Анализ взаимозаменяемости конвекторных водяных обогревателей и радиаторов отопления

Наиболее близкой к потребителю частью системы отопления, несомненно, являются отопительные приборы, и именно с выбора и размещения данных устройств начинается конструирование и монтаж системы отопления. И сразу же возникает практический вопрос технико-экономического сравнения и взаимозаменяемости рассматриваемых отопительных приборов. Последние могут быть изготовлены из разных материалов, отличаться конструкцией, внешним видом, но при этом они служат одной общей цели — поддерживать в помещениях температурные условия на заданном комфортном уровне.

Современная система отопления здания или сооружения должна реагировать на изменение параметров окружающей среды и подстраиваться под них: изменение температуры наружного воздуха, увеличение поступления солнечной радиации в дневное время, увеличение количества людей или работающего оборудования в помещении, заданное уменьшение или увеличение температуры внутреннего воздуха. Все эти требования надо обязательно учитывать и при выборе отопительных приборов [3–5].

Цель данной работы — исследовать основные характеристики (недостатки и достоинства) конвекторных водяных обогревателей и радиаторов отопления, а также провести анализ возможности их взаимозаменяемости.

Отопительные приборы представляют собой оборудование системы отопления, которое осуществляет функцию передачи теплоты от теплоносителя непосредственно к воздуху и ограждающим конструкциям помещения [1, 2, 6].

Так, основываясь на научной литературе, можно сделать вывод, что при анализе отопительного прибора необходимо руководствоваться следующими показателями [3, 5, 6]: показатель рабочего давления в системе; расчётная тепловая мощность; тепловая инерционность; качество теплоносителя и схема подключения к системе; архитектурно-планировочные и строительные решения; категория помещения по взрывоопасности и требования к дизайну прибора.

При технико-экономическом обосновании выбора отопительных приборов, их анализе или сравнении особое внимание следует уделять их тепловой инерционности. От неё в современных системах отопления с терморегуляторами зависят показатели экономической эффективности и санитарной гигиеничности. Если терморегулятор перекроет подачу теплоносителя (ночной режим, дежурный режим, влияние инсоляции), то отопительный прибор некоторое время будет отдавать тепло в помещение, поскольку не имеет возможности моментальной остановки (охлаждения) или вывода на меньший уровень тепловой мощности [3, 5, 6].

Нужно понимать, что количество непродуктивной («лишней») теплоты, которая будет передана помещению, зависит от массы отопительного прибора, водоёмкости и коэффициента теплопроводности материала. А именно — чем больше масса и водоёмкость, тем больше окажется этой «лишней» теплоты. С коэффициентом теплопроводности наблюдается обратная ситуация: чем он ниже, тем больше будет непродуктивной теплоты.

Рис. 1. Тепловая инерционность отопительных приборов

При обратном процессе — для прогревания значительной массы отопительного прибора и воды в нём — необходимо обеспечить значительный период времени τ для обеспечения теплового комфорта [3]. Сравнение инерционности отопительных приборов показано на рис. 1.

Рис. 2. Коэффициент теплопроводности материалов

Ориентировочные сравнения при выборе отопительных приборов по коэффициенту теплопроводности материала λ, удельному водоизмещению W и удельному тепловому напряжению q приведены на рис. 2, 3 и 4, соответственно.

Рис. 3. Сравнение отопительных приборов по удельной водоёмкости

По первым двум графиками оценивают инерционность прибора. Малой инерционности соответствуют приборы с высокими значениями λ и низкими W [3]. По последнему графику оценивают материалоёмкость прибора — высокой материалоёмкости соответствуют низкие q [3].

Рис. 4. Сравнение отопительных приборов по удельной тепловой нагрузке

Исходя из показателя тепловой инерции различают отопительные приборы маленькой и большой инерции [1, 5].

Все отопительные устройства по способу передачи теплоты разделяют на: радиационные (передача 60% тепла за счёт инфракрасного излучения), конвективно-радиационные (передача теплоты и конвекцией, и радиацией) и конвективные (передача 60% тепла за счёт циркуляции воздуха «снизу-вверх») [1, 2, 6].

Водяные отопительные приборы, то есть радиаторы отопления, которые сегодня широко предлагаются на российском рынке, по материалу и конструктивным признакам разделяют на пять групп: чугунные, стальные (панельные, секционные и трубчатые), алюминиевые, биметаллические и дизайн-радиаторы. В отдельную группу выделяют медно-алюминиевые радиаторы.

Чугунные радиаторы отопления — традиционные в Российской Федерации отопительные устройства. Они имеют маленькую поверхность теплоотдачи, низкую теплопроводность материала стенки и, соответственно, большую тепловую инерционность. Процесс нагрева происходит в основном за счёт излучения.

Преимущества чугунных радиаторов: дешёвые, материал корпуса нейтрален практически ко всем теплоносителям, хорошо отдают тепло и выдерживают относительно высокое давление. Недостатки: трудоёмкость монтажа, высокая материалоёмкость, непривлекательный дизайн (за исключением некоторых импортных моделей), большой процент заводского брака и высокая тепловая инерционность (рис. 2), что является существенным недостатком для процессов регулирования в современных системах отопления [1–6].

Теоретически они достаточно долговечны, но некачественное литьё может относительно быстро привести к протеканию теплоносителя. Основное преимущество отечественных чугунных радиаторов — низкая цена.

Стальные радиаторы являются наиболее распространённым видом отопительных приборов для индивидуального жилого строительства по причине их сравнительно невысокой цены и более высоких показателей теплоотдачи в сравнении с другими видами.

По показателям теплопроводности сталь находится между чугуном и алюминием (рис. 2). Для изготовления радиаторов используются материалы, устойчивые к коррозии, однако в периоды, когда система не заполнена водой и в неё попадает воздух, коррозионные процессы неизбежны.

Благодаря большой поверхности теплообмена стальные радиаторы экономичнее, чем чугунные, примерно в семь раз, что обеспечивает неизменный интерес к ним покупателей. При надлежащем уходе и своевременном ремонте эти отопительные приборы способны служить в течение длительного времени [1–6].

Стальные трубчатые радиаторы отопления представляют собой два горизонтальных коллектора, соединённых вертикальными трубками. От высоты и количества коллекторов зависит мощность радиатора. Так как радиаторы имеют низкий показатель водоёмкости, они легко поддаются регулированию. Благодаря своей конструкции трубчатые радиаторы не травмоопасны и имеют высокие санитарно-гигиенические показатели. Главным недостатком указанного вида радиаторов является подверженность коррозии [2–5].

Панельные стальные радиаторы изготовлены из двух пластин, между которыми проходит теплоноситель. Они считаются попыткой совместить свойства секционных радиаторов с приборами конвективного типа. Это высокоэффективные приборы, которые имеют небольшую тепловую инерционность и в основном рассчитаны на рабочее давление 0,6–1,0 МПа с максимальной температурой теплоносителя не выше 110°C.

Недостатки: рассчитаны на небольшое давление (6–8 атм); внутренняя поверхность панелей не коррозионно-устойчивая; низкие санитарно-гигиеничные показатели в связи с загрязнением панелей и невозможностью их чистки. Панельные радиаторы целесообразно устанавливать в частных домах и позаботиться о качестве теплоносителя [6].

Алюминиевые радиаторы считаются более совершенными, чем стальные и чугунные, за счёт материала в виде сплава алюминия, который характеризуется высоким коэффициентом теплопередачи (см. рис. 2). Этот вид радиаторов имеет эстетичный внешний вид, низкую тепловую инерционность и небольшой вес. Они могут быть рассчитаны на значительное рабочее давление [1–5].

Если говорить о главных недостатках этих приборов, то к ним можно отнести, например, высокие требования к химическому составу теплоносителя и требования к наличию дополнительных фильтров, поскольку повышенная щёлочность теплоносителя и электрохимическая активность алюминия с некоторыми другими металлами приводит к коррозии. Также можно отметить низкую прочность приборов в связи со стремлением изготовителей добиться наивысших показателей теплопередачи за счёт уменьшения толщины конструкции. Пластичность алюминиевых радиаторов позволяет производить модели с нестандартным выходом конвективной струи, что положительно отражается на сохранении геометрии подоконников из натуральной древесины.

Биметаллические радиаторы — более совершенная конструкция, которая позволяет использовать все преимущества алюминиевых радиаторов, избегая их недостатков. Уникальность этого вида радиаторов в его сложном производстве путём соединения стального трубопроводного каркаса и оребрения, выполненного из высококачественного сплава алюминия. При этом формируется монолитное соединение, которое защищает алюминий от контакта с водой и, соответственно, исключает коррозию. Преимущества: высокая устойчивость к сверхскачкам давления, адаптированы к жилым и промышленным зданиям с рабочим давлением до 18 атм, не требуют подготовки воды, коррозионно-устойчивы [2–6].

Кроме того, данные приборы имеют хорошую теплоотдачу, небольшой вес, высокое рабочее давление и коррозионную стойкость, а также эстетически выигрышны. Главный недостаток — высокая цена. Рекомендуются для использования в централизованных системах.

Медно-алюминиевые радиаторы состоят из медно-алюминиевого теплообменника (медные трубки соединены с алюминиевыми пластинами) и стального (или алюминиевого) кожуха. Эти радиаторы, предназначенные для монтажа в пол, действительно незаменимы для фасадов с сплошным остеклением, но использование их в качестве настенных приборов вызывает ряд неудобств [1–5].

Стальные конвекторы — отопительные приборы, которые передают теплоту помещению за счёт движения воздуха «снизу-вверх» через нагретую поверхность. Они отличаются низким уровнем комфорта и непривлекательными теплотехническими показателями. Также в большей степени, по сравнению с радиаторами, способствуют движению пыли в помещении. Если говорить о главных преимуществах этих приборов, благодаря которым им отдают предпочтение перед радиаторами, это простота изготовления, маленькая металлоёмкость и водоёмкость, а значит небольшая тепловая инерционность. Также конвекторы отличаются комфортной и надёжной эксплуатацией и привлекательным дизайном (благодаря современным кожухам). Рассматривая конвекторы без кожуха, можно отметить их малогабаритность, что способствует их неприхотливости в требованиях к количеству пространства и идеальному размещению у пола вдоль больших площадей остекления или холодных внешних стен, что способствует обеспечению защиты нижней части помещения от ниспадающих холодных потоков воздуха. При этом они категорически не применяются для обогрева помещений с высокими потолками, так как перегревают верхнюю зону, а у пола возникает ощутимый недогрев [4–6].

Исходя из проведённого анализа технических, эксплуатационных, монтажных, экономических и эстетических показателей различных видов радиаторов и конвекторов, можно говорить о том, что радиаторы и конвекторы являются взаимозаменяемыми с учётом архитектурно-строительных и теплотехнических параметров проектируемого объекта.

Для начала нужно отметить, что в связи с пониженным комфортом (активный перенос пылевых частиц, неравномерный прогрев помещения) и низкими теплотехническими показателями конвекторы не применяются в системах отопления жилых домов, в отличие от всех типов радиаторов. В этой связи выбор между конвекторами или радиаторами может стоять только при проектировании систем отопления общественных и промышленных зданий.

В высоких помещениях замена чугунных радиаторов на конвекторы является нерациональной в связи с неравномерным прогревом помещения последними. Хорошо взаимозаменяемыми являются конвекторы с медно-алюминиевыми радиаторами в невысоких помещениях с большим количеством остекления. При этом замена биметаллических радиаторов на конвекторы является нецелесообразной в связи с лучшими показателями инерционности и коррозионной устойчивости первых. Однако нужно учитывать высокую цену радиаторов этого вида.

Если сравнивать возможность взаимозаменяемости алюминиевых радиаторов и стальных конвекторов, первые являются более инерционными и энергоэффективными. И, хотя они менее коррозионно-устойчивы и подвержены деформациям, радиаторы этого вида лучше не заменять на конвекторы.

Наиболее взаимозаменяемыми являются стальные радиаторы и конвекторы, так как они имеют похожие технические показатели и недостатки. Однако всё равно нужно учитывать характеристики помещения: при большой площади остекления лучше подойдут конвекторы, а при высоких потолках — радиаторы.

Таким образом, мы проанализировали различные виды радиаторов и конвекторы, определили их принцип работы, выделили их преимущества и недостатки, сравнили технические показатели.

Итак, радиаторы и конвекторы являются взаимозаменяемыми с учётом архитектурно-строительных и теплотехнических параметров проектируемого объекта. Конвекторы не применяются в системах отопления жилых домов, в отличие от всех типов радиаторов, в связи с чем выбор между конвекторами или радиаторами может стоять только при проектировании систем отопления общественных и промышленных зданий. В зданиях с большой площадью остекления конвекторы взаимозаменяемы с медно-алюминиевыми радиаторами. Если говорить об идеальном варианте взаимозаменяемости — это стальные радиаторы и конвекторы в помещениях с невысокими потолками и качественным теплоносителем. Нерациональной авторам кажется замена в современной системе отопления конвектора на чугунный радиатор (слишком высока инерционность) или биметаллических радиаторов — на конвекторы.