Системы отопления в высотных зданиях с большой площадью остекления

И. Н. Смирнова, генеральный директор ООО «Проектное бюро “Римакс”»

I. Kravchuk, исполнительный директор Rosemex Inc.

П. Ю. Сырых, ведущий инженер ООО «Проектное бюро “Римакс”»

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ, otvet@abok.ru

В настоящее время при строительстве высотных зданий, как в России, так и в зарубежных странах, очень популярны архитектурные решения с навесными светопрозрачными фасадными системами (в зарубежной строительной практике принят термин «curtain wall»). В этом случае наружное остекление «от пола до потолка» выполняется по всей площади наружных ограждений.

Для предупреждения образования нисходящих потоков воздуха, радиационного охлаждения помещения, защиты внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций от выпадения конденсата в подобных зданиях очень часто применяются отопительные приборы в виде встраиваемых в пол (внутрипольных) конвекторов.

Приборы этого типа изготавливаются целым рядом производителей. Выбор конкретного устройства связан с конструктивными особенностями стяжки пола и способа крепления навесной фасадной системы.

Особенности размещения встраиваемых конвекторов

Встраиваемые в пол конвекторы располагаются по всему периметру помещения. Тем самым предупреждается появление непрогретых зон вертикальных ограждающих конструкций, которые при низких температурах наружного воздуха начинают работать аналогично мостикам холода. При наличии угла между двумя примыкающими друг к другу светопрозрачными ограждающими конструкциями эта область представляет особую зону риска: велика вероятность промерзания стыка и выпадения конденсата из-за того, что не удается установить отопительный прибор близко к углу. Подобный случай имел место в одном из высотных зданий Московского международного делового центра «Москва-Сити» (ММДЦ «Москва-Сити»). Проектом не было предусмотрено размещение отопительных приборов в углах помещений со сплошным остеклением, и в первую же зиму появились проблемы с выпадением конденсата в этой области. Проблема была решена установкой дополнительных электрических нагревательных приборов, но, конечно, такое решение никак нельзя признать оптимальным.

Известны также случаи, когда при низкой скорости движения теплоносителя температура в зоне расположения подводящих элементов опускалась ниже точки замерзания теплоносителя, что, с учетом этой низкой скорости, приводило к его чрезмерному остыванию и последующему замерзанию.

Для организации отопления на основе встраиваемых конвекторов в полу предусматриваются ниши, в основном глубиной 90–150 мм и шириной 150–476 мм. Могут использоваться специальные короба, устанавливаемые непосредственно перед заливкой бетонной стяжки пола.

Зачастую при установке встроенных конвекторов не используется все пространство по периметру помещения: устанавливается относительно короткий и широкий прибор, по краям которого перед остеклением остается никак не обогреваемое свободное пространство. Это не представляет особых проблем для зданий, построенных в сравнительно мягком климате, но может иметь неприятные последствия при низких температурах наружного воздуха.

Рисунок. Схемы подключения встроенных конвекторов: А – индивидуальное подключение каждого конвектора; Б – последовательное подключение конвекторов по бифилярной схеме

В условиях с низкими температурами наружного воздуха целесообразнее максимально использовать для размещения отопительных приборов периметр помещения, при той же поверхности нагрева максимально растянуть приборы по длине.

Для обеспечения комфортных условий в помещении и равномерного прогрева здания можно использовать подход, принятый в США и Канаде. Он предусматривает последовательное подключение отопительных приборов по проходной бифилярной схеме. В этом случае теплоноситель движется в частях каждого прибора в противоположных направлениях таким образом, что чем выше температура подающего теплоносителя, тем ниже оказывается температура теплоносителя обратного. Таким образом, среднеарифметическое значение температуры теплоносителя во всех приборах отдельной ветви системы одинаково. В этом случае распределение теплоты по помещению более равномерно.

Экономическая эффективность бифилярного присоединения встроенных конвекторов

Проведем укрупненное сравнение двух альтернативных технических решений. Решение, заложенное в проекте, предполагало индивидуальное подключение каждого конвектора по двухтрубной горизонтальной схеме, что требует установки для каждого помещения четырех термостатических клапанов и восьми запорных шаровых кранов. Альтернативное решение предполагает последовательное подключение конвекторов по бифилярной схеме. При этом требуется установка одного термостатического клапана и двух запорных шаровых кранов. Укрупненные расчеты потребного числа арматуры, выполненные для одного из высотных комплексов ММДЦ, приведены в таблице. Использование последовательного подключения конвекторов по бифилярной схеме позволит сократить 75% оборудования, необходимого для подключения отопительных приборов. Кроме того, за счет большей теплоотдачи отопительного прибора удается сократить его ширину на 50 мм (350 вместо 400 мм) при одинаковой высоте, что позволяет высвободить полезную площадь помещения. Запорно-регулируемая арматура при двух вариантах подключения Оборудование Индивидуальное подключение каждого конвектора по двухтрубной горизонтальной схеме Последовательное подключение конвекторов по бифилярной схеме Количество оборудования на типовой этаж, шт. Количество оборудования всего (60 этажей), шт. Количество оборудования на типовой этаж, шт. Количество оборудования всего (60 этажей), шт. Термоста- тический клапан 122 7 320 32 1 920 Термоста- тическая головка 122 7 320 32 1 920 Запорный кран 244 14 640 64 3 840

Приборы с естественной и с принудительной конвекцией

Встраиваемые в пол конвекторы можно разделить на два основных типа по способу побуждения движения подогретого воздуха: приборы с естественной конвекцией (гравитационные) и с принудительной конвекцией (вентиляторные).

Вентиляторные (моторизованные) конвекторы обеспечивают более интенсивный теплосъем с греющего элемента, соответственно, отличаются более компактными размерами, однако за счет наличия вентилятора отличаются более высоким уровнем шума (особенно важен этот аспект для жилых помещений). Также следует учитывать, что срок службы вентилятора может быть ниже срока службы самого конвектора, что приводит к необходимости их замены после наработки на отказ. Кроме того, учета требует возрастание нагрузки на систему энергоснабжения, особенно в случае применения конвекторов с несколькими вентиляторами, и необходимость подведения электропитания для вентиляторов. В вентиляторных конвекторах появляются расширенные возможности регулирования теплового режима помещения за счет управления скоростью вращения вентиляторов.

Моторизованные конвекторы позволяют при равных размерах получать теплоотдачу выше в несколько раз по сравнению с аналогичными отопительными приборами без электропривода.

Поскольку встраиваемые конвекторы находятся на уровне пола, для их нормальной работы обязательным условием является достаточно высокая чистота помещений. Особенно чувствительны к уровню загрязненности помещений вентиляторные конвекторы: при попадании в них большого количества пыли, волос и т.д. вентилятор конвектора начинает шуметь и может выйти из строя, даже несмотря на наличие фильтров.

При установке конвекторов с естественным побуждением увеличивается ширина конвектора, что отнимает рабочую поверхность пола помещения.

Таким образом, проектировщик должен выбирать схемное решение исходя из того, какое из ограничений для него более существенно: более сложная эксплуатация вентиляторных конвекторов или увеличение площади для конвекторов с естественным побуждением. Этот аспект очень значим при выборе проектного решения.

Особенности подключения встраиваемых конвекторов

В нашей стране при использовании встраиваемых конвекторов обычно используется подключение каждого отопительного прибора отдельно. В этом случае для каждого прибора предусматривается свой отдельный комплект запорно-регулировочной арматуры, в частности, свой термостатический клапан. Целесообразность ручного регулирования термостатической головки при использовании термостатов на каждом отопительном приборе (в случае нескольких таких приборов в одном помещении) вызывает определенные сомнения: вряд ли человек, находящийся в помещении, будет постоянно регулировать термоголовки всех приборов. В Канаде и городах севера США в многоквартирных жилых домах даже высокого класса часто устанавливается один термостат на квартиру, при двухуровневой квартире – один термостат на этаж. Жилец устанавливает комфортную для себя температуру один раз, после чего ручная подстройка термостата практически не используется (особенно в зданиях с теплотехнически массивными плитами перекрытия). Более сложный вариант предусматривает выделение отдельных функциональных зон: фойе, гостиной, спален, кухни. Для каждой такой зоны предусматривается свой отопительный контур, управляемый одним термостатом, но каждый отдельный прибор термостатом не управляется. Аналогичный подход применяется и для офисных помещений. Особенно актуально это в случаях, когда пространство квартиры или офиса едино: большое офисное помещение разделяется перегородками, не доходящими до потолка, а планировка квартир соответствует принципу квартиры-студии, при котором гостиная, кухня и холл объединены в одном помещении большой площади, а функциональное зонирование осуществляется мебелью, предметами интерьера и т.д.

В высотном комплексе «Город столиц» ММДЦ «Москва-Сити» при организации системы отопления был использован именно такой подход, в соответствии с которым в одной квартире или офисе предусматривалось несколько контуров (петель) системы отопления, соответствующих функциональным зонам пространства квартиры или офиса. В этом случае к одному контуру отопления последовательно по бифилярной схеме подключались 3–5 отопительных приборов, управляемых одним термоэлектрическим (управляемым с выносного пульта) термостатом. Установка желаемой температуры осуществлялась с пульта, размещенного на стене одного из помещений. Так, например, одним контуром объединялись отопительные приборы двух спален небольшой площади.

Задача расчета защиты воздушной струей внутренней поверхности ограждающей конструкции от выпадения конденсата приобрела в последние годы особую актуальность в связи с широким применением остекленных поверхностей и опасностью образования на их внутренней поверхности конденсата. Решение задачи было получено в 1967 году Ю.А. Табунщиковым и Ю.Ф. Юрьевым. Это решение учитывало возможность создания в пристенном пограничном слое такой воздушной среды, в которой и температура, и влагосодержание отличаются от этих же параметров в объеме помещения. Основные положения решения этой задачи опубликованы в журнале «АВОК», № 2, 2007, в статье Ю.А. Табунщикова «Расчет защиты воздушной струей внутренней поверхности ограждающей конструкции от выпадения конденсата».

Еще одной особенностью встраиваемых конвекторов в зданиях высотного комплекса «Город столиц» являлось использование трубы теплообменника диаметром ¾ʺ. Вместо двух труб теплообменника диаметром ½ʺ, объединенных калачом, были использованы приборы с такой же теплоотдачей, но всего одной прямой трубой большего диаметра, ¾ʺ в соответствии с условиями теплоотдачи. Это дает возможность последовательного объединения приборов, один за другим. Каждый прибор получился «проходным», что очень упростило объединение этих приборов отдельными контурами. Гидравлика системы в этом случае существенно упрощается. Сокращается количество термостатов: вместо термостата на каждом отдельном приборе устанавливается один термостат на всю ветвь. Кроме этого, уменьшается число проблемных узлов, упрощается эксплуатация. За счет бифилярного присоединения обеспечивается более равномерное распределение теплоты и прогрев помещения.

Первоначальный проект системы отопления предусматривал присоединение около 7000 конвекторов с индивидуальным присоединением каждого конвектора. Объединение конвекторов в отдельные контуры позволило сократить число присоединений: их в этом случае потребовалось менее 3000. Это позволило существенно снизить капитальные затраты.

Рисунок. Встроенный в пол конвектор

Непосредственно перед термостатическим клапаном рекомендуется установка запорного шарового крана. Это необходимо как при работах с отопительным прибором (термостатический клапан является исключительно регулировочной арматурой), так и в случае выхода из строя по той или иной причине самого термостата. Однако в случае выхода из строя единственного термостатического клапана существует риск выхода из строя всей ветки, а не одного отдельного отопительного прибора.

С архитектурно-планировочной стороны такая схема тоже имеет преимущества, поскольку вместо смотрового лючка в точке присоединения каждого прибора достаточно сделать один лючок в месте подключения всей ветки. Кроме того, за счет увеличения теплоотдачи отдельного прибора освобождается рабочая поверхность пола.

С инженерной точки зрения, чтобы система отопления работала правильно, имеется сложность в выборе места установки термостатического элемента с учетом работы всех инженерных коммуникаций. Проектировщику необходимо заранее продумывать место установки, в том числе учитывая удобство эксплуатации.

Плинтусные конвекторы

Помимо встраиваемых в пол конвекторов для обогрева помещений с большой площадью остекления используются плинтусные конвекторы («baseboard heater»). Это достаточно компактные приборы, их толщина обычно составляет 200–305 мм. Принципы размещения такие же, как и для встраиваемых конвекторов: их целесообразно устанавливать по всему периметру помещения. Капитальные затраты при использовании системы с плинтусными конвекторами обычно невелики: это относительно недорогие отопительные приборы.

В Северной Америке почти вековой опыт строительства высотных зданий подтвердил эффективность плинтусных конвекторов. Их использование до сих пор актуально и эффективно. Один из примеров – законченный в апреле 2013 года в Нью-Йорке, США, 32-этажный небоскреб в районе Diamond District. На сплошной линии активного нагревательного элемента протяженностью 44 м между подающим и обратным стояками (температура воды +85/+65°С) установлен только один регулирующий клапан.

Рисунок. Плинтусные конвекторы небоскреба в районе Diamond District, Нью-Йорк

Пример использования встроенных конвекторов

Жилой комплекс «Дубровская Слобода» расположен в Москве на ул. 1-я Машиностроения, вл. 4–16. Комплекс представляет собой два четырехподъездных жилых корпуса переменной этажности (20–30 этажей). На территорию комплекса можно попасть через центральный входной вестибюль с эскалаторами.

Достаточно сложный дизайн-проект центрального входного вестибюля жестко ограничивал зону возможных мест установки отопительных приборов. Отопительные приборы из-за остекления «от пола до потолка» должны были быть только встраиваемыми в пол. При этом толщина стяжки не превышала 100 мм из-за того, что в местах установки отопительных приборов прямо под ними было выполнено конструктивное усиление фасадов, что привело к дополнительному уменьшению высоты.

Архитектурно центральный входной вестибюль представлял собой двухуровневое помещение, вытянутое в длину, где первый и второй уровень объединяются между собой эскалатором под углом 30°, тем самым образуя проходной коридор.

Высота первого уровня составляет порядка 6 м, при этом имеется панорамное остекление со стороны входа. Вход отделен стеклянным тамбуром.

При выборе системы отопления учитывалась недопустимость запотевания и выпадения конденсата в любой из точек панорамного остекления.

В результате было принято решение поставить на первом этаже вентиляторные (моторизованные) отопительные приборы. Была предусмотрена автоматика, позволяющая производить регулировку работы вентиляторов отопительных приборов и расхода теплоносителя по веткам с термостатов, установленных, соответственно, на каждом этаже.

Особенностью второго уровня является его сплошное остекление. По сути, помещение второго уровня представляет собой теплицу длиной 26 и шириной 6 м, на выходе которой имеется тамбур. Кроме того, проем для эскалаторов позволяет нагретому воздуху с первого уровня свободно перемещаться на второй, в результате чего возникает проблема удержания тепла на первом уровне. Существенным ограничением являлось также и очень небольшое пространство между эскалатором и пофасадным остеклением – 315 мм. Кроме того, вдоль фасадов имеются колонны, установленные с разным шагом, что создавало дополнительные сложности разводки трубопроводов и подключения отопительных приборов. Ограничения по глубине отопительных приборов не было.

Было принято решение установить приборы шириной 275 мм. Были применены приборы с естественной конвекцией. В качестве системы автоматики было использовано пофасадное регулирование, поскольку возникла проблема с размещением термостатов из-за того, что была предусмотрена струйная система вентиляции.

Данная система показала свою работоспособность зимой 2012–2013 года, причем в условиях, когда вентиляторы конвекторов еще не были подключены (в данном помещении завершаются отделочные работы), и с выключенной вентиляцией.