Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002

нако остается основной недостаток электрического отопления - перерасход первичного топлива.

В отопительных системах применяют водогрейные электродные котлы, работа которых основана на прямом нагревании воды электрическим током. Ток протекает через движущуюся в котле воду, представляющую собой активное сопротивление. Корпус котла (рис. 14.15), выполняемый из специальных сталей, имеет входной и выходной патрубки для воды. Вода движется между пластинчатыми или цилиндрическими электродами, связанными в один пакет. В корпусе помещено устройство для регулирования мощности котла в виде пакета диэлектрических пластин или цилиндров, входящих в зазоры между электродами и перемещающихся вдоль них.

Если электроды и корпус котла изготавлены из нержавеющей стали, в систему отопления может быть залита как вода, так и антифриз. Корпус котла имеет тепловую изоляцию.

Котлы изготовляют номинальной мощностью от 3 кВт до 1 МВт (низкого напряжения) и от 1 до 10 МВт (высокого напряжения) для работы на переменном токе. При высоком напряжении (6... 10 кВ) их устанавливают в специальном помещении, а при низком напряжении (0,4 кВ) - непосредственно в обогреваемом здании. Выпускаемые в России и за рубежом электрокотлы могут осуществлять ступенчатое регулирование мощности, имея от трех до семи ступеней регулирования.

Мощность электрокотлов зависит от удельного электрического сопротивления нагреваемой воды. Поэтому в паспорте котла указывают расчетное электросопротивление воды Rpacч при 20 °С, которому соответствует номинальная мощность Nном котла. При работе на воде с другим удельным электросопротивлением при 20 °С R20 мощность котла Nк кВт, изменится

Удельное электросопротивление природных вод изменяется от 5000...2000 в озерах и реках Севера страны до 500...3000 Ом·см в артезианских скважинах.

431

Работа современных электрокотлов автоматизирована: от датчика уровня теплоносителя передается сигнал, исключающий включение котла с незаполненной системой отопления. По датчику температуры теплоносителя исключается возможность превышения максимально допустимой (заданной) температуры. По датчику температуры в помещении осуществляется включение и отключение котла, позволяющее поддерживать заданную температуру помещения с точностью 0,5 °С в диапазоне от 5 до 30 °С. Одновременно осуществляется диагностика работы котла, результаты которой показываются на внешних индикаторах.

Современные электрокотлы могут быть укомплектованы циркуляционными насосами, расширительными баками, шаровыми кранами, предохранительными клапанами.

В системах воздушного отопления сельскохозяйственных и промышленных зданий применяют электрокалориферы. Выпускаются электрокалориферы мощностью 33...99 кВт для нагревания не менее 3000...7000 м3/ч воздуха на 30... 100 °С, мощностью 15...90 кВт, с минимальной производительностью по воздуху от 1700 до 6000 м3/ч при перепаде температуры нагреваемого и нагретого воздуха от 35 до 65 °С, а также мощностью от 4,8 до 157 кВт при производительности по воздуху не менее 500...7500 м3/ч и перепаде температуры 35...60 °С. Электрокалорифер работает от сети напряжением 380 В, при этом на трубчатых нагревателях, соединенных по схеме "звезда", поддерживается 220 В. Электрокалорифер должен устанавливаться в закрытом помещении.

Электрокалорифер состоит из кожуха, сребренных трубчатых электронагревателей, выводов и шин. Кожух изготовляют из листовой стали на сварке. Трубчатые электронагреватели установлены внутри кожуха в три ряда в шахматном порядке. Каждый вертикальный ряд представляет собой самостоятельную тепловую и электрическую секцию, что позволяет работать на ступенях 100, 66,7 и 33,3 % установочной мощности.

При включении установки в сеть электрокалорифер работает на 100 %-ной мощности. При повышении температуры воздуха в отапливаемом помещении выше установленного значения отключается одна секция, при дальнейшем повышении температуры - еще одна секция. Третья секция может автоматически отключаться при повышении температуры на поверхности оребрения выше 190 °С.

При больших электрокотельных или калориферных установках может оказаться экономически выгодным плавное регулирование мощности нагрева с помощью широтноимпульсной модуляции, при которой управляющий сигнал имеет постоянный период, а его длительность пропорциональна необходимому воздействию. Другими словами, можно уменьшить мощность калорифера или котла, подавая напряжение на установку в течение части, например, секундного периода.

При догревающем электроотоплении понижается общий расход первичного топлива на отопление зданий, и уменьшается установленная мощность электроотопительных приборов. В комбинированной системе, например, общественного здания с центральным базовым водяным или воздушным отоплением, обеспечивающим поддержание в течение отопительного сезона температуры 12... 14 °С, и электроотопительными приборами, повышающими температуру помещений в рабочее время, сочетаются преимущества автоматического поддержания требуемой температуры внутреннего воздуха с экономичностью центрального отопления от ТЭЦ и крупных тепловых станций.

Увеличение капитальных затрат на установку доводчиков или других дополнительных электроотопительных приборов частично компенсируется экономией от снижения тепло-

433

вой мощности базовой системы отопления. Экономия первичного топлива в условиях автоматического поддержания необходимой температуры в течение суток составляет не менее 5 %, а при отключении дополнительной системы в нерабочий период времени увеличивается до 15 %.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Какие виды электрического отопления экономически оправданны в различных районах страны?

2.Сравните составляющие приведенных затрат на отопление от домовой электрокотельной и котельной на твердом топливе. Как будут отличаться эти составляющие для Москвы и отдаленной сельскохозяйственной фермы в Подмосковье?

3.Почему для животноводческих ферм электроотопление экономически более оправданно, чем для гражданских зданий в городе?

4.Какой электробытовой отопительный прибор вы предпочли бы для быстрого обогревания комнаты на даче при кратковременном пребывании в ней?

5.Какой электробытовой отопительный прибор лучше использовать для сушки свежепобеленных потолков? Для отопления высоких (более 4 м) помещений?

6.Что определяет экономическую эффективность электротеплоаккумуляционного отопления? Направлен ли этот вид электрического отопления на экономию первичного топлива?

7.Почему электротеплоаккумулирующие приборы лучше использовать для базового отопления, чем для полного?

8.Предложите конструкцию комбинированного отопления с применением электроэнергии.

9.Предложите конструкции систем отопления с тепловыми насосами.

теплопотери через ограждения. Вычисляют теплозатраты на нагревание инфильтрующегося воздуха (с использованием глав СНиП "Отопление, вентиляция и кондиционирование" и "Строительная теплотехника"), а также поступающих в помещение снаружи материалов.

После расчета теплопоступлений от людей, технологического оборудования, электрических приборов и освещения, нагретых материалов и солнечной радиации составляют тепловой баланс и выявляют дефицит или теплоизбытки в помещениях. На этом основании устанавливают теплопотребности помещений: тепловые нагрузки отопительных установок в течение расчетного часа рабочего и нерабочего периодов суток.

Тепловые нагрузки, определяющие мощность отопительных установок, могут в зависимости от режима использования помещений значительно превышать среднюю теплопотребность в течение суток. В таких случаях составляют суточный и недельный графики использования тепловой мощности системы.

Выбор системы отопления зависит от источника теплоснабжения, вида и параметров теплоносителя, вида и типов приборов и оборудования. Выбор делают в соответствии с указаниями норм проектирования (в первую очередь по главе СНиП "Отопление, вентиляция и кондиционирование"), а также с учетом технико-экономических показателей в конструктивно-эксплуатационных ограничений (см. гл. 15). Определяют возможность непосредственного использования теплоносителя в отопительных установках и приборах, возможность устройства отопления, совмещенного с вентиляцией.

434

Схему системы отопления выбирают в соответствии с планировочными, конструктивными и технологическими особенностями здания. Устанавливают режим действия и принципы управления работой системы, целесообразность отдельного дежурного отопления.

Конструирование системы отопления начинают с размещения теплового центра, теплопроводов (труб и воздуховодов), отопительного оборудования в здании. Разделяют систему на обособленные зоны и части постоянного и периодического действия с учетом отдельного отключения и регулирования. Учитывают также категории пожаровзрывоопасности помещений.

При размещении труб принимают решения по направлению и величине уклона, компенсации удлинения и тепловой изоляции, организации движения, сбора и удаления воздуха, спуску и наполнению водой системы, выбору и расположению арматуры.

На планах подвального и чердачного (технических) помещений показывают основное оборудование с технической характеристикой, магистрали с указанием диаметра и уклона, стояки с номерами, ввод наружных теплопроводов, запорную арматуру, компенсаторы, неподвижные опоры, участки с тепловой изоляцией.

На неповторяющиеся поэтажные планы наносят стояки с номерами, отопительные приборы с указанием марки, числа и длины элементов, отопительные агрегаты с технической характеристикой, транзитные трубы и подводки к приборам и агрегатам.

Составляют схемы труб и оборудования теплового центра и системы отопления. Разрабатывают узлы установки теплообменников, приборов, агрегатов, насосов, баков и прочего оборудования, детали прокладки, подвески и крепления труб и воздуховодов, размещения регулирующей арматуры и воздуховыпускных устройств.

Схемы магистралей и теплового пункта вычерчивают в аксонометрической проекции, причем стояки часто изображают отдельно в виде разверток по стенам здания (при взгляде изнутри).

На схемах показывают оборудование, коллекторы с контрольно-измерительными приборами, трубы с запорно-регулирующей арматурой, отопительные приборы и калориферы отопительных агрегатов, воздухосборники, воздушные и спускные краны, грязевики, компенсаторы и неподвижные опоры. На схемах наносят: уклон труб, номера стояков, тепловую нагрузку и диаметр участков магистралей и стояков, расход воды в стояках, тепловую нагрузку и расчетную площадь приборов и калориферов, помещают техническую характеристику приборов, оборудования и системы.

Теплогидравлический расчет системы отопления включает определение температуры,

давления и расхода теплоносителя, диаметра теплопроводов, типоразмера оборудования.

Тепловой и гидравлический (или аэродинамический) расчеты взаимно связаны и, строго говоря, требуется многократное их повторение для выявления действительно необходимых параметров теплоносителя, размеров теплопроводов и оборудования. Поэтому наиболее точным является расчет системы с помощью ЭВМ.

Расчет вручную повторяют 1-2 раза, причем тепловой и гидравлический расчеты выполняют в различной очередности.

435

Тепловой расчет предшествует гидравлическому, когда размеры греющих элементов (труб, воздухонагревателей) значительно влияют на давление и расход теплоносителя в системе. Например, при использовании конвекторов в системе водяного отопления длину приборов определяют до гидравлического расчета, а после уточнения параметров теплоносителя вносят поправки в размеры приборов.

Гидравлический расчет выполняют до теплового, когда размеры греющих элементов практически не влияют на гидравлическое сопротивление системы. В результате гидравлического расчета определяют диаметр теплопроводов и параметры теплоносителя, а затем размеры греющих элементов. Так поступают, например, при использовании секционных радиаторов в системе водяного отопления.

Работы по перечисленным четырем разделам проводят последовательно, но с различной степенью детализации на отдельных стадиях проектирования системы отопления.

Расчетно-пояснительная записка включает обычно четыре раздела: общую часть, тепловой пункт, систему отопления, спецификации. В общей части кратко описывают здание и участок строительства, запроектированные тепловой пункт и систему, климатические данные и метеорологические условия в помещениях. В следующие два раздела помещают основные расчетные материалы с обоснованием выбора конструктивных элементов, описанием особенностей системы и оборудования теплового пункта, ссылками на нормативную и каталожно-справочную литературу. Спецификации как основание для составления сметы состоят из перечней, технических характеристик и количества необходимых материалов, приборов и оборудования со ссылками на ГОСТ и Строительные каталоги.

§ 16.4. Проектирование отопления с помощью ЭВМ

В § 4.8 описано применение ЭВМ для теплового расчета одного из элементов центральных систем водяного и парового отопления - отопительных приборов. Подробно рассмотрены вводимые в ЭВМ исходные данные и этапы последовательного выполнения расчетов.

Существуют программы расчета с помощью ЭВМ других элементов систем отопления.

Разрабатывают общую систему автоматизированного проектирования (САПР) отопле-

ния, предназначенную не только для ускоренного выполнения расчетов, но для машинизации всего процесса проектирования отопления.

САПР отопления состоит из ряда подсистем, обеспечивающих выполнение следующих работ:

получение справочно-технической информации;

расчет тепловой мощности системы отопления;

выбор системы отопления с вариантными технико-экономическими расчетами;

конструирование системы отопления с выполнением чертежей;

теплогидравлические расчеты системы отопления;

составление расчетно-пояснительной записки, спецификаций, техникоэкономических показателей системы отопления;

определение сметной стоимости системы отопления.

Рассмотрим на примере практикуемое применение ЭВМ для тепло-гидравлических расчетов распространенных однотрубных систем водяного отопления.

436

Программа расчетов составлена применительно к вертикальным и горизонтальным системам, присоединенным к наружным теплопроводам по зависимой схеме с применением водоструйного элеватора. Программа предусматривает:

гидравлический расчет систем с равными и неравными перепадами температуры воды в стояках;

тепловой расчет отопительных приборов;

выбор регулирующих клапанов, контрольно-измерительных приборов (КИП), регулятора давления;

подбор элеватора;

составление спецификаций на трубы, арматуру, отопительные приборы, КИП.

Программа предусматривает:

верхнюю и нижнюю разводку магистралей с тупиковым и попутным движением воды в них;

вертикальную, горизонтальную и бифилярную схемы соединения отопительных приборов различных типов;

применение разных приборных узлов - проточных, проточно-регулируемых, регулируемых с замыкающими участками, с редукционными вставками.

Предварительно разрабатывают и вычерчивают в масштабе расчетную схему системы отопления. На схеме указывают тепловую нагрузку каждого отопительного прибора, температуру воздуха в каждом помещении, параметры теплоносителя для системы в целом, располагаемую разность давления в месте ввода наружных теплопроводов в здание.

Основные исходные данные, вводимые в ЭВМ для расчетов, составлены в виде пяти таблиц, снабженных пояснениями для правильного их заполнения, в которые соответственно записывают:

общие сведения о системе;

характеристику приборных узлов с указанием условий установки отопительных приборов в помещениях;

характеристику стояков с разбивкой их на этажестояки и узлы присоединения к магистралям;

характеристику магистралей с информацией о каждом участке;

характеристику головных участков магистралей, начиная от ввода по направлению движения теплоносителя.

Алгоритм проектирования основан на способе гидравлического расчета по удельным линейным потерям давления с учетом естественного циркуляционного давления, возникающего при охлаждении воды в системе. Для получения оптимального варианта проектного решения применен метод динамического программирования. За критерий оптимизации расчетов принято максимальное использование разности давления в подающем и обратном наружных теплопроводах в месте ввода их в отапливаемое здание. При определении общих потерь давления в системе отопления применен способ характеристик гидравлического сопротивления.

Диаметр любого участка может быть задан либо определен расчетом. При подборе диаметра магистралей предусмотрено соблюдение условия "телескопичности" - последовательного плавного их изменения. Предусмотрена также возможность дросселирования

437

группы стояков шайбой или вставкой из трубы меньшего диаметра на магистрали с выявлением при этом экономии металла.

Тепловой расчет стояков заключается в определении охлаждении воды в трубах при движении теплоносителя до каждого отопительного прибора с выявлением полезной теплоотдачи в помещения и дополнительных теплопотерь через наружные ограждения в местах прокладки труб. При тепловом расчете отопительных приборов находят охлаждение воды в приборах при принятой к установке их площади и дополнительные теплопотери через наружные ограждения в местах их установки.

При расчетах используют справочно-техническую информацию: сортамент стальных труб, теплотехнические показатели отопительных приборов, технические данные запорнорегулирующей арматуры, клапанов, КИП. Она сформирована автономно (за пределами программы) в виде библиотеки информации, к которой можно обращаться по мере необходимости и в которую вносят поправки при появлении новых изделий и материалов. На печать выводятся сводные таблицы с исходными данными, характеристикой отопительных приборов, стояков, магистралей, систем. Даются спецификации отопительных приборов и других материалов и оборудования, а также технико-экономические показатели системы отопления. К этим показателям отнесены: средняя плотность теплоотдачи отопительных приборов (Вт/м2), расход труб (кг/1000 Вт), расход теплоносителя воды (кг/ч), тепловая мощность системы (Вт), потери давления в системе (Па), относительные потери давления в стояках (в % от общих потерь в системе).

Условием оптимизации теплогидравлических расчетов может быть также минимизация приведенных затрат (см. § 15.2) при заданной тепловой мощности и возможных потерях давления в системе отопления, схема которой уже определена. При таких расчетах вертикальных однотрубных систем водяного отопления принимают во внимание требование СНиП, чтобы потери давления в стояках составляли не менее 70 % общих потерь давления в циркуляционных кольцах (без потерь давления в головных участках систем).

§ 16.5. Типовые проекты отопления и их применение

Типовыми называют проекты систем отопления, разработанные на основе типизации элементов и предназначенные для многократного повторения в строительстве. При разработке проводят унификацию элементов (узлов и деталей), выбирая лучшие и экономичные решения с минимальным числом типоразмеров.

Разработке типовых проектов предшествуют экспериментальное проектирование, монтаж и натурные наблюдения для проверки технико-экономических показателей и эксплуатационного качества систем. В типовых проектах используют прогрессивные конструктивные решения, предусматривающие индустриальное, заготовительно-монтажных работ и эффективность действия систем.

Создается сортамент элементов, обеспечивающий необходимое число вариантов типовых проектов и изготовление сборных узлов на специализированных заводах. Типовые проекты разрабатывают в ведущих проектных организациях.

Типовые проекты позволяют в короткие сроки обеспечивать строительство проектной документацией, включающей элементы заводского изготовления. В жилищном строительстве, например, в настоящее время по типовым проектам строится подавляющее число зданий.

438

Типовые проекты обновляются через 5... 10 лет с учетом технического прогресса в строительстве и вследствие повышения требований к уровню комфорта в зданиях.

В нашей стране с ее громадной территорией и различием природно-климатических условий установлено несколько проектно-строительных районов. Типовые проекты для этих районов отличаются тепловой мощностью систем и их конструктивно-техническими характеристиками.

Для каждого проектно-строительного района разрабатывают с учетом наличия отопительного оборудования варианты типовых проектов систем, рассчитанные при различной температуре наружного воздуха (параметры Б по СНиП [1J) с интервалом 5 °С (например, при -20, -25 °С и т.д.).

Вариант типового проекта системы отопления выбирают так: если здание строится в местности, где расчетная температура наружного воздуха имеет промежуточное значение, принимают проект, разработанный для ближайшей более низкой температуры (например, для -25 °С в местности с расчетной температурой -22 °С).

Выбранный вариант типового проекта "привязывают" (корректируют) применительно к местным условиям строительства здания и теплоснабжения системы отопления. При привязке проекта учитывают изменения, внесенные в нижнюю часть здания, обусловленные использованием рельефа участка строительства и уточнением планировки подвального, а иногда и первого этажей. В объем работ по привязке входят изменения и дополнения типового проекта теплового пункта и системы отопления. Проектируют также наружные теплопроводы до ввода их в здание и внутреннюю их прокладку до теплового пункта.

Привязку типового проекта обычно осуществляют в одну стадию (техно-рабочий проект), выполняя ее в рамках проектно-строительного объединения (ПСО), и только при привязке проекта в условиях изменения технологической части здания делают в две стадии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1.Установите по главе СНиП 2.04.05-91* нормативные положения, отражающиеся на тепловой мощности системы отопления.

2.Составьте перечень действующих строительных норм (СН) и технических правил (ТП) по вопросам отопления зданий,

3.Опишите технические решения системы отопления здания общеобразовательной школы, возводимого по типовому проекту в Вашем городе.

4.Установите состав типового проекта системы отопления, например, здания детского сада, строящегося в Вашем городе.

РАЗДЕЛ 7. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

ГЛАВА 17. РЕЖИМ РАБОТЫ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

§ 17.1. Режим работы системы отопления

Размеры конструктивных элементов системы отопления здания или сооружения (диаметр труб, воздуховодов, площадь теплообменников и отопительных приборов) определяют для конкретных расчетных условий. Поддержание расчетных параметров теплоносителя (температура, расход) в этом случае обеспечивает максимально возможную теплоподачу системы, соответствующую теплопотребности обогреваемых помещений при расчетных

439

условиях наружного климата (температура воздуха, скорость ветра, интенсивность солнечной радиации). Подобные условия на территории нашей страны наблюдаются в течение короткого периода времени (см. рис. 1). Большую часть отопительного сезона климатические условия характеризуются показателями, при которых теплопотребность для отопления ниже расчетной.

Влияние отдельных факторов по-разному сказывается как на величине, так и на характере изменения теплопотребности каждого помещения. Не однозначно это влияние и для различно расположенных однотипных помещений зданий (например, на верхних и нижних этажах или разноориентированных по сторонам горизонта). Переменный характер теплопотребности здания в течение отопительного сезона предопределяет необходимость изменения теплоподачи системы отопления для поддержания расчетной температуры обогреваемых помещений.

Таким образом, режим работы системы отопления в течение отопительного сезона должен быть связан с переменным значением недостатка теплоты, определяемым изменением отдельных составляющих теплового баланса помещений (см. § 2.1).

Среди этих составляющих теплопотери через наружные ограждающие конструкции Qогр вследствие постоянства их коэффициента теплопередачи можно считать изменяющимися пропорционально разности температуры внутреннего и наружного воздуха

где Q'огр - теплопотери через ограждающие конструкции при расчетной температуре наружного воздуха; t'в и t'H - расчетная температура, соответственно, внутреннего и наружного воздуха; tH - текущая температура наружного воздуха.

Сложнее характер изменения теплопотерь, связанных с нагреванием поступающего в помещение наружного воздуха, Qн. Помимо изменения температуры tн изменяется и расход воздуха Qн, зависящий от многих факторов и, прежде всего, от разности давления воздуха снаружи и внутри помещения.

Расход воздуха связан с воздушным режимом здания в целом. Например, в жилых многоэтажных зданиях отмечают значительное различие в количестве воздуха, проникающего через окна помещений, расположенных на разных этажах. В общем виде изменение теплопотерь на нагревание поступающего в помещение наружного воздуха определяют по формуле

где Gи =Gи / Gи - относительный расход наружного воздуха, поступающего в помещение (отношение расхода при текущей температуре наружного воздуха к расходу при расчетной температуре).

Характер изменения величины Qи для зданий различной этажности показан на рис. 17.1.

440