панелей к внутренним стенам.
Совмещенные стеновые отопительные панели бетонируют вместе с отопительными стояками в заводских условиях одновременно с изготовлением наружных стен для полносборных зданий. Стояк, заделанный в бетон, служит частью нагревательной поверхности панели.
Для примера на рис. 11.8 показано расположение греющих труб, выполненных по бифилярной схеме, в трехслойной наружной стене, предназначенной для верхнего этажа здания. Греющие трубы размещены во внутреннем бетонном слое с некоторым смещением к внутренней поверхности стены (hв=30 мм при толщине внутреннего бетонного слоя 80 мм).
351
Рис. 11.8. Бифилярный стояк системы водяного отопления с греющими элементами змеевиковой формы, совмещенные с трехслойной наружной стеновой панелью: 1 -тепловая изоляция; 2 - наружный железобетонный слой; 3 - греющая труба; 4 - внутренний железобетонный слой; 5 - штукатурка
Бетонные отопительные панели, совмещенные с наружными стенами, не нашли широкого применения в массовом строительстве зданий из-за больших теплопотерь наружу, бесполезных для отопления помещений.
Плинтусные отопительные панели, заменяющие собой плинтус, распространены в странах с умеренным климатом (США, Англия) для отопления магазинов, выставочных залов и других подобных помещений. Там применяются чугунные или стальные плинтусные панели, представляющие собой большей частью пустотелые элементы с гладкой поверхностью толщиной 45...60 мм и высотой 150...300 мм, по форме напоминающие обычные деревянные плинтусы. Панели с двухсторонней теплоотдачей такого типа снабжены с задней стороны вертикальными ребрами. Их теплоотдача возрастает на 60 % по сравнению с плоскими плинтусными панелями с односторонней теплоотдачей.
В нашей стране плинтусные панели используют для отопления детских учреждений, причем применяют панели из бетона марки 150...200 с односторонней теплоотдачей (рис. 11.9). Для уменьшения бесполезных теплопотерь между плинтусной панелью и наружной стеной помещают слой тепловой изоляции.
352
Рис. 11.9. Плинтусная приставная бетонная отопительная панель: 1 - бетон; 2 - концы греющих труб для присоединения к стояку; 3 - поверхность чистого пола; 4 - тепловая изоляция
При использовании для отопления плинтусных панелей уменьшается вертикальный градиент температуры воздуха. Установлено, что разность температуры воздуха под потолком и у пола помещений, обогреваемых плинтусными панелями, составляет не более 1 °С, тогда как при радиаторном отоплении она доходит до 3 °С. Кроме того, наблюдается относительное повышение температуры воздуха у пола и температуры поверхности пола и стен в нижней зоне помещении, что особенно важно для детских комнат. При отоплении помещений плинтусными панелями температуру воздуха по условиям теплового комфорта принимают равной расчетной температуре воздуха для конвективного отопления.
Подоконные бетонные отопительные панели устанавливают в тех местах под окнами помещений, где принято размещать металлические отопительные приборы. Панели могут быть приставными или вставленными в выемку (нишу) в стене. Такие панели бывают с односторонней (рис. 11.10, а) и двухсторонней (рис. 11.10, б) теплоотдачей с их поверхности. Соединяются они с трубами системы отопления как обычные отопительные приборы.
При использовании панели с двухсторонней теплоотдачей увеличивается теплопередача в помещение в расчете на единицу длины панели, а также сокращаются бесполезные теплопотери наружу по сравнению с панелью, вплотную приставленной к стене. Однако такая панель с труднодоступным конвективным каналом уступает в санитарногигиеническом отношении панели с односторонней теплоотдачей.
На рис. 11.10, в показана конструкция, сочетающая отопительную панель с каналом для подачи подогретого свежего воздуха в отапливаемое помещение. Тепловая изоляция здесь отсутствует, а часть теплового потока, уходящего наружу, используется для нагревания приточного воздуха. Такую конструкцию панелей можно использовать в малоэтажных зданиях. В многоэтажных зданиях потребуется более тщательная ее наладка из-за возникновения неравномерности и неустойчивости движения воздуха в приточных каналах на различных этажах.
353
Рис. 11.10. Подоконные приставные бетонные отопительные панели: а - с односторонней теплоотдачей; б - с двусторонней теплоотдачей; в - с двусторонней теплоотдачей и каналом для подачи подогретого наружного воздуха; 1 - тепловая изоляция; 2 - конвективный канал; 3 - отопительная панель; 4 - приточный канал; 5 - запорный клапан; 6 - стальной экран
Низкие подоконные панели, поверхность которых из-за этого может иметь относительно более высокую температуру, получаются меньших размеров чем панели других типов. При использовании подоконных панелей сокращается площадь охлажденной поверхности наружных стен, уменьшаются радиационное охлаждение людей и зона распространения холодного воздуха от окон, не затрудняется, как при перегородочных панелях, расстановка предметов в помещениях.
§ 11.6. Теплоносители и схемы системы панельного отопления
Теплоносителем в системах панельного отопления является преимущественно горячая вода. При использовании воды вследствие ее относительно невысокой температуры разогревание бетонных панелей происходит медленно и не сопровождается возникновением трещин, что бывает при быстром нагревании панелей паром. Применение воды позволяет проводить центральное качественное регулирование систем. При циркуляции воды по стальным трубам панелей внутренняя коррозия их происходит менее интенсивно, чем при использовании пара. Вследствие значительной тепловой инерции бетонных панелей важное свойство пара - быстро нагревать помещения - в известной степени утрачивает свое значение. По этим причинам пар практически не применяют в центральных системах панельного отопления.
Использование нагретого воздуха как теплоносителя в системах панельного отопления позволяет экономить металл, не создает опасности течей. В качестве воздушных каналов могут быть использованы пустоты блочных и панельных внутренних стен, а также железобетонных настилов. Применение воздуха в системах панельного отопления затрудняется из-за необходимости устраивать каналы значительных размеров во внутренних стенах или в перекрытиях. При этом следует обеспечивать сохранение их плотности при эксплуатации зданий. По этой причине известные попытки в этом направлении из-за дефектов монтажа вследствие нарушения плотности сопряжения каналов окончились неудачей.
354
Нагревание панелей электричеством может быть осуществлено без больших затруднений. Возможные конструктивные варианты подобных систем рассмотрены в главе 14.
Расчетная температура воды, обогревающей стеновые бетонные панели, обычно не выходит за пределы 100 °С. Расчеты и исследования показывают, что средняя температура поверхности бетонных панелей ниже температуры теплоносителя на 20...40 °С. Поэтому при температуре воды 130 °С температура поверхности низких стеновых панелей могла бы быть на допустимом уровне 90...95 °С. Однако опасность дегидратации цементного камня и снижения прочности бетона заставляет ограничивать предельную температуру воды 100 °С. И только при применении подвесных металлических панелей расчетная температура греющей воды может превышать эту величину.
Если в системе отопления зданий используют только бетонные отопительные панели, то расчетную температуру горячей воды принимают при стеновых панелях 95 °С. При использовании потолочных панелей температура теплоносителя выбирается в зависимости от конструкции, размещения и размеров панелей с учетом нормируемой СНиП допустимой температуры их поверхности 28...38 °С (по условиям обеспечения комфортности, см. § 11.2). По этим же условиям из-за ограничения температуры на поверхности пола величиной 26...31 °С температура воды в напольной системе панельного отопления обычно не превышает 45...50 °С.
Если бетонные стеновые или потолочные отопительные панели устанавливают только в отдельных помещениях, то расчетную температуру горячей воды выбирают по условиям отопления основных помещений здания, а панели присоединяют, если это возможно по температурным условиям, к подающей магистрали основной системы отопления. Из-за пониженных температурных параметров теплоносителя напольная система отопления выполняется в виде самостоятельного циркуляционного контура.
Системы водяного отопления с бетонными стеновыми панелями выполняют однотрубными и двухтрубными с нижней и верхней разводкой магистралей.
При потолочных бетонных отопительных панелях используются двухтрубные системы. На рис. 11.11 изображена часть двухтрубного стояка с "опрокинутой" циркуляцией воды: обратная вода поднимается наверх. Движение воды снизу вверх способствует уносу воздуха из труб горизонтальных панелей. Каждая отопительная панель может независимо отключаться, опорожняться, ремонтироваться и промываться.
355
Рис. 11.11. Схема стояка двухтрубной системы панельного отопления с "опрокинутой" циркуляцией воды: 1 - обратный стояк; 2 - потолочные отопительные панели; 3 - запорнорегулирующие краны; 4 - спускной кран; 5 - подающий стояк
Для обеспечения работы напольного отопления за последние годы наибольшее распространение получила так называемая "коллекторная" схема подключения теплопроводов (рис. 11.12). При этом замоноличенные в бетонную стяжку пола греющие трубы (как правило, пластиковые) присоединяются к специальному коллектору, оснащенному запорнорегулирующей, воздухоотводящей и контрольно-измерительной арматурой. Расположенные на различных этажах здания коллектора обеспечиваются теплоносителем по двухтрубной схеме.
Рис. 11.12. Коллекторная схема системы напольного водяного отопления: 1 - запорная ар-
356
матура; 2 - распределительный коллектор; 3 - воздухоотводчик; 4 - термометр; 5 - сборный коллектор; 6 - греющие трубы
Плинтусные бетонные отопительные панели чаще всего соединяют по несколько штук в горизонтальные цепочки, в которых вода движется по бифилярной схеме. Цепочки плинтусных панелей присоединяют к двухтрубным стоякам.
При вертикальных подоконных бетонных отопительных панелях стояки системы водяного отопления делают двухтрубными или однотрубными, которые не отличаются от стояков систем отопления с металлическими отопительными приборами. При совместном использовании в системе отопления бетонных панелей и обычных металлических приборов последние снабжают кранами повышенного сопротивления, так как потери давления в греющих змеевиках панелей заметно превышают потери давления в приборах.
§ 11.7. Площадь и температура поверхности отопительных панелей
Площадь нагревательной поверхности отопительной панели связана, прежде всего, с ее тепловой мощностью. Расчеты панельных систем отопления показывают, что доля нагреваемой части общей площади ограждений помещения может изменяться в различных условиях от 8 до 20 %. При равной тепловой мощности площадь панели зависит от температуры ее поверхности.
Температура поверхности бетонной отопительной панели п определяется диаметром d и шагом s греющих труб, глубиной h их заложения и теплопроводностью λ бетона, температурой теплоносителя tт и помещения tn, т.е.
Среди этих шести переменных четыре изменяются в сравнительно узких пределах или могут быть заранее определены: диаметр труб (обычно Dy равен 15 и 20 мм), теплопроводность бетона, температура теплоносителя и помещения. Следовательно, для каждого диаметра труб при определенных λ, tт и tп температура поверхности отопительной панели зависит от шага труб s и глубины h заложения их в бетон. Эта зависимость видна на рис. 4.15, где дается термическое сопротивление массива бетона (λм=l,0) при различных значениях s и h.
Вмассиве бетона вокруг каждой греющей трубы образуется температурное поле, на котором можно построить линии, показывающие направление тепловых потоков.
Впростейшем случае для отдельно расположенной тонкой панели с симметрично заделанными греющими трубами допустимо предположение о линейном (одномерном) распространении тепловых потоков от труб к середине расстояния между ними (s/2). При этом тонкой считается бетонная панель, для которой число Био не превышает 0,3, т.е.
где αн - коэффициент теплообмена на поверхности панели, Вт/(м2·°С); λм - теплопроводность массива бетона, Вт/(м·°С); h - расстояние от поверхности панели до оси греющих труб, м.
357
Если принять средние значения αн=10 Вт/(м2·°С) и λм=1 Вт/(м·°С), то при Bi=0,3 получим h= 0,03 м. Следовательно, тонкой можно считать бетонную панель толщиной δ = 2h = 0,06 м.
Для тонких бетонных панелей среднюю избыточную температуру их поверхности, т.е. разность средней температуры поверхности панелей и температуры окружающей среды определяют по формуле [20]
где Δτтр = τтр - tB - избыточная температура поверхности греющих труб (для металлических труб τтр можно считать равной tг - температуре теплоносителя); σлиц и αтыл - коэффициент теплообмена, Вт/(м2·°С), соответственно, на лицевой и тыльной поверхностях панели.
В случаях, когда тонкие бетонные отопительные панели прилегают к слоям других материалов или покрываются дополнительными слоями, при определении температуры наружной поверхности (с лицевой или тыльной стороны панели) учитывают термическое сопротивление таких слоев. Тогда формула (11.25) применительно к определению избыточной температуры лицевой (обращенной в помещение) поверхности конструкции (после покрытия панели дополнительными слоями материалов) принимает вид
где rм - термическое сопротивление массива бетона, м2·°С/Вт; ΣRi= Σ(δi / λi) - сумма термических сопротивлений дополнительных слоев, м2·°С/Вт; k’лиц и k’тыл - неполный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·°С), для дополнительных слоев материалов, прилегающих, соответственно, к лицевой и тыльной сторонам панели; определяется для дополнительных слоев, например, на лицевой стороне панели по формуле
Напомним, что при выводе формул (11.25) и (11.26) принято, что в относительно тонком бетонном слое отопительной панели наблюдается только линейная теплопроводность. Дальнейшее распространение теплоты происходит через прилегающие или покрывающие слои материалов только в направлении, перпендикулярном к поверхности панели.
Для утолщенных бетонных отопительных панелей, когда получают по формуле (11.24) число Bi>0,3 (практически при толщине панелей 0,08 м и более), необходимо уже считаться с двухмерностью теплопроводности их массива. Графически картина двухмерной теплопроводности в толще отопительной панели представлена на рис. 11.13, где показаны концентрические линии - изотермы и линии тепловых потоков, перпендикулярные на исходе к поверхности панели.
358
Рис. 11.13. Схема изотерм и тепловых потоков в массиве бетона и график изменения температуры поверхности отопительной панели с двухсторонней теплоотдачей: 1 - бетонная панель; 2 -греющая труба; 3 - изотерма; 4 - линия направления теплового потока
Двухмерное температурное поле в массиве панели в стационарных условиях теплопередачи при постоянной температуре теплоносителя описывается дифференциальным уравнением Лапласа в частных производных.
Аналитическое решение дифференциального уравнения для построения температурного поля представляет собой сложную задачу. Обычно используют приближенные численные методы решения уравнения Лапласа, в том числе метод решения в виде конечных разностей. Этот метод заключается в составлении системы уравнений для определения температуры в заданных точках поверхности (обычно с последовательным приближением).
Изменение термического сопротивления массива бетона по различным направлениям от греющих труб делает поверхность отопительной панели не изотермичной. На рис. 11.13 показан характер изменения температуры поверхности бетонной панели: наиболее высокая температура о наблюдается непосредственно над трубами, наиболее низкая температура τs/2 - посередине между трубами (на расстоянии τs/2 от оси труб).
Приблизительно среднюю температуру поверхности бетонной отопительной панели можно определять по эмпирической формуле, если известна температура в двух характерных точках - над трубами τo и между трубами ts/2:
где k - коэффициент, характеризующий изменение температуры поверхности панели между греющими трубами.
Коэффициент k зависит от шага s и глубины заложения h труб в бетоне. Для отопительных панелей с шагом труб до 250 мм и глубиной заложения до 40 мм k=0,45, при шаге труб более 250 мм коэффициент k уменьшается до 0,33.
359
В расчетах лучисто-конвективного теплообмена учитывается средняя температура нагревательной поверхности панелей, отнесенная к условиям определения теплопотерь помещений. Эта расчетная средняя температура является наивысшей температурой греющей поверхности в течение отопительного сезона. С другой стороны, максимальная расчетная температура поверхности панелей не должна превосходить допустимую по условиям температурной комфортности для людей в помещениях (см. § 11.2).
Для потолочных панелей допустимую температуру вычисляют по формуле (11.4). Ее значение тем выше, чем больше размеры помещения и меньше ширина, а также площадь панели. Температура всего нагретого потолка при высоте помещения 2,5...2,8 м не должна быть выше 28 °С, до 3 м - 30 °С, до 3,5 м - 33 °С, до 4 м - 36 °С, до 6 м - 38 °С.
Допустимая средняя температура поверхности напольных панелей зависит от назначения помещений и подвижности людей в них.
Для низких стеновых отопительных панелей допустима более высокая температура поверхности, такая же, как и для металлических отопительных приборов. Лишь для панелей радиационного обогревания рабочих мест температура их поверхности ограничена 60 °С.
Принимая допустимую температуру поверхности за расчетную, можно определить предварительную площадь поверхности отопительной панели А'п, м2, по формуле
где Q'пот - теплопотери помещения, вычисленные по методике, приведенной в гл. 2, Вт; tB - расчетная температура воздуха при лучистом отоплении, °С; αн - коэффициент теплообмена на поверхности панели.
Среднее значение коэффициента αн (в пределах практически возможного изменения температуры поверхности панели τп), Вт/(м2·°С), составляет:
для потолочной панели............... |
7,9 |
для напольной панели.................. |
9,9 |
для стеновой панели.................... |
11,6. |
Площадь панели, найденная по формуле (11.29), называется предварительной не только потому, что вычисляется на основании приблизительных величин. Она обычно несколько отличается от окончательной площади, которую выбирают в процессе конструирования панели с учетом конкретных условий размещения, подвода теплоносителя, типизации размеров и тому подобных ограничений. Предварительную площадь отопительной панели необходимо знать для проверки условий температурного комфорта в помещении и дальнейшего проектирования.
При размещении отопительной панели в помещении, помимо известных уже положений, необходимо учитывать следующее. В помещении с развитым остеклением целесообразно для уменьшения радиационного охлаждения людей и локализации ниспадающего потока холодного воздуха размещать отопительную панель с повышенной температурой поверхности под остеклением или в узкой полосе пола, прилегающей к наружному ограждению.
360