Введение
В России отопительный период во многих регионах длится более 180 дней [1], что составляет половину календарного года. Поэтому создание и поддержание комфортных условий для пребывания и жизнедеятельности людей является основной задачей при проектировании, монтаже и эксплуатации системы отопления.
Основным теплоносителем, циркулирующим во внутреннем контуре системы отопления, является горячая вода, качество которой должно в полной мере отвечать требованиям правил технической эксплуатации данных систем, а также санитарным нормам и правилам. Например, для сетевого теплоносителя (воды) в закрытых системах (тепловых сетях) нормируются следующие параметры [2]:
- полное отсутствие свободной угольной кислоты (H2CO3);
- уровень рН в пределах 8,3–9,5;
- наличие соединений железа — не более 0,5 мг/д м³;
- наличие свободного кислорода — не более 20 мг/д м³;
- наличие посторонних взвешенных частиц — не более 5 мг/д м³;
- присутствие продуктов переработки нефти — 1,0 мг/д м³;
- карбонатный индекс подпиточной воды не более 1,5 мг-экв/д м³.
Дополнительно следует отметить, что в контуре ГВС недопустимо применение воды с жёсткостью более 0,02 мг-экв/л (0,01 ммоль/л) или 20°F (1°F = 10 мг СаСО3 на 1 л воды).
В некоторых случаях используются растворы, например, растворы пропиленгликоля, которые обычно применяются в системах отопления периодического действия.
Теплоноситель (вода) поступает в систему отопления из источника (это может быть котельная, тепловой пункт или индивидуальный отопительный котёл малой мощности). Для компенсации дефицита теплоты в помещениях используются различные отопительные приборы. Хотя трубопроводы также частично компенсируют этот дефицит.
Отопительные приборы, установленные в современных зданиях, могут отличаться по конструкции и способу передачи теплоты воздуху помещения. Поэтому целесообразно рассмотреть классификацию отопительных приборов по принципу передачи теплоты воздуху помещения.
Классификация отопительных приборов
Все отопительные приборы можно разделить на три группы в зависимости от способа передачи тепла от прибора к воздуху в помещении:
1. Радиационные (лучистые) приборы передают тепло излучением и обеспечивают не менее 50% общей теплоотдачи.
2. Конвективно-радиационные приборы передают тепло конвекцией (перемещением воздуха) от 50 до 70% от общего теплового потока.
3. Конвективные приборы посредством конвекции передают не менее 75% общей теплоотдачи.
К первой группе относятся потолочные панели и излучатели, которые не рассматриваются в этой статье, так как работают от электрической сети или газа. Ко второй группе относятся секционные и панельные радиаторы, регистры из гладких труб. К третьей группе — конвекторы и оребрённые трубы. Таким образом, большая часть тепла в помещении передаётся за счёт конвекции, то есть соприкосновением холодного воздуха с горячей поверхностью отопительного прибора.
В настоящее время в помещениях с постоянным пребыванием людей используются радиаторы и конвекторы. На рис. 1 представлены популярные виды отопительных приборов.
Рис. 1. Отопительные приборы, используемые в современных системах отопления (а — сек- ционный радиатор, б — стальной панельный радиатор, в — травмобезопасный конвектор с кожу- хом, г — внутрипольный конвектор)
Современный рынок отопительных приборов предлагает широкий выбор моделей как российского, так и зарубежного производства. Ещё 25–30 лет назад выбор был ограничен чугунными радиаторами типа М-140 и конвекторами «Универсал», «Ритм» и «Комфорт».
При проектировании системы отопления возникает вопрос: какой отопительный прибор выбрать из всего этого разнообразия? Чтобы ответить на него, необходимо подробно разобраться в конструкции и принципе работы каждого типа отопительного прибора.
Описание принципа действия конвектора (механизм теплоотдачи)
Конвектор — это прибор, который передаёт тепло в помещение за счёт конвекции.
Нагретая наружная поверхность конвектора нагревает воздух, который поднимается вверх и создаёт циркуляцию. Основным элементом конвектора является пучок стальных или медных труб, оребрённых стальными, алюминиевыми или медными пластинами. Внутри труб протекает горячая вода, а оребрение увеличивает площадь теплообмена и повышает коэффициент теплоотдачи.
В межрёберных каналах конвектора воздух нагревается и начинает своё движение. При этом плотность воздуха уменьшается, а скорость свободного течения возрастает. За счёт этого происходит циркуляция воздуха в отапливаемом объёме. Дополнительно к циркуляции воздуха внутри помещения добавляется воздухообмен через систему вентиляции.
Однако при проектировании систем отопления современных зданий часто приходится сталкиваться с панорамным остеклением [3]. В таких случаях использование традиционных отопительных конвекторов невозможно. Для отопления помещений с панорамным остеклением используются внутрипольные конвекторы, которые располагают в уровень пола под светопрозрачным ограждением. Внутрипольные конвекторы могут быть с естественной и вынужденной циркуляцией воздуха. Во внутрипольных конвекторах с вынужденной циркуляцией применяются малошумные тангенциальные вентиляторы с возможностью регулирования оборотов.
Описание принципа действия радиатора (механизм теплоотдачи)
В СССР и в России долгое время самыми популярными отопительными приборами были чугунные секционные радиаторы. В конце XX — начале XXI века отечественные производители освоили выпуск биметаллических радиаторов.
Биметаллические радиаторы — это отопительные приборы, состоящие из стального сердечника и алюминиевого наружного покрытия [4]. Также на рынке представлены алюминиевые секционные радиаторы.
Секционные радиаторы бывают разных размеров — от трёх до 15 секций — и с разной монтажной высотой: 200, 300 или 500 мм.
Ещё один тип радиаторов — стальные панельные. Они состоят из двух профилированных стальных пластин, которые после сварки образуют внутренние каналы для циркуляции горячей воды. Между пластинами образуются полости, в которых циркулирует воздух помещения.
Большая нагретая поверхность стальных панельных радиаторов позволяет им эффективно излучать тепло. У чугунных секционных радиаторов доля излучения может достигать 50%, а у современных радиаторов она меньше.
Подбор отопительного прибора
При выборе отопительного прибора часто возникают споры: какой отопительный прибор лучше и как правильно подобрать тот или иной тип отопительного прибора. Для ответа на эти вопросы необходимо вспомнить два уравнения из теории теплообмена. Это уравнения теплового баланса и теплопередачи [5].
Уравнение теплового баланса для отопительного прибора может быть записано в следующем виде:
Q = Gcp(tвх — tвых), (1)
где Q — расчётная мощность отопительного прибора, Вт; G — расход теплоносителя через отопительный прибор, кг/с; cp — удельная изобарная теплоёмкость воды, для расчётных условий принимается cp = 4190 Дж/(кг·°C); tвх — температура воды на входе в отопительный прибор, °C; tвых — температура воды на выходе из отопительного прибора, °C.
Уравнение теплопередачи, которое описывает тепловые потери через наружные ограждающие конструкции, можно записать в виде:
Q = kF(tнар — tвнут), (2)
где Q — расчётные тепловые потери помещения, Вт; k — коэффициент теплопередачи наружной ограждающей конструкции, Вт/( м²·°C); F — площадь наружной ограждающей конструкции, м²; tнар — расчётная наружная температура воздуха, °C; tвнут — расчётная температура воздуха помещения, °C.
Если не учитывать поправочные коэффициенты, которые учитывают особенности процессов теплообмена и расположение отопительных приборов, то можно сказать, что уравнения (1) и (2) описывают компенсацию тепловых потерь помещения тепловым потоком отопительного прибора. Это утверждение позволяет нам сделать вывод, что для компенсации тепловых потерь не важен тип отопительного прибора. Важно только, чтобы численные значения левых частей уравнений (1) и (2) были равны.
При выборе отопительного прибора для компенсации тепловых потерь необходимо понимать, что каждый прибор или секция радиатора имеют свой номинальный тепловой поток. Теплотехнические испытания большинства отопительных приборов проводились в соответствии с российской методикой тепловых испытаний при использовании воды в качестве теплоносителя.
Испытания проводились при следующих условиях: температурный напор ∆t = 70°C, расход теплоносителя через прибор G = 0,1 кг/с при движении теплоносителя по схеме «сверху вниз» при барометрическом давлении 760 мм рт. ст.
Поэтому при выборе конкретного типоразмера конвектора или количества секций радиатора необходимо учитывать поправки на температурный напор, расход и схему движения теплоносителя.
К сожалению, на практике часто используется упрощённая методика подбора отопительных приборов, когда паспортные данные приборов (номинальный тепловой поток) приравниваются к тепловым потерям. Это неправильно!
Выводы
1. Отопительный прибор обычно устанавливается у наружного ограждения помещения непосредственно под светопрозрачным ограждением. Однако в современных зданиях окна могут иметь достаточно большие размеры, поэтому использование отопительных приборов с монтажной высотой 500 мм может быть невозможно. В таких случаях используют приборы с высотой до 200 мм.
2. Светопрозрачное ограждение часто является единственным типом ограждения в помещении, поэтому в данном случае для компенсации тепловых потерь может быть использован только внутрипольный конвектор.
3. При выборе типа отопительного прибора необходимо учитывать архитектурно-планировочные решения и пожелания заказчика.
4. Подбор отопительного прибора необходимо выполнять в соответствии с рекомендациями, которые учитывают отличия условий реальной эксплуатации от условий испытательной лаборатории.
5. При правильном подборе отопительного прибора его тип не важен с точки зрения компенсации тепловых потерь помещения.
