Инженерные системы

Оборудование систем отопления

Все отопительные приборы по преобладающему способу теплоотдачи делятся на три группы.

* Радиационные приборы" передающие излучением не менее 50% общего теплового потока. К первой группе относятся потолочные отопительные панели и излучатели.

* Конвективно-радиационные приборы" передающие конвекцией от 50 до 75% общего теплового потока. Вторая группа включает радиаторы секционные и панельные" гладкотрубные приборы" напольные отопительные панели.

* Конвективные приборы" передающие конвекцией не менее 75% общего теплового потока. К третьей группе принадлежат конвекторы и ребристые трубы.

В эти три группы входят отопительные приборы пяти основных видов: радиаторы секционные и панельные" гладкотрубные приборы (эти три вида приборов имеют гладкую внешнюю поверхность)" конвекторы" ребристые трубы (имеют ребристую поверхность). К приборам с ребристой внешней поверхностью относятся также калориферы" применяемые для нагревания воздуха в системах воздушного отопления" вентиляции и кондиционирования воздуха. По используемому материалу различают металлические" комбинированные и неметаллические отопительные приборы. Металлические приборы выполняют в основном из серого чугуна и стали (листовой стали и стальных труб). Применяют также медные трубы" листовой и литой алюминий и другой металл. В комбинированных приборах используют теплопроводный материал (бетон" керамику)" в который заделывают стальные или чугунные греющие элементы (панельные радиаторы). Оребрённые металлические трубы помещают в неметаллический кожух (конвекторы). К неметаллическим приборам относят бетонные панельные радиаторы" потолочные и напольные панели с заделанными металлическими или пластмассовыми греющими трубами или с пустотами без труб" а также керамические" пластмассовые и тому подобные радиаторы. По высоте вертикальные отопительные приборы подразделяют на высокие (высотой более 650 мм)" средние (от 400 до 650 мм) и низкие (от 200 до 400 мм). Приборы высотой 200 мм и менее называют плинтусными. По глубине (толщине) применяются приборы малой (до 120 мм)" средней (от 120 до 200 мм) и большой глубины (более 200 мм).

По величине тепловой инерции можно выделить приборы малой и большой инерции. К приборам малой тепловой инерции относят приборы" имеющие небольшую массу материала и вмещаемой воды. Такие приборы с греющими трубами малого диаметра (например" конвекторы) быстро изменяют теплоотдачу при регулировании количества подаваемого теплоносителя. Приборами" обладающими большой тепловой инерцией" считают массивные приборы" вмещающие значительное количество воды (например" чугунные радиаторы). Такие приборы изменяют теплоотдачу сравнительно медленно.

Ниже дано более подробное описание основных видов отопительных приборов" применяемых в строительстве современных зданий.

Радиатором принято называть прибор" состоящий либо из отдельных колончатых элементов" либо из плоских блоков. Секции радиаторов изготавливаются из серого чугуна" стали или алюминия и могут компоноваться в приборы различной площади путём их соединения на резьбовых ниппелях. Несколько секций в сборе называют секционным радиатором. Чугунные радиаторы отличаются компактностью и долговечностью (стойкостью против коррозии). Однако они металлоёмки" производство их трудоёмко" монтаж затруднителен из-за большого веса" очистка от пыли неудобна" внешний вид непривлекателен. Распространённые в настоящее время алюминиевые секционные радиаторы значительно легче" удобны в монтаже" имеют современный внешний вид. Прибор" состоящий из стальных секций" используется реже" прежде всего из-за низкой коррозионостойкости.

Плоские блоки радиаторов свариваются из двух штампованных стальных листов" образуя приборы малой глубины и различной длины" называемые стальными панельными радиаторами. Наружная поверхность такого радиатора имеет определённый профиль для увеличения теплоотдающей поверхности" а может быть и абсолютно гладкой. Панельный радиатор может состоять из одного" двух и трех параллельных блоков. Для увеличения конвективной составляющей теплоотдачи прибора между блоками может размещаться дополнительное оребрение. Количество плоских блоков и рядов оребрения в современной конструкции панельного радиатора" изготовленного по европейскому стандарту" указывается в его марке. Например" прибор марки 21 имеет два плоских блока (первая цифра) и один ряд оребрения (вторая цифра). Стальные панельные радиаторы отличаются меньшей массой" увеличенной излучательной способностью. Они соответствуют интерьеру отапливаемых помещений" достаточно легко очищаются от пыли. Их монтаж облегчён" производство механизировано.

Плоские блоки радиаторов делают также из тяжелого бетона (бетонные отопительные панели)" применяя нагревательные элементы из металлических или пластмассовых труб. Бетонные панели располагают в наружных ограждающих конструкциях помещений (совмещённые панели) или приставляют к ним (приставные панели). Бетонные панели" особенно совмещённого типа" отвечают санитарно-гигиеническим и архитектурно-строительным требованиям. К недостаткам совмещённых панелей относятся трудность ремонта" большая тепловая инерция" усложняющая регулирование теплоотдачи" увеличение теплопотерь через дополнительно прогреваемые наружные конструкции зданий. Поэтому в настоящее время они применяются ограниченно.

Гладкотрубным называют прибор" состоящий из нескольких соединенных стальных труб большого (32…100 мм) диаметра. Гладкотрубные приборы обладают высокой теплопередающей способностью" их легко очищать от пыли. Вместе с тем эти толстостенные приборы тяжелы и громоздки" занимают много места" их внешний вид не соответствует современным требованиям" предъявляемым к интерьеру помещений. Их применяют в тех случаях" когда не могут быть использованы отопительные приборы других видов (например" для обогревания производственных помещений и гаражей).

Конвектор состоит из двух элементов: трубчато-ребристого нагревателя и кожуха. Кожух декорирует нагреватель и способствует повышению теплопередачи благодаря увеличению подвижности воздуха у его поверхности. Конвектор с кожухом передаёт в помещение конвекцией 90…95% общего теплового потока. Прибор" в котором функции кожуха выполняет оребрение нагревателя" называют конвектором без кожуха . Нагреватель выполняют из стали" меди" алюминия и других металлов" кожух - из листовых материалов (как правило" стали). Конвекторы обладают сравнительно низкими теплотехническими показателями" особенно при использовании в двухтрубных системах отопления" и считаются отопительными приборами с малой тепловой инерции. Теплопередача конвектора возрастает при искусственно усиленной конвекции воздуха у поверхности нагревателя" если в кожухе установить вентилятор специальной конструкции (вентиляторный конвектор). Подобный конвектор может быть утоплен в специальный подпольный канал" расположенный вдоль наружных лучепрозрачных ограждений. Низкие (плинтусные) конвекторы с кожухом дополняются при установке цепочками межприборными вставками для декорирования горизонтальных труб" соединяющих смежные приборы. Конвекторы без кожуха занимают мало места по глубине" но их приходится устанавливать в несколько ярусов или рядов" что придает им непривлекательный внешний вид. Конвекторы не применяются при повышенных санитарно-гигиенических требованиях к отапливаемым помещениям.

Ребристой трубой называют конвективный прибор" представляющий собой трубу" наружная поверхность которой покрыта совместно отлитыми тонкими рёбрами. К недостаткам чугунных ребристых труб относятся неэстетичный внешний вид" малая механическая прочность рёбер и трудность очистки от пыли. Сейчас их заменяют оребрёнными стальными трубами (например" прибором с прилитыми алюминиевыми рёбрами).

При выборе вида и типа отопительного прибора учитывают ряд факторов: назначение" архитектурно-технологическую планировку и особенности теплового режима помещения" место и продолжительность пребывания людей" вид системы отопления" технико-экономические и санитарно-гигиенические показатели прибора.

При повышенных санитарно-гигиенических" а также противопожарных и противовзрывных требованиях" предъявляемых к помещению" выбирают приборы с гладкой поверхностью. При обычных санитарно-гигиенических требованиях можно использовать приборы с гладкой и ребристой поверхностью. В помещениях" предназначенных для кратковременного пребывания людей (менее 2 ч)" можно использовать приборы любого типа" отдавая предпочтение приборам с высокими технико-экономическими показателями.

Благоприятным с точки зрения создания теплового комфорта для людей является обогревание помещения через пол. Тёплый пол" равномерно нагретый до температуры" допустимой по санитарно-гигиеническим требованиям" обеспечивает ровную температуру и слабую циркуляцию воздуха" устраняет перегревание верхней зоны помещения. Сравнительно высокая стоимость и трудоёмкость устройства тёплого пола для отопления помещения часто предопределяют замену его вертикальными отопительными приборами как более компактными и дешёвыми. Есть еще одна причина" по которой применение тёплого пола для отопления в большинстве районов России ограничено. Связано это с гигиеническим ограничением в СНиП [1] температуры на поверхности нагретого пола (например" в жилой комнате не более 26°C). При нормируемой температуре теплоотдача от этой поверхности не компенсирует расчётные теплопотери помещения. В любом случае" применение тёплого пола для отопления помещений требует достаточного обоснования и тщательного теплового расчета.

В средней полосе и северных районах России отопительный прибор целесообразно устанавливать вдоль наружной стены помещения и" особенно" под окном. При таком его размещении возрастает температура внутренней поверхности в нижней части наружной стены и окна" что повышает тепловой комфорт помещения" уменьшая радиационное охлаждение людей. Поток тёплого воздуха при расположении прибора под окном препятствует образованию ниспадающего потока холодного воздуха и движению воздуха с пониженной температурой у пола помещения. Длина прибора для этого должна быть не менее трех четвертей ширины оконного проема.

Вертикальный отопительный прибор следует размещать как можно ближе к полу помещения" но не ближе 60 мм от пола для удобства очистки подприборного пространства от пыли. При значительном подъёме прибора над полом в помещении создается охлаждённая зона" так как циркуляционные потоки нагреваемого воздуха" замыкаясь на уровне установки прибора" не прогревают в этом случае нижнюю часть помещения. Чем ниже и длиннее сам по себе отопительный прибор" тем ровнее температура помещения" и лучше прогревается его рабочая зона. Высокий и относительно короткий отопительный прибор вызывает активный подъём струи тёплого воздуха" что приводит к перегреванию верхней зоны помещения и опусканию охлаждённого воздуха по обеим сторонам такого прибора в рабочую зону.

Рассмотренная выше проблема в настоящее время усугубляется еще и тем" что согласно действующим нормативным требованиям к теплозащите зданий [2] значительно сократились теплопотери отапливаемых помещений. При этом уменьшилась и площадь отопительных приборов" что" в свою очередь" снижает возможность максимально перекрыть прибором подоконное пространство. Решить эту задачу обеспечения комфорта в помещении" в частности" возможно путём применения низких отопительных приборов или за счет увеличения их установочной площади при снижении расчётных температурных параметров теплоносителя (до 50…70°C). Следует отметить" что последнее решение приведёт к увеличению стоимости отопительной системы в целом.

Особое размещение отопительных приборов требуется в лестничных клетках - вертикальных шахтах снизу доверху здания. Естественное движение воздуха в лестничных клетках в зимний период" усиливающееся с увеличением высоты" способствует теплопереносу в верхнюю их часть и вместе с тем вызывает переохлаждение нижней части" прилегающей к открывающимся наружным дверям. Таким образом" в лестничных клетках целесообразно располагать отопительные приборы в нижней их части рядом с входными дверями. В многоэтажных зданиях в настоящее время для отопления лестничных клеток применяют высокие конвекторы и рециркуляционные воздухонагреватели. В малоэтажных зданиях обычно используют приборы" выбранные для отопления основных помещений. Их размещают на первом этаже при входе и" в крайнем случае" переносят часть приборов (до 20% от их общей площади в двухэтажных" до 30% - в трехэтажных зданиях) на промежуточную лестничную площадку между первым и вторым этажами. Установка отопительного прибора во входном тамбуре с наружной дверью нежелательна во избежание замерзания воды в нём или в отводной трубе в том случае" если наружная дверь длительное время остаётся открытой.

Все отопительные приборы располагают так" чтобы были обеспечены их осмотр" очистка и ремонт. Вместе с тем вертикальные приборы редко устанавливают открыто у глухой стены. Их размещают под подоконниками" в стенных нишах" иногда специально ограждают или декорируют. Если по какой-либо причине ограждение или декорирование прибора необходимо" то теплоотдача укрытых приборов по возможности не должна уменьшаться (или уменьшаться не более чем на 10%). Поэтому конструкция укрытия прибора" вызывающая сокращение теплоотдачи излучением" должна способствовать увеличению конвективной теплоотдачи.

Тепловой расчёт отопительных приборов заключается в определении площади внешней нагревательной поверхности каждого прибора" обеспечивающей необходимый тепловой поток от теплоносителя в помещение. Расчёт проводится при температуре теплоносителя" устанавливаемой для условий выбора тепловой мощности приборов. Для теплоносителя воды это максимальная средняя температура воды в приборе" связанная с её расходом. Тепловая мощность прибора" т. е. его расчётная теплоотдача" определяется теплопотребностью помещения за вычетом теплоотдачи теплопроводов" проложенных в этом помещении. Площадь теплоотдающей поверхности зависит от принятого вида прибора" его расположения в помещении и схемы присоединения к трубам. Эти факторы отражаются на значении поверхностной плотности теплового потока прибора. После определения расчётной площади нагревательной поверхности прибора по каталогу подбирается ближайший торговый его размер (число секций или марка панельного радиатора" длина конвектора" ребристой или гладкой трубы).

Расчётные условия" для которых выбран отопительный прибор" наблюдаются при отоплении зданий далеко не всегда. В течение отопительного сезона изменяется температура наружного воздуха" на здания эпизодически воздействуют ветер и солнечная радиация" тепловыделения в помещениях неравномерны. Поэтому для поддержания теплового режима помещений на заданном уровне необходимо в процессе эксплуатации регулировать теплопередачу отопительных приборов. Эксплуатационное регулирование теплового потока отопительных приборов может быть качественным и количественным.

Качественное регулирование достигается изменением температуры теплоносителя" подаваемого в систему отопления. Такое регулирование по месту осуществления может быть центральным" проводимым на тепловой станции" и местным" выполняемым в тепловом пункте здания. В жилищном строительстве проводят также групповое регулирование в ЦТП.

Количественное регулирование теплопередачи отопительных приборов осуществляется изменением количества теплоносителя" подаваемого в систему или прибор. По месту проведения оно может быть не только центральным и местным" но и индивидуальным" т. е. выполняемым у каждого прибора.

Эксплуатационное регулирование теплопередачи приборов может быть автоматизировано. Местное автоматическое регулирование в тепловом пункте здания обычно проводят" ориентируясь на изменение температуры наружного воздуха (этот способ регулирования называют "по возмущению"). Индивидуальное автоматическое регулирование теплопередачи прибора происходит при отклонении температуры воздуха в помещении от заданного уровня (регулирование "по отклонению").

Для ручного регулирования теплопередачи приборов служат краны и вентили. Конструкцию регулирующего крана выбирают в зависимости от вида системы водяного отопления. В двухтрубных системах применяют краны индивидуального регулирования" отвечающие двум требованиям: они имеют повышенное гидравлическое сопротивление и допускают проведение монтажно-наладочного (первичного) и эксплуатационного (вторичного) количественного регулирования. Эти краны называют кранами "двойной регулировки". В однотрубных системах используют краны индивидуального регулирования" обладающие незначительным сопротивлением. Эти краны не имеют приспособлений для осуществления первичного регулирования и являются кранами только эксплуатационного (вторичного) регулирования.

В последние годы для регулирования теплоотдачи отопительных приборов систем водяного отопления применяются термоклапаны - устройства" обеспечивающие автоматическое изменение расхода теплоносителя через прибор. Термоклапан состоит из регулирующего крана и специальной термоголовки - единой конструкции" работающей" как регулятор прямого действия. Принцип работы регулятора основан на изменении объёма среды (термореактивного материала" например" резины)" заполняющей встроенный в термоголовку баллон (сильфон)" при повышении или понижении температуры окружающего воздуха" что вызывает перемещение клапана регулятора в потоке теплоносителя. Термоклапаны выпускаются с пониженным (для однотрубных систем отопления) и повышенным (для двухтрубных систем) гидравлическим сопротивлением. Конструкция последних" как правило" обеспечивает не только эксплуатационное" но и монтажное регулирование систем.

Для индивидуального ручного регулирования теплопередачи приборов применяют также воздушные клапаны в кожухе конвекторов . Клапаном регулируется количество воздуха" циркулирующего через нагреватель конвектора. Достоинством этого способа регулирования" так называемого регулирования "по воздуху"" является сохранение постоянного расхода теплоносителя в отопительных приборах.

Обеспечить монтажное регулирование систем водяного отопления можно также при установке на обратной подводке отопительного прибора специального запорно-регулирующего крана. Его можно использовать и для отключения отдельного прибора" например" при необходимости его аварийной замены без остановки системы отопления в целом. Запорно-регулирующий шток крана скрыт под защитной крышкой" так как он не предназначен для эксплуатационного регулирования отопительного прибора.

Для пропуска теплоносителя используют трубы: металлические (стальные" медные и др.) и неметаллические (пластмассовые и др.).

До настоящего времени в России чаще всего для систем отопления используют неоцинкованные (чёрные) стальные водогазопроводные или электросварные трубы. Соединение стальных теплопроводов между собой" с отопительными приборами и арматурой может быть неразборным - сварным и разборным (для ремонта отдельных частей) - резьбовым или болтовым. Резьбовое разборное соединение предусматривают в основном у отопительных приборов и арматуры для их демонтажа в случае необходимости.

За последние годы" особенно в индивидуальном жилищном строительстве" все чаще используются трубы" изготовленные из медных сплавов. Медные трубы отличаются значительной коррозионной стойкостью и долговечностью. Их соединение в процессе монтажа осуществляется методом пайки или сварки. Трубы выпускаются в виде прямых отрезков или" учитывая" что медь более мягкий материал" чем сталь" в бухтах. Использование мягкой меди позволяет значительно снизить стоимость системы отопления и сократить сроки монтажа за счет уменьшения количества соединительных элементов (фитингов).

Все большее распространение для монтажа сантехнических систем получают трубы из полимерных материалов (пластиковые или пластмассовые). Эти трубы также имеют высокую коррозионную стойкость и длительный срок службы (до 50 лет) с сохранением" в отличие от стальных труб" их первоначальных свойств. Полимерные трубы отличаются лёгкостью (в 6…7 раз легче стальных)" высокими шумопоглощающими свойствами и пластичностью" что важно" например" для сохранения их прочностных свойств при возможном замерзании транспортируемой по ним воды. Трубы поставляются на строительный объект в бухтах и за счёт этого их монтаж в значительной мере облегчён. В зависимости от фирмы-изготовителя монтажное соединение труб осуществляется с помощью специального инструмента с использованием самых разнообразных технологий: механический обжим" пайка" сварка" склейка. Многолетняя практика использования полимерных труб в системах отопления выявила их существенный недостаток - высокую проницаемость (диффундирование) атмосферного воздуха через их стенки и насыщение теплоносителя кислородом. Этого недостатка лишены металлополимерные (металлопластиковые) трубы" в стенки которых добавляется защитный слой в виде тонкой" как правило" алюминиевой фольги. В системах отопления пластиковые трубы применяются только в случае их скрытой в строительной конструкции (стене" перекрытии) прокладки.

Прокладка труб в помещениях может быть открытой и скрытой. Открытая прокладка более простая и дешёвая. По технологическим" гигиеническим или архитектурно-планировочным требованиям прокладка труб может быть скрытой. Магистрали при этом переносят в технические помещения (подвальные" чердачные и т. п.)" стояки и подводки к отопительным приборам размещают в специально предусмотренных шахтах и бороздах (штробах) в строительных конструкциях или встраивают (замоноличивают) в них. При этом в местах расположения разборных соединений и арматуры устраивают лючки.

При прокладке теплопроводов учитывают предстоящее изменение длины труб в процессе эксплуатации системы отопления. Компенсацию удлинения труб осуществляют" как правило" за счет особого устройства трубных элементов конструкции системы" реже - за счет использования специальных компенсаторов. В местах пересечения междуэтажных перекрытий трубы заключают в гильзы для обеспечения их свободного движения при изменении длины.

Магистрали систем отопления прокладывают" как правило" с отклонением от горизонтали - уклоном. Уклон горизонтальных магистралей необходим для отвода в процессе эксплуатации скоплений воздуха (в верхней части систем)" а также для самотёчного спуска воды из труб при ремонте (в нижней их части).

Для обеспечения надёжной эксплуатации оборудования тепловых пунктов и систем отопления используется различная запорная арматура" предназначенная в основном для отключения оборудования и отдельных узлов системы для ремонта или локализации аварийной ситуации. Для этих целей используют проходные (пробочные) или шаровые краны. Последние в настоящее время практически вытеснили другую запорную арматуру. Объясняется это" прежде всего" их высокой надежностью (безотказностью в работе и долговечностью). На трубы большого диаметра устанавливают задвижки.

В системах водяного отопления могут образовываться скопления воздуха (воздушные пробки)" которые нарушают циркуляцию теплоносителя и вызывают шум и коррозию. Для борьбы с этим явлением при конструировании системы прибегают к различного рода мероприятиям при прокладке труб" а также используют специальное оборудование (воздухосборники" воздушные краны" воздухоотводчики).

Для уменьшения бесполезных теплопотерь трубы в неотапливаемых помещениях и в других местах" где возможно замерзание теплоносителя" покрывают слоем тепловой изоляции. Оптимальную толщину слоя находят путем технико-экономического расчета.

Для исключения вибрации и шума в системах отопления трубы в местах прохода через стены и перекрытия помещений снабжают амортизирующими прокладками из резинового полотна. Зазоры между трубами" прокладками и строительными конструкциями заделывают упругой негорючей мастикой.

Шум также может возникать в системах отопления при движении теплоносителя с высокой скоростью. В связи с этим СНиП [1] установлены общие ограничения скорости движения воды в теплопроводах систем отопления.