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

К достоинствам двухтрубной системы водяного отопления повышенной тепловой устойчивости относится также возможность ее включения в работу после окончания монтажа без проведения специального пуско-наладочного регулирования, характерного для традиционной двухтрубной системы. Регулирующие краны с дросселирующей диафрагмой используют, как и в однотрубной системе, только для эксплуатационного (индивидуального) регулирования теплоотдачи отопительных приборов.

§ 18.2. Двухтрубная система водяного отопления повышенной тепловой устойчивости

Достаточно распространенная в городской застройке однотрубная насосная система водяного отопления не лишена недостатков. При ее эксплуатации тепловой режим в отдельных помещениях отклоняется от заданного вследствие нарушений расчетных условий в системе, вызываемых несоответствием фактической площади нагревательной поверхности приборов расчетной площади и непланомерным изменением температуры и расхода воды. Эти нарушения усугубляются своеобразной цепной реакцией, возникающей при продвижении воды через последовательно соединенные приборы каждого стояка или ветви. В результате при эксплуатации вынужденно проводят центральное регулирование температуры горячей воды, ориентируясь на помещения, находящиеся в неблагоприятных тепловых условиях. Это вызывает перегревание большинства помещений и перерасход теплоты на обогревание зданий.

Тепловой комфорт во всех помещениях и экономия теплоты, расходуемой на отопление, скорее могут быть обеспечены при независимой теплоподаче в каждый отопительный прибор. При этом упрощается индивидуальное регулирование теплоотдачи приборов с учетом теплопоступлений в помещения от других источников. Возможно даже использование приборов для охлаждения помещений в летнее время. Таким образом, по эксплуатационным соображениям систему отопления желательно выполнять по схеме не только с двухтрубными магистралями, но и с двухтрубными стояками. Двухтрубная система водяного отопления была заменена в нашей стране однотрубной в целях экономии металла на теплопроводах, уменьшения затрат труда при производстве заготовительных и монтажных работ, устранения пусконаладочного регулирования, т.е. для улучшения заготови- тельно-монтажных показателей. При этом была также достигнута повышенная эксплуатационная гидравлическая устойчивость.

Следовательно, если систему отопления для придания ей дополнительных эксплуатационных достоинств нужно сделать двухтрубной, то такая система, прежде всего, должна быть равноценна однотрубной по достигнутым показателям.

Равноценность может быть обеспечена при использовании двухтрубных стояков в системе с нижней разводкой. В таких стояках увеличение естественного циркуляционного давления вследствие охлаждения воды в трубах и приборах сопровождается увеличением длины циркуляционных колец. Двухтрубная система с верхним расположением подающей магистрали для этой цели непригодна.

Традиционная вертикальная двухтрубная система отопления (даже с нижней разводкой) отличается при эксплуатации от однотрубной неустойчивостью распределения теплоносителя воды между отопительными приборами по высоте стояков. Неустойчивость распределения воды под воздействием непропорционально изменяющегося естественного циркуляционного давления приводит к значительному вертикальному тепловому разрегулированию в течение отопительного сезона. Этот недостаток насосной двухтрубной системы уже отмечался: в теплый период отопительного сезона перегреваются помещения

462

на нижних этажах, а в холодный период, наоборот, перегреваются помещения на верхних этажах, и недогреваются нижние помещения.

Ранее для преодоления этого недостатка в двухтрубной системе многоэтажного здания предлагалось повысить потери давления в подводках к отопительным приборам за счет установки на них дроссельных кранов повышенного гидравлического сопротивления с дросселирующим устройством (см. рис. 5.13). В настоящее время эта задача решается путем установки на подающей подводке к прибору термостатического клапана с автоматическим количественным регулированием (см. рис. 5.16), с помощью которого можно провести требуемую гидравлическую (монтажную) регулировку системы отопления. Последнее можно осуществить и с помощью специального отключающего крана, установленного на обратной подводке прибора (см. рис. 5.17).

Исследованиями установлено, что потери давления в таких кранах ркр должны быть не меньше максимального естественного циркуляционного давления, возникающего вследствие охлаждения воды, протекающей через отопительные приборы на верхнем этаже обогреваемого здания:

где ре.макс - максимальное естественное циркуляционное давление в двухтрубном стояке, Па, определяемое по формуле (7.35).

При выполнении этого условия двухтрубная система с кранами повышенного гидравлического сопротивления у приборов будет действовать в течение отопительного сезона устойчиво, т.е. без значительного вертикального теплового разрегулирования.

Монтажная настройка термостатического клапана и (или) отключающего крана на обратной подводке к отопительному прибору осуществляется с применением специальных диаграмм по методике, предоставляемой их фирмами-изготовителями.

Диаметр диафрагмы dд, мм, в дроссельном кране можно выбрать как средний после проведения оценочных расчетов по формуле

где Gпр - расход воды, кг/ч, в отопительном приборе, который определяют по тепловым нагрузкам приборов, находящихся в средней зоне (по высоте) трех характерных для системы стояков.

Желательно для всех дроссельных кранов системы принимать один и тот же диаметр диафрагмы. Однако при выборе ее диаметра учитывают возможность возникновения шума при протекании через кран воды, хотя для улучшения акустической характеристики дросселирующую диафрагму делают конусной (со скошенной кромкой отверстия). Диаметр диафрагмы выбирают по расчету в пределах 3...6 мм и проверяют скорость движения воды w, м/с, в подводке перед дроссельным краном вентильного типа по эмпирической формуле

463

где N - номер предельного спектра (ПС) звукового давления, допустимого для помещения; ζ - КМС диафрагмы в кране, отнесенный к скорости w.

Как уже указывалось (см. § 5.6), для жилого помещения (ПС-25) при диаметре диафрагмы в кране 3 мм скорость движения воды в подводке Dyl5 должна составлять 0,1 м/с. Для получения такой скорости, вычисленной по формуле (18.4), тепловая нагрузка отопительного прибора при перепаде температуры воды в нем 25 °С не должна превышать 2000 Вт.

Исходя из ограничений в выборе диаметра диафрагмы в кранах, установлено: при конструировании двухтрубной системы повышенной тепловой устойчивости тепловые нагрузки отопительных приборов должны по возможности выравниваться. Система может применяться в многоэтажных зданиях, имеющих не более восьми этажей.

При использовании дроссельных кранов повышенного гидравлического сопротивления многоэтажные стояки можно, в отличие от обычной двухтрубной системы, выполнять из труб малого диаметра. В 3-5-этажных зданиях допустим единый диаметр труб Dy15 по всей высоте стояков, в 6-8-этажных зданиях - составные стояки из труб Dy15 и 20 мм с тем, чтобы скорость движения воды при максимальном расходе в основании стояков не превышала предельно допустимой. При такой унификации диаметров стояков не только сокращается расход металла, но и устраняется еще один существенный недостаток традиционной двухтрубной системы - "телескопическое" строение стояков из труб различного диаметра, в том числе значительно увеличенного в нижней их части (см. пример 8.8). Подобное строение стояков получается вследствие применения обычного способа их гидравлического расчета, фактически ориентированного на естественную циркуляцию воды в стояках.

Гидравлический расчет двухтрубной системы повышенной тепловой устойчивости начинают с трех характерных для нее стояков (дальнего, среднего и ближнего к тепловому пункту), причем проводят расчет сверху вниз, начиная с подводок к верхним отопительным приборам. Расчет выполняют по способу характеристик сопротивления (см. § 8.4 и пример 8.15) с учетом изменения естественного циркуляционного давления. Потери давления в подводках к приборам определяют по потерям давления в диафрагмах дроссельных кранов. При этом характеристику сопротивления диафрагмы в кране Sд, ПаУ(кг/ч)2, вычисляют по формуле

где dд - выбранный диаметр отверстия диафрагмы в регулирующем кране, мм.

В результате гидравлического расчета стояков получают расход и перепады температуры воды в отопительных приборах. Перепады температуры воды характеризуются постепенным их уменьшением сверху вниз в каждом стояке. Находят также разность насосного давления в основании стояков как исходную величину для продолжения гидравлического расчета участков магистралей между рассчитанными стояками и затем промежуточных стояков.

Тепловой расчет отопительных приборов выполняют после гидравлического расчета, исходя из полученной средней температуры воды в приборах.

К достоинствам двухтрубной системы водяного отопления повышенной тепловой устойчивости относится также возможность ее включения в работу после окончания монтажа без проведения специального пуско-наладочного регулирования, характерного для тради-

464

ционной двухтрубной системы. Регулирующие краны с дросселирующей диафрагмой используют, как и в однотрубной системе, только для эксплуатационного (индивидуального) регулирования теплоотдачи отопительных приборов.

§ 18.3. Однотрубная система водяного отопления с термосифонными отопительными приборами

В массовом гражданском строительстве в конце текущего столетия стали сооружать здания повышенной этажности, имеющие десять этажей и более. В Москве поставлено на поток сооружение 22-этажных жилых зданий. Проектируются и строятся еще более высокие здания.

Для отопления в зданиях повышенной этажности устраивают вертикальную однотрубную систему отопления с конвекторами и "опрокинутой" циркуляцией теплоносителя воды (см. рис. 6.3). Этажестояки системы делают цельносварными, а для регулирования теплоотдачи отопительных приборов используют вместо регулирующих кранов воздушные клапаны в кожухе конвекторов.

Высота таких систем водяного отопления ограничена величиной рабочего давления, допустимого для отопительных приборов. При применении конвекторов, рассчитанных на рабочее давление 1,0 МПа, предельно допустимая высота системы водяного отопления составляет 90 м (см. § 6.3).

Для систем водяного отопления высотой более 90 м можно разработать конвектор, рассчитанный на рабочее давление воды более 1,0 МПа. По расходу металла с конвектором может конкурировать стальной панельный радиатор, обладающий более высоким (примерно в 2 раза) коэффициентом теплопередачи (см. рис. 4.16.)

Выпускаемый ранее в России стальной радиатор был рассчитан на гидростатическое давление, не превышающее 0,6 МПа, подвержен внутренней коррозии, ограничивающей срок его службы. Следовательно, конструкция стального радиатора для применения в системе водяного отопления высотных зданий должна быть изменена. Таким стальным панельным радиатором может быть отопительный прибор с фазовым превращением промежуточного теплоносителя, в котором гидростатическое давление в трубах системы не передается на стенки прибора.

Отопительный прибор с фазовым превращением промежуточного теплоносителя, работающий по принципу термосифона, имеет отвакуумированный при изготовлении плоский корпус со змеевиком Dy 15-20, через который пропускается греющая вода системы отопления. Наружная поверхность змеевика, помещенного в нижней части корпуса, соприкасается с промежуточным теплоносителем (этиловым спиртом), находящимся в приборе в количестве 1,0... 1,5 % внутреннего объема корпуса. Промежуточный теплоноситель при этом испаряется, его пары, конденсируясь затем на внутренней поверхности корпуса, передают теплоту конденсации стенкам и далее через стенки прибора помещению. Змеевик покрыт стальной сеткой для погашения шума, возникающего при испарении промежуточного теплоносителя на его поверхности.

Давление в корпусе термосифонного прибора при температуре первичного теплоносителя 105 °С не превышает 0,10...0,12 МПа, поэтому прибор может изготовляться из листовой стали толщиной 0,5...0,8 мм. Внутренняя коррозия не развивается из-за отсутствия воздуха в корпусе.

465

Оптимальной по затрате металла является высота термосифонного прибора около 1 м, но она может быть ограничена традиционным размером 0,6 м. При этом теплоотдача прибора уменьшается только на 5 %. При теплотехнических испытаниях прибора установлены номинальная плотность теплового потока 652 Вт/м2, приближающаяся к номинальной плотности стальных радиаторов типа РСГ (см. § 4.6), а также заметная зависимость теплопередачи от расхода воды в змеевике. Получена одинаковая теплоотдача прибора при направлении движения теплоносителя воды в змеевике как сверху вниз, так и снизу вверх. Следовательно, термосифонные отопительные приборы целесообразно применять в системах отопления с "опрокинутой" циркуляцией при расходе греющей воды, значительно превышающем номинальные 360 кг/ч, т.е. в однотрубных системах отопления высотных зданий.

Достоинства термосифонного отопительного прибора в сравнении с существующими:

- гладкая поверхность, облегчающая очистку ее от пыли;

- уменьшенная масса прибора (почти на 50 %), при которой тепловое напряжение металла возрастает до 1,7 Вт/(кг°С);

- малая тепловая инерция.

Недостатком прибора является сложность изготовления, связанная с необходимостью вакуумирования и заправки корпуса промежуточным теплоносителем. Затруднительно регулирование теплоотдачи прибора, заключающееся в изменении площади змеевикаиспарителя путем осушения части его поверхности.

§ 18.4. Комбинированное отопление

Комбинированными принято называть системы центрального отопления с двумя теплоносителями, когда первичный теплоноситель (вода, пар) используют для нагревания вторичного (воды, воздуха). В связи с широким распространением в нашей стране централизованного водяного теплоснабжения большинство систем центрального отопления фактически стали комбинированными - водо-водяными или водовоздушными.

В настоящее время под комбинированным отоплением стали понимать сочетание двух режимов работы системы или двух систем для отопления одного и того же помещения с переменным тепловым режимом (см. § 15.3). Проводится также совершенствование работы и устройства систем отопления для улучшения теплового режима помещений и сокращения теплозатрат на отопление зданий. Конструктивно похожее решение встречалось и ранее, когда для отопления периодически используемого производственного помещения предусматривались две системы отопления различной мощности: одна для рабочего периода времени, другая (дежурная) - для нерабочего.

Различают комбинированное отопление двухрежимное, двухкомпонентное, с прерывистым режимом.

Двухрежимным называют отопление, работающее при различной температуре одного и того же теплоносителя в разное время суток. Двухрежимной является система водяного отопления, в которой в рабочий период времени циркулирует вода при пониженной температуре (для полезного использования внутренних тепловыделений), а в нерабочий период - при повышенной (или наоборот). Для понижения температуры включают смесительный насос, для повышения - применяют прямоточную подачу теплоносителя из наружного теплопровода без подмешивания охлажденной воды.

466

Двухрежимной может быть также система воздушного отопления, совмещенная с приточной вентиляцией в рабочий период времени, и рециркуляционная в нерабочий период. Температура подаваемого воздуха в первый период ниже, чем во второй.

Двухкомпонентным считают отопление двумя системами, дополняющими одна другую для обеспечения необходимой теплоподачи в помещения. Первую систему, обычно водяного отопления, называемую фоновой или базисной, устраивают пониженной мощности (например, 30 % расчетной теплопотребности рядовых помещений) для постоянного нерегулируемого действия в течение всего отопительного сезона. Задача этой системы - выравнивать дефицит теплоты, приходящейся на единицу площади или объема рядовых и угловых, нижних и верхних однотипных помещений здания (искусственно создавать одинаковые удельные тепловые характеристики основных помещений).

Вторую систему водяного воздушного, газового или электрического отопления, называемую дозревающей, предусматривают дополнительной мощности для поддержания необходимой температуры воздуха, как в рабочий, так и нерабочий периоды времени. Действие догревающей системы автоматизируют для работы по заданной программе.

Комбинированное отопление может действовать с перерывами, и тогда тепловой режим помещений характеризуется тремя состояниями: постоянства температуры в течение рабочего времени, свободного понижения температуры при выключенной догревающей системе и натопа помещений перед началом работы или в праздничные дни (§ 19.5). Возможны также различные сочетания перечисленных видов комбинированного отопления, когда предусматривают двухрежимную работу одной или обеих систем двухкомпонентного отопления.

Для примера остановимся на использовании принципов комбинированного отопления в системе центрального воздушного отопления многоэтажного здания.

Основными недостатками центрального воздушного отопления являются значительные площади поперечного сечения и поверхности воздуховодов, занимающих определенный объем в здании. Из-за этого увеличиваются расход металла и стоимость системы, нагретый воздух охлаждается по пути движения, возникает вертикальное тепловое разрегулирование под влиянием естественного давления. Система нуждается в совершенствовании еще и потому, что в различные помещения подается воздух одинаковой температуры.

Можно исключить попутное охлаждение нагретою воздуха и ослабить влияние силы гравитации на перемещение воздуха, если при центральной обработке наружного воздуха нагревать его лишь до температуры помещений. В этом случае центральный подогреватель дополняют местными нагревателями для группы или для каждого помещения.

На рис. 18.1, а дана схема использования группового нагревателя, снабжаемого воздухом, центрально подогретым до tв=15...20 °C, через ответвление от распределительного воздуховода/Воздух, дополнительно нагретый, максимально до 60 °С, выпускают под потолком каждого помещения через регулятор подачи воздуха с шумоглушителем. В такой системе обеспечивают групповое качественное и индивидуальное количественное регулирование. На рис. 18.1, б показан групповой нагреватель для выпуска горячего воздуха под окнами помещений через подпольные или подвесные воздуховоды и регуляторы подачи воздуха.

467

Отопление обеспечивает необходимый тепловой режим зданий в зимний период года с затратой около 25 % энергии в балансе страны. Поэтому в регионах с суровым и продолжительным отопительным сезоном, типичным для большей части территории России, эффективное использование энергии для отопления является определяющим моментом экономии ее для теплообеспечения зданий.

Последовательность проектирования оптимального отопления логически соответствует алгоритму - последовательности проектирования при создании современного ЗЭИЭ.

После выбора расчетных внутренних и наружных климатических условий существенным является выбор энергетически рациональных градостроительных, объемнопланировочных и конструктивных решений здания.

Прежде всего, необходимо стремиться, чтобы здание, его теплозащитные свойства были бы в энергетическом отношении наилучшими. Нет смысла бороться за эффективное использование энергии на отопление в здании, которое имеет недостаточную теплозащиту, плохо герметизировано. Расчеты и опыт эксплуатации здания показывают, что выгоднее в 2 раза дополнительно утеплить и герметизировать здание, чем пытаться в плохо защищенном здании достичь такого же результата за счет совершенствования эффективности только системы отопления. Есть такое выражение, что самой дешевой является энергия, которую не надо расходовать.

Рассмотрим, в чем должна заключаться оптимизация градостроительных, объемнопланировочных и конструктивных решений здания с позиции экономии энергии для отопления.

Градостроительные решения применительно к рассматриваемому вопросу связаны, прежде всего, с выбором формы и компактности застройки, а также места расположения источника теплоснабжения. Повышение плотности жилой застройки на 10 % обеспечивает снижение суммарной теплопотребности на 5...7 % по сравнению со стандартной застройкой.

Рациональное размещение потребителей теплоты относительно источника, при котором наблюдается пропорциональное снижение нагрузок по мере удаления от источника, дополнительно обеспечивает снижение бесполезных потерь еще на 15...20 %.

Энергоэкономический эффект, достигаемый только за счет отмеченных градостроительных решений, оказывается существенным. При этом обеспечиваются дополнительные экономические и технологические преимущества, например, на 2...3 % снижается материалоемкость, а также повышается надежность системы энергообеспечения за счет сокращения ее общей протяженности.

Существенное сокращение потерь теплоты на отопление обеспечивает рациональная аэродинамика застройки. В частности, при уменьшении скорости ветра в зоне застройки можно сократить в 2...3 раза инфильтрационные теплопотери зданиями, что равноценно экономии 0,1 кг условного топлива на 1 м2 в год. В этих целях могут быть использованы специальные ветроломные щиты в виде лесонасаждений, рациональное строительное зонирование застройки по этажности со снижением обдуваемости отдельных зданий и другие приемы. Градостроительные решения применительно к рассматриваемому вопросу связаны также с выбором ориентации здания по сторонам горизонта и его положения в застройке. На юге предпочтительна широтная, на севере - меридиональная ориентация зданий с целью использования теплоты солнечной радиации для отопления и во избежание

470