Системы водяного отопления с радиаторами

В. Д. Коркин, зав. кафедрой Санкт-Петербургского государственного академического института живописи, скульптуры и архитектуры им. И. Е. Репина

Из всех отопительных систем радиаторные водяные системы являются наиболее распространенными, особенно в жилых и общественных зданиях.

Первая такая система в России была запроектирована инженером Н. П. Мельниковым и смонтирована в 1908 году в здании Малого оперного театра в Санкт-Петербурге.

Следует заметить, что практика подтвердила гигиенические и технические преимущества водяного отопления. При водяном отоплении (по сравнению с паровым) отмечают относительно низкую температуру поверхности нагревательных приборов (радиаторов) и трубопроводов, достаточно равномерную температуру помещений, значительный срок службы, бесшумность действия, простоту обслуживания и ремонта.

Система водяного отопления может быть гравитационной (рис. 1а) или насосной (рис. 1б). На рис. 1 демонстрируются местные системы с котлами, расположенными непосредственно в отапливаемом здании.

В принципе, когда речь идет об отоплении, подразумевается поддержание в отапливаемых помещениях требуемого (отнюдь не всегда комфортного) значения температуры воздуха.

Рисунок 1. (увеличить) Системы местного водяного отопления

Системы водяного отопления с естественной (гравитационной) циркуляцией (рис. 1а) имеют ограниченную область применения. Их используют, как правило, для отопления квартир или отдельных малоэтажных зданий. Возможно использование этих систем в зданиях, где недопустимы вибрация и шум. В системах с естественной циркуляцией предпочтение отдается верхней разводке подающих магистралей и, по возможности, большей разнице отметок между термоблоком и нагревательными приборами, потому как движущей силой здесь является плотность горячей и обратной воды.

Необходимо иметь в виду, что здание, оснащенное гравитационной системой, всегда предполагает наличие расширительного бака, расположенного в верхней части здания (выше магистральных трубопроводов).

Водяное отопление с искусственным побуждением теплоносителя – насосное отопление – получило наиболее широкое распространение.

При централизованном теплоснабжении можно рассматривать три способа присоединения систем отопления к наружным теплопроводам (рис. 2а, 2б, 2в). При этом все системы являются насосными, даже если насос непосредственно не устанавливается в отапливаемом здании. В таком случае в систему вода подается установками централизованного теплоснабжения.

Независимая (закрытая) схема присоединения системы насосного водяного отопления (рис. 2а) в известном смысле близка к схемам местного теплоснабжения. Котлы здесь заменяются водо-водяными теплообменниками. Часто саму систему заполняют деаэрированной водой или водой с добавками, исключающими коррозию трубопроводов. В таких системах используется либо высокое давление в сети теплоснабжения, либо специальный циркуляционный насос. Сама система, естественно, насосная.

При независимой схеме создаются независимые местный тепловой и гидравлический режимы отопительной системы. Первичная вода после теплообменников должна иметь значение температуры (t_r), допустимое в отопительной системе. Температура же обратной воды в расчетном режиме не должна быть ниже 70°С.

Рисунок 2. (увеличить) Принципиальные схемы систем центрального насосного водяного отопления при присоединении к наружным трубопроводам

Рисунок 3. (увеличить) Схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой и стояками различной конструкции

Рисунок 4. (увеличить) Схема однотрубной системы водяного отопления с нижней разводкой

Преимуществом независимой системы, кроме обеспечения индивидуальных гидравлического и теплового режимов, является возможность циркуляции воды (на некоторое время) для сохранения более или менее приемлемого теплового режима при авариях в наружных трубопроводах. Кроме того, такие системы отопления служат дольше, чем системы с местной котельной, вследствие уменьшения коррозионной активности воды. Заметим также, что и местные насосные системы (на одно здание) также могут иметь добавки к воде, гарантирующие замедление коррозии трубопроводов. Примерами могут служить отопительные системы Мраморного и Строгановского дворцов в Санкт-Петербурге.

Зависимая (открытая) схема присоединения системы отопления со смешиванием сетевой и обратной из системы отопления воды (рис. 2б) проще по конструкции и в обслуживании. Ее первоначальная стоимость, соответственно, ниже независимой системы (благодаря исключению таких элементов, как теплообменники, расширительный бак, насосы). Однако это в самом здании, но все эти элементы и их функции необходимо переносить в центр приготовления теплоты. Поэтому судить о стоимости отопительной системы, ориентируясь только на то, что мы имеем в самом здании, не всегда правильно.

Смешивание обратной воды из системы отопления с высокотемпературной водой из наружного подающего трубопровода осуществляют при помощи смесительного аппарата – насоса или водоструйного элеватора. Следует отметить, что насосная смесительная установка имеет ряд преимуществ перед элеваторной: во-первых, ее КПД выше; во-вторых, в случае аварии наружных тепловых сетей возможно, как и при независимой схеме, сохранение циркуляции воды в системе отопления, изменение температуры которой достаточно инерционно. Смесительный насос можно применять в системах отопления со значительным гидравлическим сопротивлением, тогда как при использовании элеваторной установки потери давления в системе отопления должны быть сравнительно небольшими.

Несмотря на все их недостатки, элеваторные вводные узлы получили наибольшее распространение благодаря их кажущейся дешевизне и простоте. Здесь имеет значение их относительная безотказность и сравнительно низкий уровень шума при эксплуатации.

Однако, как правило, при элеваторном вводе с отоплением компонуется и система горячего водоснабжения, которая не только невозвратно расходует деаэрированную воду, но и приводит к длительному отключению систем горячего водоснабжения, что не только приносит неудобство пользователям, но и является причиной ускоренного старения систем подачи горячей воды.

Прямоточная схема присоединения системы отопления (рис. 2в) к наружным трубопроводам наиболее проста и по конструкции, и по обслуживанию. Такая система имеет место при условии, что температура поступающей воды не выше допустимой в отопительной системе. Подобное положение обычно бывает при обслуживании одной небольшой котельной ряда соседних зданий. Недостатками такой системы являются ограниченность местного регулирования и зависимость теплового режима ряда зданий от так называемой «обезличенной» температуры воды в подающем наружном трубопроводе.

Все, что мы рассмотрели, это только принципиальные решения подачи в систему теплоносителя и его удаления из нее.

Кратко теперь оценим возможные принципиальные схемы водяного радиаторного отопления.

С конца 1940-х годов в нашей стране весьма широкое распространение получили однотрубные системы водяного отопления. К настоящему времени этими системами оборудовано большинство зданий и сооружений. Разновидностей таких систем немало, но принципиально они выполнялись либо с верхней разводкой магистральных трубопроводов, либо с нижней. Схемы и тех и других систем приведены на рис. 3 и 4. Как правило, однотрубные системы лишены возможности не только индивидуального регулирования теплоотдачи отопительных приборов, но и индивидуального учета теплоты, расходуемой на отопление того или иного помещения (или комплекса помещений). При этом следует помнить, что еще 20–30 лет тому назад индивидуального учета расходования теплоты на отопление в СССР не велось в связи с невысокой стоимостью топлива. К сожалению, в большинстве районов России возникают трудности с ее индивидуальным учетом и теперь, когда стоимость топлива резко возросла. Причин здесь много, но основная – невыгодность для теплогенерирующих и транспортирующих теплоту организаций индивидуального учета расходования тепловой энергии из-за несовершенства, высокой аварийности теплопередающих систем и больших потерь при транспортировке. Так, только в Санкт-Петербурге около 45% тепловых сетей находится в аварийном состоянии и требует ремонта и замены.

Следует иметь в виду, что однотрубные системы отопления нашли столь широкое распространение не случайно. Во-первых, эти системы были менее металлоемкими по сравнению с двухтрубными. Во-вторых, они оказались гидравлически более устойчивыми (особенно при низких значениях наружной температуры воздуха) по сравнению с двухтрубными. В-третьих, именно эти системы позволили при переменном перепаде температуры воды в стояках максимально индустриализировать их изготовление на заготовительных предприятиях. Их можно было производить (при определенных условиях) еще до возведения обслуживаемого ими здания.

Даже теперь можно говорить о предпочтительности этих систем в зданиях и сооружениях, где не требуется индивидуального учета расходования теплоты. К таким зданиям и сооружениям можно отнести учебные заведения, оздоровительные сооружения, банки, торговые сооружения и др.

Рисунок 5. (увеличить) Схемы двухтрубной системы отопления с верхней и нижней разводкой магистралей

Рисунок 6. (увеличить) Схемы поквартирного учета теплоты

Рисунок 7. (увеличить) Схемы отопительных систем малоэтажных зданий

В настоящее время для вновь проектируемых зданий наиболее широкое распространение находят двухтрубные отопительные системы (рис. 5). Главное их достоинство в том, что здесь достаточно доступным становится индивидуальный учет расходования тепловой энергии. Но при этом система должна иметь схему, отличную от общепринятых ранее. При такой схеме прямой и обратный стояки прокладываются, как правило, в лестничных клетках, а каждая квартира отдельно присоединяется к стоякам с установкой соответствующих приборов учета теплоты и регулирования теплоотдачи нагревательных приборов. Подобная схема приведена на рис. 6а.

При учете расходования теплоты в таких системах возможны варианты, и они приведены на рис. 6. Не рассматривая подробностей учета теплоты по квартирам, рассмотрим только два возможных варианта учета: поквартирный (рис. 6а) и поквартирно-домовой (рис. 6в). Квартирный режим в первом случае будет учтен достаточно точно. Поквартирные приборы нуждаются в квалифицированном техническом обслуживании и периодической поверке. Последнее связано с достаточно большими затратами. Эти затраты можно сократить в десятки раз, если перейти на упрощенную поквартирно-домовую схему учета тепловой энергии. Сущность схемы заключается в том, что на все здание ставится один интегрирующий тепловой счетчик, определяющий точный расход тепловой энергии в доме. В каждой же квартире на подающем трубопроводе системы отопления устанавливается обычный водомер на горячую воду. Квартирный режим при этом в первом случае будет учтен достаточно точно, во втором ошибка может составить до 10%. Спрашивается, что лучше? Решать должен собственник, но нам представляется, что для большинства пользователей второй вариант является предпочтительным.

В заключение остановимся на некоторых схемах водяного отопления малоэтажных зданий (рис. 7). На рассматриваемом рисунке приведены только однотрубная горизонтальная система и двухтрубная. Вариантов может быть больше. Но главное, на что следует обратить внимание, – это то, что в малоэтажном здании при наличии собственного источника теплоты потребность в дорогостоящих тепловых счетчиках отпадает. Схемное же решение отопления такого здания существенно зависит от местных условий, вида топлива и конструкции котла и термоблока.

Отопительная система должна соответствовать теплофизическим характеристикам здания, квартиры, коттеджа. Здесь имеются в виду следующие три обстоятельства. При понижении или повышении температуры наружного воздуха должна соответственно изменяться теплоотдача отопительными приборами. Система водяного отопления является инерционной и при легких малоинерционных ограждающих конструкциях не будет «успевать» следить за изменяющимися теплопоступлениями через эти конструкции. Следовательно, в части учета колебаний наружных тепловых воздействий система водяного отопления соответствует инерционным ограждающим конструкциям.

Второе обстоятельство имеет место при так называемой прерывистой подачи тепла, связанной с понижением температуры внутреннего воздуха в помещениях в нерабочее время с целью экономии энергии. Здесь опять целесообразно применять инерционные ограждающие конструкции с системами водяного отопления.

Третье обстоятельство. В ряде общественных зданий, таких как кинотеатры, церкви, магазины, в отдельные периоды резко возрастают тепло- и влагопоступления в помещения за счет пришедших людей. Здесь инерционную систему водяного отопления целесообразно использовать как базовую, дополненную системой воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией.

Вывод

Системы отопления развиваются в основном в соответствии с тремя факторами:

- политико-экономическим – соответствием теплового комфорта человека его убеждениям и политико-экономической обстановке в стране;

- гигиеническим и международным (см., например, труды «Healthy Building 2000», 6–10 августа 2000 г., Хельсинки);

- энергосберегающим (см. ряд статей в журнале «АВОК» за 1999–2002 гг.).

Поквартирные системы отопления

Поквартирные системы отопления в многоэтажных жилых домах – это новый вид инженерных систем в нашей стране. Поквартирные системы отопления – это такие системы, которые могут управляться обитателями квартиры без изменения теплового режима соседних помещений и обеспечивать поквартирный учет расхода тепловой энергии. Это попытка одновременного решения двух противоречивых задач – повышения тепловой комфортности жилища и энергосбережения. Актуальность решения этой задачи осознают и проектировщики, и строители, и муниципальные службы, и даже политики, ратуя за жилищно-коммунальную реформу. Для того чтобы сравнительно просто организовать поквартирный учет тепла, необходимо обеспечить один ввод в квартиру подающего и обратного трубопроводов и присоединить к ним все отопительные приборы, размещенные в квартире. Наиболее распространены две схемы поквартирного отопления: лучевая и периметральная (рис. A и рис. Б). Лучевая схема реализуется с помощью металлополимерных труб или полимерных, укладываемых в стяжку «чистого» пола. Каждый из отопительных приборов присоединяется к подающему и обратному коллекторам (манифолдам) и регулируется автономно. В периметральной схеме отопительные приборы гидравлически более зависимы, но эта схема требует меньшего количества труб и обладает лучшей ремонтопригодностью. В периметральной схеме трубы, как правило, укладываются в лотках и могут обслуживаться. В этом случае могут быть использованы не только металлополимерные (полимерные) трубы, но и обыкновенные стальные. Независимость развязки трубопроводов от других квартир предполагает возможность индивидуального проектирования отопления каждой квартиры. Можно отказаться от уродующих интерьер стояков и горизонтальных подводок. Как правило, в современных радиаторах используется нижний присоединительный узел к прибору – мультифлекс. Современные отопительные приборы стали предметом интерьера и могут устанавливаться на внутренних стенах. На лестничной площадке поквартирные вводы объединяются коллекторами в приборном щите с поквартирными счетчиками тепла (рис. В). Приборные щиты всех этажей объединены подающим и обратными стояками системы отопления, связанными через домовой узел учета тепла с теплосетью. Рисунок А. Лучевая схема системы отопления: 1 – отопительный прибор; 2 – счетчик поквартирного учета расхода воды Рисунок Б. Периметральная схема системы отопления: 1 – отопительный прибор; 2 – счетчик поквартирного учета расхода воды Рисунок В. Схема поквартирного учета тепла: 1 – домовой теплосчетчик; 2 – счетчик поквартиного учета расхода воды