Однотрубная система отопления и радиаторы

Применение тех или иных ОП требует обоснования или, когда есть сомнение, удостоверения в правильности применения. Для обоснования точных выводов необходимо выполнять научно-исследовательские работы и эксперименты. Эта статья — лишь небольшой экскурс в обширную тему применения ОП в системах отопления зданий. Это отражение мнения автора по некоторым аспектам использования ряда отопительных приборов.

Позиция автора при применении однотрубных тупиковых систем отопления с нижней разводкой магистралей (П-образный стояк) такова. Однотрубные системы отопления начали применяться в 1960-е годы. Система широко распространялась в силу ряда причин: низкая стоимость, технологичность, высокая производительность труда при проведении строительно-монтажных работ.

В разработке данной системы и её применении приняли участие ученые, научно-исследовательские и проектные институты. В эти же годы была разработана практическая база по расчету систем и подбору отопительных приборов, выпускавшихся промышленностью. Издан ряд нормативных документов по расчету и применению систем. Выполнена огромная работа по определению тепловой отдачи отопительных приборов. Работа систем при эксплуатации изучена и описана до «последнего винтика». Библиография по данным системам обычно приводится в учебниках по отоплению. Этот перечень, конечно, не охватывает всего, что написано и изучено по данной теме.

Данная система отопления будет применяться для некоторых типов жилых и общественных зданий ещё некоторое время. При её использовании проектировщик должен принять оптимальное решение в отношении гидравлического режима работы системы во всех интервалах наружных температур (от расчетной до 8-10 °C) и в отношении тепловой устойчивости системы в этих же интервалах температур. Одновременно необходимо выполнить условия регулирования и учета потребления тепловой энергии каждым отопительным прибором.

Порядок гидравлического и теплового расчета систем отопления изложен в СНБ 4.02.01-03 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха». В пункте 6.14 (изменение №3) этого же документа определен учет и регулирование тепловой энергии.

Однотрубные системы отопления начали применяться в 1960-е годы. Система широко распространялась в силу ряда причин: низкая стоимость, технологичность, высокая производительность труда при проведении строительно-монтажных работ

Подключение ОП выполняется со смещенным замыкающим участком, на подводке к прибору устанавливается регулирующий клапан (кран) для выполнения регулирования расхода теплоносителя через прибор в зависимости от расчета и желания потребителя иметь определенную температуру в помещении. Указанная температура имеет несколько ограничений для потребителя: она не может быть им снижена ниже +16 °C и повышена более +24 °C в силу температурного графика теплоснабжения. Это касается многоквартирных жилых зданий.

Применение алюминиевых, биметаллических и других аналогичных типов ОП в данной системе имеет свои особенности. Секции алюминиевых и биметаллических ОП обладают вертикальным каналом (колонкой) внутренним диаметром от 12 до 18 мм. В некоторых типах алюминиевых ОП верхний и нижний коллекторы, объединяющие секции, выполняются внутренним диаметром 25, 20 или 15 мм. Соединение секций и коллекторов выполняется на композитном клею и посредством соединительных ниппелей. Биметаллические ОП состоят из стального закладного элемента (каркаса) и наружного литого под давлением оребрения из алюминиевых сплавов. Секции соединяются между собой стальным ниппелем с установкой прокладки между секциями. Алюминиевые секционные радиаторы, изготавливаемые методом литья, соединяются между собой ниппелями. Внутренний размер колонки радиатора варьируется от 28 до 32 мм. Форма (геометрический размер) внутренней колонки отопительного прибора может быть различной.

Проблема снижения теплоотдачи во всех ОП возникает при движении теплоносителя «снизу-вверх» по схеме присоединения на рис. 1а. При схемах присоединения, показанных на рис. 1б и 1в, проблема не возникает.

Испытания, проведенные сертификационными испытательными центрами отопительного оборудования, показывают: коэффициент затекания приборов при стандартных методах испытания, подаче теплоносителя по схеме «сверху-вниз» с проточно-регулируемым узлом и установленным шаровым проходным краном доходит до α_пр = 0,35, а при установке трехходового клапана изменяется в пределах α_пр = 0,25-0,8.

В общем случае коэффициент затекания зависит и от схемы движения теплоносителя, однако при обычных для клапанов характеристиках гидравлического сопротивления значения α_пр при движении теплоносителя по схемам «сверху-вниз» и «снизу-вверх» практически совпадают. Очевидно, что при использовании кранов низкого сопротивления за счет дополнительного гидравлического напора непосредственно в радиаторном узле при схеме «сверху-вниз» значение α_пр выше, чем при движении воды по схеме «снизу-вверх» [9].

Установлено, что при движении воды в приборах по схеме «снизу-вверх» теплоноситель движется по этой схеме лишь по одной-двумя секциям, ближайшим к боковым подводкам, а по остальным по схеме «сверху-вниз», причем с заметно меньшим расходом теплоносителя и, как следствие, с меньшей температурой. Поэтому следует учитывать влияние «малого циркуляционного кольца», показанное в книге А. К. Андреевского [1]. Малыми циркуляционными кольцами в однотрубных системах отопления называют радиаторные узлы, в которые входят замыкающий участок, подводки к отопительному прибору и сам прибор. Такой радиаторный узел изображен на рис. 2.

Под влиянием гравитационного давления, возникающего в малом циркуляционном кольце, увеличивается коэффициент затекания в прибор при схеме движения «сверху-вниз» вследствие однонаправленности гравитационного давления и циркуляции теплоносителя в ОП. Этот коэффициент снижается при схеме «снизу-вверх» вследствие препятствования гравитационного давления затеканию теплоносителя в ОП (рис. 3).

Малое циркуляционное кольцо не влияет на затекание в ОП, присоединенный по схемам на рис. 2 и 3. Совместное влияние двухконтурного характера движения теплоносителя в ОП и малого циркуляционного кольца приводит к значительному снижению затекания воды в ОП. Двухконтурный характер движения теплоносителя описан профессором

О. Н. Зайцевым [6]. Автор поясняет полученный результат: «Циркуляция в чугунном радиаторе имеет два контура — первый в начальных элементах (1-2), возникающий из-за резкого торможения теплоносителя при входе, и второй (4-5), образующийся под действием гравитации, особенно наглядно это проявляется при подключении «снизу-вниз» и «снизу-вверх» с противоположной стороны (рис. 4), где в результате торможения теплоносителя на входе происходит быстрое остывание теплоносителя. При этом необходимо отметить, что увеличение скорости входа исключает циркуляцию по второму контуру, где образуются зоны застоя теплоносителя».

Распределение количества теплоносителя по каналам прибора различно в силу законов гидравлики. Нельзя обеспечить внутреннее равномерное распределение потока поступающего теплоносителя в самом приборе без дополнительно встроенного элемента. В силу этого температурное поле поверхности ОП будет неравномерным (о термине «неравномерность» см. [3]) из-за того, что по первым секциям прибора протекает большее количество теплоносителя, а через следующие секции — меньшее, с обратным направлением движения. Следовательно, и температура в разных точках поверхности прибора будет различна.

Для сравнения, чугунный радиатор имеет два внутренних канала диаметром примерно 38 мм каждый и внутренний коллектор диаметром 32 мм, алюминиевые одноколончатые секционные радиаторы — колонку овальной формы размером примерно от 28 до 32 мм и соединительный коллектор диаметром 25 мм. Общая картина протекания теплоносителя через отопительные приборы, подключенные по схеме «снизу-вверх», одинаковая, но для каждого вида приборов она индивидуальна.

Нормы вчера и сегодня

Ещё недавно при освоении выпуска отечественных и сертификации импортных ОП отсутствовал ГОСТ на приборы алюминиевые. Сегодня основным документом при производстве ОП является ГОСТ 31311-2005 «Приборы отопительные. Общие технические условия». Этот стандарт распространяется на отопительные приборы — радиаторы и конвекторы, предназначенные для эксплуатации в системах водяного отопления зданий и сооружений различного назначения. Указанный ГОСТ является межгосударственным стандартом и введен в действие на территории РБ с 01.07.2010.

Пункт 5.17.4 определяет: «...Инструкция по монтажу и эксплуатации отопительного прибора должна соответствовать требованиям действующих строительных норм и правил, Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей и Правилам техники безопасности при эксплуатации теплопотребляющих установок и тепловых сетей потребителей и содержать: указания по установке приборов в помещениях (расстояние от пола, окон, стен и т.п.); указания по порядку удаления упаковки и монтажа частей отопительного прибора; рекомендации по установке запорно-регулирующей и воздухоотводящей арматуры; сведения о системах отопления, для которых предназначен отопительный прибор; рекомендации по материалам и качеству трубопроводов для подвода теплоносителя в отопительный прибор; сведения об ограничениях условий эксплуатации (при необходимости); требования к качеству теплоносителя (воды); сведения о расчете теплового потока при условиях, отличных от нормальных (нормативных)».

Данный стандарт принят взамен уста- реших ГОСТ 8690-94, СТБ 1281-2001 и СТБ 1282-2001. Для отопительных приборов, выпускавшихся в СССР, в справочниках по проектированию имелись все необходимые коэффициенты, формулы, номограммы и т.д. для выполнения расчетов и подбора отопительной поверхности.

С принятием ГОСТ 31311-2005 появились требования по предоставлению дополнительных сведений (информации) об ОП. Выделенные требования в пункте 5.17.4 следует учитывать при применении отопительных приборов.

При использовании алюминиевых и биметаллических ОП в однотрубных системах отопления необходимо учитывать высокое гидравлическое сопротивление внутри прибора. Под высоким гидравлическим сопротивлением автор

• охлаждение теплоносителя по длине и высоте прибора с возникновением естественного давления, противодействующего основному потоку циркуляции;
• в верхнем тройнике узла подключения по ходу движения теплоносителя «снизу-вверх» возникает отрицательное значение динамического давления, аналогичное явление возникает и в тройнике узла подключения «снизу-вниз»;
• в точке входа теплоносителя в прибор также возникает отрицательное динамическое давление, обусловленное слиянием потоков с различными температурами;
• тройники на слияние и разделение потоков являются «эжекторами»;
• совместное действие естественного давления, отрицательных динамических давлений и «эжектора» приводит к возникновению точки нулевого давления и циркуляции (НДЦ) в определенном месте ОП;
• более активное охлаждение теплоносителя в алюминиевых и биметаллических ОП, чем в чугунных, происходит из-за малого его объема;
• в чугунных ОП точка НДЦ сдвинута ближе к центру прибора;
• в алюминиевых, биметаллических ОП с внутренним диаметром от 16 до 32 мм точка НДЦ располагается на расстоянии примерно 2/3 высоты от низа прибора.

Распределение количества теплоносителя по каналам ОП различно в силу законов гидравлики. Нельзя обеспечить внутреннее равномерное распределение потока поступающего теплоносителя в самом приборе без дополнительно встроенного элемента

Для чего нужны характеристики ОП?

При определении номинального теплового потока для проведения испытаний принимается представительский прибор, имеющий определенный параметр по мощности — от 0,85 до 1 кВт. Количество секций в представительском приборе может быть от 5 до 10. Номинальный тепловой поток секций ОП составляет от 100 до 200 Вт. Тепловые потери помещений жилых зданий при R_тр = 2,5–3,4 Вт/(м²⋅°C⋅ч) в основном составляют величину от 400 до 1200 Вт.

Величину номинального теплового потока Q_н ОП получают в результате тепловых испытаний в специальных климатических камерах при определенных нормированных влияющих факторах. В реальных условиях эксплуатации расход G_н теплоносителя через ОП, средний перепад температур t_н между прибором и окружающим воздухом, способ подключения и многие другие факторы, как правило, отличаются от тех, при которых проводились испытания. Их учитывают поправочными коэффициентами к номинальному тепловому потоку. Одни из коэффициентов являются постоянными (например, цвет покраски, способ установки, способ подключения и т.д.), а другие — переменными. Закономерности влияния переменных факторов используют для регулирования теплового потока ОП.

При определении теплового потока нагревательной поверхности ОП применяются безразмерные поправочные коэффициенты φ₁ и φ₂, учитывающие расход воды и схему присоединения отопительного прибора.

Тепловой поток отопительного прибора Q [Вт] при других условиях, отличающихся от номинальных, определяют по следующей формуле:

где Q_н(ну) — номинальный тепловой поток ОП при нормированных (нормальных) условиях, Вт; Δt_т (Θ) — расчетный (фактический) температурный напор в ОП, °C; t_н; нормированный температурный напор в ОП; G_о.п (М_пр) — расчетный (фактический массовый) расход воды в ОП, кг/ч; G_н(0,1) = 360 кг/ч (л/с) — нормированный (массный) расход воды в ОП; n, m и p — эмпирические показатели степени соответственно при относительном температурном напоре Δt_т/t_н (Θ/70) и относительном расходе воды G_о.п/G_н (М_пр/0,1);

безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий изменение теплового потока ОП при отличии расчетного температурного напора t_т от нормированного t_н = 70 °C;

безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий изменение теплового потока ОП при отличии расчетного расхода воды G_о.п от нормированного G_н = 360 кг/ч (М_н = 0,1 л/с). В скобках указано обозначение величин, входящих в формулу [2].

Для определения величины поправочных коэффициентов φ₁ и φ₂ необходимы численные показатели m, n и p определяемые экспериментально.

Названные численные показатели зачастую не указываются производителями для различных схем подключения прибора и расходов теплоносителя. Следовательно, применение численных показателей при расчетах, приведенных в справочной литературе для одних типов приборов, может быть некорректно для других.

В пособии [6] на стр. 139 приводится табл. 1 значений показателей n, p и c для расчета теплового потока ОП.

В этой таблице для радиаторов алюминиевых секционных приведено только подключение «сверху-вниз» и определенный расход воды. Указанный расход воды соответствует расходу через ОП при средних тепловых потерях помещений от 400 до 1200 Вт. Это, возможно, указывает на применение указанных ОП только в системах отопления с верхней разводкой магистрали.

Данные показателей степеней необходимо учитывать по рекомендациям производителей отопительных приборов. Определение различных характеристик отопительных приборов производится по методике испытаний [8]. О различии методики [8] (Россия, Украина) и методики ЕС можно прочесть в статьях в российской отраслевой прессе за 2007-й год («Как гармонизировать российские и европейские методы испытаний отопительных приборов», «Действующая методика испытаний отопительных приборов — требуется ли корректировка?»).

К сожалению, в Беларуси пока отсутствует сертификационный центр по проведению испытаний ОП. Полные испытания ОП возможны в испытательных центрах, расположенных на территории России и Украины. Однако не все белорусские производители проводят полный перечень испытаний, что, наиболее вероятно, вызвано стоимостью таких услуг. Но комплекс испытаний необходим для получения проектировщиком рекомендаций от производителя по применению прибора.

При использовании алюминиевых и биметаллических отопительных приборов в однотрубных системах отопления необходимо учитывать высокое гидравлическое сопротивление внутри прибора

Рассмотрим рекомендации по применению стальных панельных радиаторов «Лидея» [12]. В разделе 4 [12] приведена табл. 2 значений показателей степени n и m, коэффициентов p и c при различных схемах движения теплоносителя. В рекомендациях есть все необходимые данные для проектирования.

К вопросу о равномерности прогрева

При расчете ОП, установленных в однотрубной системе отопления с нижней разводкой магистралей и подводкой к прибору со смещенным замыкающим участком, принимаемый расчетный перепад температуры теплоносителя равен 5-8 °C. Тепловой расчет ОП учитывает среднюю арифметическую температуру теплоносителя, проходящего через прибор. В действительности данная величина несколько ниже, но для практических расчетов приемлема. Изменение температуры теплоносителя, проходящего через прибор, определяется более сложными зависимостями. Движение жидкости при теплообмене внутри прибора по колонкам (каналам) с различными температурами и давлениями можно описать, но это будет сложная физикоматематическая модель, в которой нет необходимости.

Для упрощения расчетов принята среднеарифметическая величина температуры теплоносителя в отопительном приборе. Данную величину можно с некоторыми допущениями, принять для определения равномерности прогрева прибора при некоторых схемах его подключения в системах отопления. К таким схемам можно отнести подключения «сверху-вниз», «снизу-вниз» и «сверху- вниз по диагонали».

Согласно отмененному СНиП 3.05.0185 «Внутренние санитарно-технические системы», раздел 4 пункт 4.10, последний абзац устанавливал правило: «...при этом проверяется равномерность прогрева отопительных приборов (на ощупь)...». Введенный СТБ 2038-2010 [18] определяет равномерный прогрев системы отопления согласно методике, приведенной в приложении. В её основу положен принцип сравнения результатов измерения температуры на поверхности приборов, расположенных в различных помещениях. Необходимо выполнить не менее пяти измерений температуры на поверхности прибора. Затем вычисляется среднее арифметическое значение температуры на поверхности ОП с точностью до 1 °C. Если это значение будет выше, чем температура в обратной магистрали теплового узла, то система отопления принимается в эксплуатацию.

Для правильного понимания термина «равномерность прогрева отопительного прибора» при эксплуатации и правомерности претензий потребителей следует учитывать тип ОП при выборе схемы отопления.

Основные правила проектирования систем отопления

Основные правила проектирования систем отопления содержат рекомендации:

1. Индивидуальный выбор оптимальной схемы отопления и вида отопительных приборов, обеспечивающих комфортные условия для каждого помещения или зоны помещения [20].

2. Определение местоположения ОП и их требуемых размеров для обеспечения условий комфорта [20].

3. Индивидуальный выбор для каждого ОП вида регулирования и местоположения датчиков в зависимости от назначения помещения и его тепловой инерционности, от величины возможных внешних и внутренних тепловых возмущений, от вида ОП и от его тепловой инерционности и др.

4. Выбор вида подсоединения ОП к теплопроводам системы отопления.

5. Решение схемы размещения трубопроводов, выбор вида труб в зависимости от требуемых стоимостных, эстетических и потребительских качеств.

6. Выбор схемы присоединения системы отопления к тепловым сетям.

При проектировании выполняются соответствующие тепловые и гидравлические расчеты, позволяющие подобрать материалы и оборудование системы отопления и теплового пункта. Оптимальные комфортные условия достигаются правильным выбором вида отопления и вида ОП. Отопительный прибор следует размещать, как правило, под световыми проемами. В качестве ОП рекомендуется использовать радиаторы или конвекторы. Размещать ОП рекомендуется у каждой наружной стены помещения (при наличии в помещении двух и более наружных стен) с целью ликвидации нисходящего на пол холодного потока воздуха. Длина ОП должна составлять не менее 0,7 ширины оконных проемов отапливаемых помещений [7].

Какому отопительному прибору отдать предпочтение?

При выборе прибора обычно учитываются следующие факторы:

• основные архитектурно-планировочные и строительные решения, предопределяющие высоту, глубину и длину прибора;
• расчетная тепловая мощность одного отопительного прибора;
• требования заказчика к внешнему виду прибора;
• цена прибора, отнесенная к 1 кВт номинального теплового потока.

Схемы присоединения ОП зависят от выбранной системы отопления и типа принятых к установке ОП.

Применение алюминиевых и биметаллических ОП с внутренним диаметром колонки от 12 до 32 мм по схеме «снизу- вверх» более чем нежелательно.

Стальные панельные радиаторы, подключаемые по схеме «снизу-вверх» со смещенным замыкающим участком, имеют несколько схожую картину распределения теплоносителя по прибору, но характер температурного поля поверхности более равномерный по всей поверхности прибора.

Выводы

1. Применение ОП с внутренним каналом диаметром 12-18 мм при радиаторном узле со смещенным замыкающим участком должно быть ограничено при движении теплоносителя «снизу-вверх» как гидравлически неоптимального способа присоединения и допускается для схемы с использованием трехходового термостатического клапана на подводке и проточной схемы присоединения, показанной на рис. 5.

2. При движении теплоносителя «сверху-вниз» ОП с внутренним каналом диаметром 12-18 мм можно применять при любом варианте однотрубной схемы со смещенным замыкающим участком.

3.  Необходимо разрешить противоречие между требованиями СТБ 2038-2010, видами ОП и нормируемой внутренней температурой помещений.

При проектировании выполняются соответствующие тепловые и гидравлические расчеты, позволяющие подобрать материалы и оборудование системы отопления и теплового пункта. Комфортные условия достигаются правильным выбором вида отопления и вида ОП

Отметим, что в приведенных рекомендациях производителей не указано подключение по схеме «снизу-вверх»:

• рекламный буклет прибора Tenrad (Германия) описывает присоединение прибора для пользователя по схемам: 1 — диагональная «сверху-вниз»; 2 — прямоточная «снизу-вниз»; 3 — односторонняя «сверху-вниз»; 4 — одноточечная с использованием инжекторного узла;
• рекомендации [10] к алюминиевым литым секционным радиаторам Sahara Plus (итальянской группы Fondital) определяют схемы подключения, показанные на рис. 6.

Аналогичные схемы подключения приведены и в рекомендациях [11] по применению биметаллического отопительного прибора производства ОАО «Сан- техпром БМ» (РБС-500).