Отопление

Котельная на базе напольного котла с бойлером

горячего водоснабжения

Отопление - исскуственное, с помощью специальной установки или системы, поддержание в закрытых помещениях нормированной оптимальной температуры с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта, а иногда и требованиям технологического процесса. Отличие современного отопления заключается в автоматическом поддержании (регулировании) в помещении температуры воздуха на индивидуальном уровне с целью обеспечения теплового комфорта.

Краткая история

Отопительная техника имеет многовековую историю. Первые отопительные устройства были известны ещё в каменном веке. В начале нашей эры появились отопительные печи с отводом продуктов горения через дымовые трубы. Совершенствуясь, эти печи долгое время были основным видом отопления.
Важный этап в развитии отопительной техники связан с возникновением центральных систем отопления. Наиболее ранней явилась система отопления, функционировавшая благодаря сети каналов, размещенных под полом, по которым пропускались дымовые газы из печи.
С XV века уже применялось воздушное отопление с подачей в помещение воздуха, нагревавшегося при соприкосновении с поверхностями печи. Системы водяного и парового отопления получили развитие в XVI века. К началу XX века относится создание лучистого и панельного отопления, развитие систем центрального отопления, теплофикации и централизованного теплоснабжения.

Характеристики отопления

Конвективное отопление на примере трубчатого радиатора

В зависимости от преобладающего способа теплопередачи отопление помещений может быть конвективным и лучистым

Конвективное отопление

Вид отопления, при котором тепло передается благодаря перемешиванию объемов горячего и холодного воздуха. К недостаткам конвективного отопления относится большой перепад температур в помещении (высокая температура воздуха наверху и низкая внизу) и невозможность вентиляции помещения без потерь тепловой энергии.

Лучистое отопление

Вид отопления, когда тепло передается в основном излучением, и в меньшей степени – конвенцией. Приборы для отопления размещаются непосредственно над обогреваемой зоной (под потолком, или вмонтированы в потолок).

Система отопления

Схема системы отопления:
1 - теплогенератор или теплообменник;
2 - подача топлива или подвод первичного теплоносителя;
3 - подающий теплопровод;
4 - отопительный прибор;
5 - обратный теплопровод

Система отопления - это совокупность технических элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи во все обогреваемые помещения количества теплоты, необходимого для поддержания температуры на заданном уровне.
Основные конструктивные элементы системы отопления:

• теплоисточник (теплогенератор при местном или теплообменник при централизованном теплоснабжении) - элемент для получения теплоты;
• теплопроводы - элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;
• отопительные приборы - элемент для передачи теплоты в помещение.

Перенос по теплопроводам может осуществляться с помощью жидкой или газообразной рабочей среды. Жидкая (вода или специальная незамерзающая жидкость - антифриз) или газообразная (пар, воздух, продукты сгорания топлива) среда, перемещающаяся в системе отопления, называется теплоносителем.

К системам отопления предъявляют следующие требования:

• санитарно-гигиенические — системы отопления должны равномерно обогревать помещения в течение всего отопительного периода без ухудшения состояния воздуха и с ограничением температуры поверхности отопительных приборов;
• экономические — приведенные затраты на отопление должны быть минимальными;
• архитектурно-строительные — системы отопления должны быть компактны и увязываться со строительными конструкциями;
• монтажные — должен обеспечиваться монтаж систем отопления индустриальными методами с максимальным использованием унифицированных узлов заводского изготовления при минимальном количестве типоразмеров;
• эксплуатационные — системы отопления должны быть просты, удобны в управлении и ремонте, бесшумны и безопасны.

Деление требований на пять групп условно, так как в них входят требования, относящиеся как к периоду проектирования и строительства, так и эксплуатации здания.

Классификация систем отопления

Системы отопления можно классифицировать по следующим параметрам:

• По расположению основных элементов системы:
  • местные,
  • центральные.
• По типу теплоносителя:
  • воздушные,
  • паровые,
  • водяные,
  • электрические,
  • комбинированные.
• По способу организации циркуляции телпоносителя:
  • с естественной циркуляцией,
  • с принудительной циркуляцией.
• По расположению магистральных трубопроводов:
  • с верхним расположением,
  • с нижним,
  • с комбинированным,
  • с опрокинутым расположением.
• По схеме движения теплоносителя в магистральных трубопроводах:
  • тупиковые,
  • попутные.
• По геометрическому расположению стояков:
  • горизонтальные,
  • вертикальные.
• По конфигурации стояков и способу присоединения отопительных приборов:
  • однотрубные,
  • двухтрубные,
  • бифилярные.
• По типу передачи теплоты:
  • конвективные,
  • лучистые,
  • конвективно-лучистые.
• По гидравлическим режимам:
  • с постоянным (квазистационарным) режимом,
  • с переменным режимом.
• По величине температуры теплоносителя в подающей магистрале:
  • высокотемпературные,
  • низкотемпературные.
• По режиму работы:
  • системы, работающие постоянно на протяжении отопительного периода,
  • периодические (в том числе и аккумулирующие) системы отопления.

При классификации систем отопления дается характеристика системы по этим параметрам, например:

Центральная водяная насосная (с принудительной циркуляцией) система отопления с нижней разводкой, тупиковая, вертикальная двухтрубная с переменным гидравлическим режимом, с панельными радиаторами (отопительными приборами) и т.д.

Местная система отопления

Системы отопления, в которых генератор теплоты, теплопроводы и отопительный прибор конструктивно объединены в одном устройстве, установленном в обогреваемом помещении, называют местными системами отопления. Местные системы отопления разделяют на:

• печное отопление,
• газовое отопление,
• электрическое отопление,
• отопление воздушно-отопительными агрегатами.

Радиус действия местных систем отопления ограничен одним—тремя помещениями.

Печное отопление

Печное отопление относится к местным системам отопления, при которых получение, перенос и передача теплоты происходят в одном и том же обогреваемом помещении. Теплота генерируется при сгорании топлива в топливнике печи. Горячие дымовые газы нaгpeвают внутреннюю поверхность каналов дымооборотов, теплота через стенки каналов передается в отапливаемое помещение. Охладившиеся дымовые газы удаляются через дымовую трубу в атмосферу.

Топливо сжигается в печи периодически, поэтому теплота поступает в помещение неравномерно, и в нем наблюдается нестационарный тепловой режим. Наибольшая теплоотдача печи приходится на конец топки, когда температура ее стенок достигает максимума. Наименьшая теплоотдача относится ко времени перед началом очередной топки.

Классификация отопительных печей

Конструктивное исполнение печей чрезвычайно разнообразно. На конструкцию оказывают влияние вид используемого топлива и технология возведения печей. Отличаются ocновные материалы массива, толщина eгo стенок, форма печей в плане и их высота. Различны мoгут быть схемы движения дымовых газов внутри печей и способы их отвода в атмосферу.

По теплоемкости печи делят на:

• теплоемкие;
• не теплоемкие.

Период времени от конца одной топки до начала другой называется сроком остывания печи. Понятие о сроке остывания относится к теплоемким печам, так как не теплоемкие печи теплоту не аккумулируют и требуют постоянной топки.

По температуре теплоотдающей поверхности в соответствии с предъявляемыми требованиями различают печи:

• умеренного прогрева (толстостенные печи с толщиной стенок 120 мм и более, нагревающиеся в отдельных местах до температуры 90°С);
• повышенного прогрева (тонкостенные печи с толщиной стенок газохода до 70 мм, температура поверхности которых в отдельных точках доходит до 110... 120°С);
• высокого прогрева (печи, температура поверхности которых не ограничена).

По схеме движения дымовых газов печи устраивают:

• с движением газов по каналам, соединенным последовательно:
  • однооборотные с одним подъемным каналом,
  • двухоборотные с двумя подъемными каналами,
  • многооборотные с восходящим движением газов по нескольким подъемным каналам;
• с движением газов по каналам, соединенным параллельно:
  • однооборотные,
  • двухоборотные;
• со свободным движением газов:
  • бесканальные (колпаковые);
• с движением газов по комбинированной системе каналов с нижним прогревом (с подтопочным дымооборотом):
  • с последовательной,
  • с параллельной
  • с бесканальной надтопочной частью;
• с движением гaзов по каналам, соединенным последовательно вокруг тепловоздушных камер.

По материалу массива и отделке внешней поверхности печи бывают (в порядке убывания теплоемкости):

• кирпичные изразцовые;
• кирпичные оштукатуренные;
• бетонные из жаростойких блоков;
• кирпичные в металлических футлярах;
• стальные с внутренней футеровкой из огнеупорного кирпича;
• чугунные без футеровки.

По форме в плане печи выполняют:

• прямоугольными,
• квадратными,
• круглыми,
• угловыми (треугольными).

По способу отвода дымовых газов различают печи:

• с удалением газов через внутристенные каналы,
• с удалением газов через насадные дымовые трубы,
• с удалением газов через коренные дымовые трубы.

Внутристенные дымовые каналы устраивают в кирпичной кладке стен зданий. Печи соединяют с каналами горизонтальными металлическими патрубками длиной не более 400 мм. Насадные трубы возводят непосредственно над печами. Коренные трубы сооружают относительно редко на самостоятельных фундаментах.

Газовое отопление

Из всех видов топлива газ экологически наиболее чистое, так как при правильной организации процесса его сжигания содержание вредных веществ (канцерогенов, окислов азота, оксида углерода) в продуктах сгорания минимально. Использование газа экономически выгодно, что обусловлено повышением КПД агрегатов и сокращением расхода топлива, более легким регулированием температурных полей и состава газовой среды в рабочем пространстве отопительных установок. Значительно упрощается и эксплуатация теплогенерирующих агрегатов.

Газовое топливо имеет два основных недостатка: взрывоопасность газовоздушных смесей и токсичность самого газа (особенно продуктов его неполного сгорания), в связи с чем необходимо предусматривать систему безопасности, а также предъявлять повышенные требования при эксплуатации установок газового отопления.

Для отопления газ используют в различных установках: обычных или специальных котлах, комнатных печах, приборах квартирного или местного отопления, в газовых отопительновентиляционных агрегатах. Под термином "газовое отопление" понимают системы отопления:

• с комнатными печами, работающими на газе;
• с газовыми водонагревателями;
• с газовыми не теплоемкими отопительными приборами;
• с газовоздушными теплообменниками;
• с газовоздушными излучателями;
• с газовыми горелками инфракрасного излучения.

Газовоздушное лучистое отопление

В системе газовоздушного отопления с излучателями функцию отопительных приборов выполняют теплоизлучающие трубы, проложенные в верхней зоне (не ниже 5 м от поверхности пола) помещения. Внутри замкнутого контура теплоизлучающих труб циркулирует смесь нагретого воздуха с продуктами сгорания. Теплоотдача с поверхности труб в помещение происходит преимущественно излучением (до 60 %).

Преимущества газовоздушного лучистого отопления по сравнению с воздушным отоплением: экономия тепловой энергии за счет уменьшения градиента температуры по высоте помещения, возможность снижения температуры воздуха в рабочей зоне при сохранении условий теплового комфорта, автономность, незамерзаемость, удобство регулирования.

Газовое лучистое отопление

Отопительными приборами в этой системе отопления являются горелки инфракрасного излучения. Систему лучистого отопления наиболее целесообразно применять в больших помещениях со значительными теплопотерями. Особенно эффективна она при обогревании частично или полностью открытых рабочих площадок (монтажных, сборочных, открытых стоянок автомобилей и т.д.). Небольшие размеры и масса инфракрасных горелок делают их удобными для размещения в отапливаемых помещениях. Их теплопередающая поверхность по площади почти в 10 раз меньше, чем площадь нагревательной поверхности отопительных приборов водяного отопления. Газовое лучистое отопление применяется также в различных сельскохозяйственных и складских помещениях.

Электрическое отопление

Использование эффекта непосредственной трансформации электрической энергии в тепловую является весьма перспективным направлением в развитии систем отопления зданий. Системы электрического отопления подразделяются на местные, когда электроэнергия преобразуется в тепловую в обогреваемых помещениях или в непосредственной близости от них, и центральные, например, с электрокотлами.

По способу получения теплоты электрическое отопление может быть:

• с прямым преобразованием электрической энергии в тепловую;
• с трансформацией электричества в теплоту в тепловых насосах.

Системы электрического отопления подразделяются на:

• лучисто-конвективные (с применением электрорадиаторов, электроконвекторов и электронагревательных печей, а также греющего электрокабеля, заложенного в бетонный пол);
• воздушные (с использованием электрокалориферов);
• лучистые (с применением инфракрасных электроизлучателей).

Система «теплый пол»

Основная идея данной системы заключается в том, что роль отопительного агрегата выполняет пол в помещении.
Преимущества:

• комфорт и равномерное распределение градиента температуры по высоте(внизу тепло, вверху холоднее;

Недостатки:

• работают в низкотемпературном режиме (до +45) в связи с тем, что поверхность пола не может быть горячей. Как следствие – ограниченная мощность такой системы;

Центральная система отопления

Районная тепловая станция «Новомосковская»г.Москва - пример центральной системы отопления

Центральными называются системы, предназначенные для отопления группы помещений из единого теплового центра. В тепловом центре находятся теплогенераторы (котлы) или теплообменники. Они могут размещаться непосредственно в обогреваемом здании (в котельной или местном тепловом пункте) либо вне здания - в центральном тепловом пункте, на тепловой станции (отдельно стоящей котельной) или ТЭЦ.

По виду теплоносителя, передающего теплоту отопительными приборами, центральные системы подразделяют на:

• водяные;
• паровые;
• воздушные;
• газовые
• комбинированные (например, пароводяные).

Водяное отопление

Наиболее распространенная система отопления, применяемая в современных жилых, общественных и промышленных зданиях.
При водяном отоплении циркулирующая нагретая вода охлаждается в отопительных приборах и возвращается к теплоисточнику для последующего нагревания. Система отопления состоит из теплового пункта, магистралей, отдельных стояков и ветвей с приборными узлами.

Системы водяного отопления по способу создания циркуляции воды разделяются на системы:

• с естественной циркуляцией (гравитационные)
• с механическим побуждением циркуляции воды при помощи насоса (насосные).

В гравитационной (лат. gravitas - тяжесть) системе используется свойство воды изменять свою плотность при изменении температуры. В замкнутой вертикальной системе с неравномерным распределением плотности под действием гравитационного поля Земли возникает естественное движение воды.

По температуре теплоносителя различаются системы:

• низкотемпературные с предельной температурой горячей воды t_г<70 °C;
• среднетемпературные при t_г от 70 до 100 °С;
• высокотемпературные при t_г>100 °C.

Максимальное значение температуры воды ограничено в настоящее время 150°С.

По положению труб, объединяющих отопительные приборы по вертикали или горизонтали, системы делятся на:

• вертикальные;
• горизонтальные.

В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами системы бывают:

• однотрубные с последовательным соединением приборов;
• двухтрубные с параллельным соединением приборов;
• бифилярные с последовательным соединением сначала всех первых половин приборов, затем для течения воды в обратном направлении всех вторых половин.

Для правильной эксплуатации системы водяного отопления важно, чтобы из неё был удалён воздух. С этой целью, а также для полного опорожнения системы все трубопроводы прокладываются вертикально или с уклоном, причём в верхней точке системы делаются специальные устройства - воздухоотводчики.

По расположению магистралей:

• с верхней разводкой при прокладке подающей магистрали выше отопительных приборов;
• с нижней разводкой при расположении подающей и обратной магистралей ниже приборов;
• с "опрокинутой" циркуляцией воды при прокладке обратной магистрали выше приборов.

По направлению движения воды в подающей и обратной магистралях:

• с тупиковым (встречным) движением воды в магистралях;
• с попутным (в одном направлении) движением воды в магистралях.

Паровое отопление

Паровая котельная

Паровое отопление - это вид центрального отопления, при котором теплоносителем служит пар, поступающий в систему отопления от сети централизованного теплоснабжения или от парового котла, находящегося в отапливаемом здании или рядом с ним. Область применения парового отопления из-за присущих ему недостатков в современном строительстве значительно сократилась. При наличии пара как теплоносителя для отопления чаще используется комбинированное пароводяное отопление, при котором вместо отопительного котла устанавливается работающий на пару водонагреватель.
Системы парового отопления по способу возвращения конденсата в паровой котёл разделяются на:

• замкнутые, с самотёчным возвращением конденсата
• разомкнутые, с перекачкой конденсата насосом

В зависимости от давления пара системы парового отопления подразделяются на:

• субатмосферные (<0,10 МПа);
• вакуум-паровые (<0,11 МПа);
• низкого давления (0,105-0,12 МПа);
• повышенного давления (0,12-0,17 МПа);
• высокого давления (0,17-0,27 МПа).

Максимальное давление пара ограничено допустимым пределом длительно поддерживаемой температуры поверхности отопительных приборов и труб в помещениях (избыточному давлению 0,17 МПа соответствует температура пара приблизительно 130 °С).

В зависимости от конструктивных особенностей и трассировки трубопроводов разделяются на:

• двухтрубные вертикальные
• однотрубные:
  • вертикальные;
  • горизонтальные.

По способу возврата конденсата в котел или наружные тепловые сети могут быть:

• замкнутыми, в которых конденсат перемещается за счет гидростатического давления или специально предусмотренного остаточного давления пара в системе
• разомкнутыми, когда конденсат перекачивается насосом из промежуточного конденсатного бака.

Системы парового отопления, непосредственно соединенные с атмосферой для выпуска из них воздуха, называются открытыми, а не соединенные - закрытыми.

Воздушное отопление

Теплогенераторная установка для воздушного отопления

При воздушном отоплении циркулирующий нагретый воздух охлаждается, передавая теплоту при смешении с воздухом обогреваемых помещений и иногда через их внутренние ограждения. Охлажденный воздух возвращается к нагревателю.

Системы воздушного отопления по способу создания циркуляции воздуха разделяются на системы:

• с естественной циркуляцией (гравитационные);
• с механическим побуждением движения воздуха с помощью вентилятора.

В гравитационной системе используется различие в плотности нагретого и окружающего отопительную установку воздуха. Как и в водяной вертикальной гравитационной системе, при различной плотности воздуха в вертикальных частях возникает естественное движение воздуха в системе. При применении вентилятора в системе создается вынужденное движение воздуха.
Воздух, используемый в системах отопления, нагревается до температуры, обычно не превышающей 60 °С, в специальных теплообменниках -калориферах. Калориферы могут обогреваться водой, паром, электричеством или горячими газами. Система воздушного отопления при этом соответственно называется:

• водовоздушной;
• паровоздушной;
• электровоздушной;
• газовоздушной.

По способу подачи воздуха, системы отопления могут быть:

• с подачей воздуха сверху наклонными струями в направлении рабочей зоны;
• с подачей воздуха выше рабочей зоны горизонтальными струями, когда рабочие места находятся в зоне обратного потока воздуха.

Воздушное отопление может быть местным или центральным.
В местной системе воздух нагревается в отопительной установке с теплообменником (калорифером или другим отопительным прибором), находящимся в обогреваемом помещении.
В центральной системе теплообменник (калорифер) размещается в отдельном помещении (камере). Воздух при температуре t_в подводится к калориферу по обратному (рециркуляционному) воздуховоду. Горячий воздух при температуре t_г перемещается вентилятором в обогреваемые помещения по подающим воздуховодам. Основное преимущество воздушного отопления по сравнению с другими видами центрального отопления - уменьшенный расход металла, потому что для устройства воздушного отопления не применяются отопительные приборы и трубы, как, например, при водяном отоплении или паровом отоплении. Еще одно существенное преимущество воздушного отопления перед другими видами отопления - это возможность совмещения его действия с вентиляцией и кондиционированием воздуха. Главным образом воздушное отопление используется в общественных и промышленных зданиях.

Панельно-лучистое отопление

Панельно-лучистое отопление осуществляется с помощью встроенных, пристроенных или подвесных излучающих панелей. Встроенные и пристроенные излучающие панели представляют собой бетонные плиты, в массиве которых заделаны нагревательные элементы, как правило, металлические трубы. Можно также использовать полиэтиленовые трубы (из полиэтилена повышенной термопрочности), трубы из других материалов, каналы в панелях перекрытий и т. п. Бетонные отопительные панели часто совмещают с бетонными ограждающими конструкциями зданий из трехслойных плит.

В качестве теплоносителя при панельном отоплении, как правило, используется нагретая вода; можно использовать нагретый воздух в случае применения в качестве теплоотдающих плит перекрытий с пустотами. Водяные системы панельного отопления следует присоединять к источникам теплоснабжения с умягченной и деаэрированной водой, что необходимо для уменьшения внутренней коррозии труб и обеспечения длительного срока эксплуатации.

В зависимости от конструктивных особенностей и способа установки панельно-лучистые системы отопления разделяются на:

• системы со стеновыми (подоконные и плинтусные) панелями;
• системы с потолочными панелями;
• системы с напольными панелями.

Наибольшее распространение в жилищном строительстве получили стеновые совмещенные и приставные подоконные панели. Плинтусные приставные панели применяются в основном для отопления детских учреждений. Напольные панели используются для обогрева лестничных площадок, полов вестибюлей, реже в жилых помещениях.

Системы отопления со стеновыми и подоконными панелями могут быть одно- и двухтрубными. Применение стеновых панелей в однотрубной системе с П-образными стояками позволяет унифицировать нагревательные элементы по этажам.