Назначение

Назначение системы отопления состоит в компенсации тепловых потерь помещения. Тепловые потери зависят от конструкции здания, материала из которого оно построено, объема помещения, разницы температур наружного и внутреннего воздуха. Тепловая мощность котла не должна быть меньше тепловых потерь помещения. Некоторый запас по мощности (10-15%) допустим, если существует возможность падения давления газа. ( В ориентировочных расчетах ≈ 1 кВт мощности котла на 10м² помещения при высоте потолков 2,5м).

Системами водяного отопления называют системы в которых тепловым носителем является вода.

Система водяного отопления состоит из следующих элементов:

• котел (является источником тепловой энергии);
• отопительные приборы (служат для передачи тепла воздуху помещения);
• система труб (служит для перемещения теплоносителя от котла к отопительным приборам);
• компенсационная емкость (компенсирует увеличивающийся объем теплоносителя при нагревании).

Типы систем отопления 

Системы отопления бывают двух типов:

• с естественной циркуляцией теплоносителя;
• с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Принцип работы системы с естественной циркуляцией состоит в том, что плотность нагретой в теплообменнике котла воды уменьшается и она перемещается в верхнюю часть системы отопления. Пройдя через приборы отопления и отдав им свое тепло вода возвращается в теплообменник котла. Скорость движения воды при естественной циркуляции невелика и поэтому даже незначительное уменьшение диаметра сечения трубопроводов ведет к снижению эффективности всей системы. Поэтому патрубок подачи  котла переходит в вертикальный стояк  с диаметром сечения не менее 40-50мм. В верхней точке системы устанавливается компенсационная емкость (расширительный бак), после которой трубопровод монтируется с уклоном в сторону патрубка обратки котла. Это делается для того, чтобы дать возможность остывшей воде вернуться в котел,  а воздуху, попавшему в систему при заполнении, подняться вверх и выйти из системы отопления через расширительный бак. См. Рис.1.

Такие конструктивные особенности системы отопления с естественной циркуляцией делают ее громоздкой и не эстетичной. Большой диаметр труб ведет к удорожанию системы, а наличие открытого расширительного бака приводит к испарению теплоносителя и необходимости его периодического пополнения. Качественно сбалансировать систему (например, при наличии в ней нескольких контуров разной протяженности) тоже, практически, невозможно из-за малой скорости циркуляции теплоносителя и большого гидравлического сопротивления регулирующей арматуры. Все это говорит об очевидных недостатках системы отопления с естественной циркуляцией. Единственным преимуществом (и то, только в условиях нашей действительности) можно считать ее независимость от электроэнергии.

Изобретение принципа принудительной циркуляции позволило резко повысить эффективность систем отопления. Диаметры трубопровода значительно уменьшились (до 15-20мм). Появилась возможность совершать разводку труб в штробе стены или в полу.  Сократившийся объем и увеличение скорости циркуляции воды позволило улучшить регулируемость  системы. Как правило, системы отопления с принудительной циркуляцией делают герметичными, под давлением. Благодаря этому один и тот же объем воды, предварительно очищенной от механических примесей и умягченной, длительное время эксплуатируется в системе без пополнения. Отсутствие воздуха в системе значительно замедляет процесс коррозии трубопроводов и радиаторов. См. Рис.2.

При принудительной циркуляции в систему отопления добавляются следующие элементы:

• циркуляционный насос;
• фильтр грубой очистки перед циркуляционным насосом;
• мембранный компенсационный бак (выполняющий роль расширительного бака);
• группа безопасности котла состоящая из:
  • манометра;
  • предохранительного клапана (ограничивает max давление в системе);
  • воздушный стравливающий клапан (автоматически выпускает из системы воздух, не выпуская при этом воду).

КОТЛЫ

Классификация котлоагрегатов

По способу расположения в помещении:

• напольные;
• навесные.

По способу отведения продуктов сгорания:

• дымоходные (с естественной тягой и открытой камерой сгорания);
• с турбовытяжкой (с коаксиальным дымоходом и закрытой камерой сгорания);
• с приставкой полутурбо.

По зависимости от электроэнергии:

• зависимые (с принудительной циркуляцией);
• независимые (с возможностью работы под естественную циркуляцию).

По функциональности котла:

• одноконтурные (только отопление);
• двухконтурные (отопление + горячее водоснабжение).

Котлы, в зависимости от вида топлива (энергии) подразделяются на:

• газовые;
• дизельные;
• твердотопливные;
• электрические.

Твердотопливные котлы отечественного производства в настоящее время практически не используются, из-за низкого коэффициента полезного действия, невозможности автоматической регулировки режимов работы котла, невозможности автоматической подачи топлива в камеру сгорания. Импортные образцы твердотопливных котлов не имеют этих недостатков, но требуют специально обработанного топлива (гранулированного или брикетированного).

Электрические котлы состоят из:

• теплообменника (термоизолированная емкость);
• нагревающий элемент (трубчатые ТЭНы);
• автоматика, регулирующая режимы работы котла.

Электрические котлы отечественного производства (Днепропетровск) выпускаются мощностью от 4 до 360кВт. До 6кВт на 220V и 380V, начиная с 9кВт и выше – только 380V. Котлы напольного исполнения, мощностью до 15кВт могут работать в системах под естественную циркуляцию. Все навесные требуют – принудительной циркуляции.

Электрический котел Protherm (Чехия) имеют диапазон мощности от 9 до 24кВт, только на 380V и только в навесном исполнении.

Комплектуются:

• циркуляционным насосом;
• мембранным баком;
• группой безопасности котла.

Электрические котлы экологичны, не требуют наличия дымохода, КПД электрокотлов ≈ 98-99%.

Дизельные котлы используются в негазифицированных районах. Они удобны тем, что их конструкция позволяет сменить горелку и перейти на газ. Однако, эти котлы требуют наличия громоздких емкостей для дизельного топлива и специально оборудованного помещения для установки этих емкостей.

Газовые  котлы получили наибольшее распространение из-за своей экономичности и эффективности. Именно газовые котлы имеют наибольшее количество вариантов исполнения.

Конструкция газовых котлов

Основными элементами газового котла являются:

- теплообменник: чугунный секционный или стальной сварной – в напольных котлах, медный пластинчатый – в навесных котлах. Форма и конструкция теплообменника предполагает max  эффективную передачу тепла, выделяемого при сгорании топлива, воде контура отопления.

- газовая горелка: выполнена из нержавеющей стали. Горелки бывают атмосферными (В них воздух для поддержания горения поступает естественным путем из помещения в котором находится котел), либо с принудительной подачей воздуха с помощью турбины. В таких горелках можно регулировать соотношение воздуха и газа. Могут быть с пьезоподжигом: основная горелка зажигается от пилотного фитиля, а он от пьезоподжига. И могут быть с электроподжигом: поджиг происходит от искры электрода поджига.

-  газовая автоматика:  регулирует подачу газа на горелку, в зависимости от сигнала управляющих устройств или устройств безопасности. Газовая автоматика горелки может быть одноступенчатой, двухступенчатой и с модулируемой мощностью. У одноступенчатой газовой автоматики тепловая мощность котла неизменна. При двухступенчатой – можно установить пониженный и номинальный уровень мощности. У модулированной газовой автоматики мощность плавно уменьшается автоматически, в зависимости от соотношения заданной и реальной температуры теплоносителя.

- камера сгорания и дымоход: может быть открытой и соединенной с дымоходом котла через который продукты сгорания газа удаляются за счет естественной тяги и закрытой, соединенной с коаксиальным дымоходом. Коаксиальный дымоход состоит из двух труб: труба Ø60мм установлена внутри трубы Ø100мм. Благодаря вентилятору, расположенному над камерой сгорания, по внутренней трубе выбрасывается дым, а по каналу, образованному поверхностями внутренней и наружной труб, из вне затягивается чистый воздух для поддержания горения. Длинна прямого участка коаксиального дымохода может быть до 5м. Каждый поворот на 90⁰ уменьшает общую длину дымохода на 1м, а поворот на 45⁰ на 0,5 м.

С помощью дополнительной приставки «полутурбо» в некоторых моделях котлов (Protherm) можно отводить продукты сгорания в дымоходы с Ø значительно меньшим, чем Ø  дымоотводящего патрубка котла.

- устройство контроля: манометр, термометр, датчик тяги дымохода, термостат и аварийный термостат, датчик давления воды в системе отопления, ионизационный электрод, контролирующий наличие пламени на горелке, датчик протока воды контура ГВС (в 2-х контурных котлах), датчик температуры контура ГВС.

Некоторые модели котлов комплектуются также:

• циркуляционным насосом;
• мембранным баком;
• группой безопасности котла.

Двухконтурные котлы имеют еще и:

• теплообменник ГВС (или встроенный бойлер);
• дополнительный циркуляционный насос контура ГВС;
• 3-х ходовой клапан, необходимый для переключения котла в режим ГВС.

Приборы управления котлом:

- комнатный терморегулятор: управляет работой котла, в зависимости от t⁰C воздуха в помещении. Применение комнатного терморегулятора дает возможность более точно настроить желаемую температуру в помещении и позволяет экономить ≈ 10-15% газа по сравнению с режимом работы с котловым термостатом.

- программатор комнатной температуры: позволяет в заданные отрезки времени поддерживать либо комфортную, либо пониженную температуру воздуха в помещении, что приносит еще более существенный экономический  эффект.

- датчик наружной t⁰C: дает возможность управлять режимом работы котла в зависимости от t⁰C воздуха на улице. Это один из наиболее эффективных режимов регулировки, т.к. при нем возможно избежать инерционности системы отопления при колебаниях t⁰C воздуха на улице.

Принцип действия 2-х контурного котла следующий:

• при подаче электропитания включается циркуляционный насос;
• между электродами поджига проскакивает искра;
• если розжиг пламени не происходит, то благодаря контролирующему ионизационному электроду размыкается электрическая цепь и газовый клапан перекрывается, прекращая подачу газа;
• при благополучном розжиге горелки, котел начинает работать: вода контура отопления, циркулируя с помощью насоса через теплообменник контура ОВ нагревается до тех пор, пока котловой термостат, настроенный на определенное значение t⁰C воды в контуре отопления не отключит котел.
• если котел управляется комнатным терморегулятором, то контролируемым параметром станет t⁰C воздуха в помещении, в котором он установлен.
• по мере нагревания воды в контуре отопления ее увеличивающийся объем компенсирует мембранный бак, за счет резиновой мембраны и воздушной полости.
• режим работы котла контролируют:
  • ионизационный электрод – наличие пламени;
  • аварийный термостат – предотвращает перегрев теплообменника контура отопления;
  • датчик давления – остановит котел при утечке теплоносителя и падении давления в системе до 0,7 – 1 атмосферы;
  • датчик тяги (термостат) установлен над камерой сгорания и контролирует t⁰C отходящих газов. При ухудшении тяги он отключает котел;
  • при открывании крана горячей воды (при протоке через теплообменник ГВС) датчик протока подает сигнал на 3-х ходовой клапан, который перекрывает циркуляцию теплоносителя на системе отопления, направляя его по малому контуру, через теплообменник ГВС, т.о. теплоноситель нагревает проточную холодную воду;
  • после прекращения отбора горячей воды, котел возвращается к работе в режиме отопления;
  • летом котел функционирует только в режиме ГВС.

Особенности конструкции некоторых моделей котлов:

Напольные 2-х контурные котлы имеют чугунный секционный теплообменник отопительного контура и встроенный бойлер на 60-100 л – для приготовления горячей воды. В котлах такой конструкции имеется также 2-й циркуляционный насос. Он установлен на бойлерном контуре. При отборе горячей воды из бойлера, его температурный датчик подает сигнал на автоматику котла, которая выключает насос отопительного контура и включает насос контура ГВС. Этот насос заставляет циркулировать теплоноситель через многовитковый трубчатый теплообменник бойлера. Поверхность теплообменника нагревает холодную воду, поступающая в бойлер из системы водоснабжения.

Напольные 2-х контурные котлы оснащены также мембранным баком контура отопления и группой безопасности котла. Если режим потребления горячей воды требует бойлера объемом более 100 л, то возможно использование одноконтурного напольного котла и отдельного бойлера. Такие бойлеры предлагаются объемом от 100 до 1000л. Схема обвязок котла и бойлера аналогична схеме, описанной в напольном двухконтурном котле.

БОЙЛЕРЫ

Классификация бойлеров

Бойлеры  косвенного нагрева бывают стационарными или навесными, горизонтального либо вертикального исполнения. Бойлеры могут иметь один или два теплообменника для использования разных источников тепла (например газового котла и солнечных батарей). Возможно последовательное подсоединение теплообменников для суммирования их мощности. Существуют комбинированные бойлеры: с теплообменником и электрическим ТЭНом.

Особенности конструкции и принцип действия бойлеров

В большинстве моделей бойлеров, кроме патрубков теплообменника, горячей и холодной воды, предусмотрен патрубок рециркуляции горячей воды. В случаях отдаленного расположения точек отбора горячей воды предусматривается рециркуляционный контур с насосом. При работе рециркуляционного насоса, из бойлера отбирается горячая вода, которая, пройдя по этому контуру вблизи отдаленных кранов, вновь возвращается в бойлер на догрев. Такая схема позволяет избегать неудобства связанного с ожиданием подхода горячей воды. И  в тоже время, с бесполезным расходом сливаемой из крана остывшей  в длинном трубопроводе воды. Обычно рециркуляционный насос дополняется таймером, позволяющим функционировать этой системе лишь в необходимое для потребителя время. Таким образом, сокращаются затраты на приготовление горячей воды.

На патрубке подачи в бойлер холодной воды обязательно устанавливается предохранительный клапан на 6 bar, с тем, чтобы защитить корпус бойлера от избыточного давления. Но чтобы избежать сброса через предохранительный клапан горячей воды, давление которой поднялось незначительно выше 6 bar за счет расширения при нагревании, устанавливается мембранный компенсационный бак ГВС. Место его монтажа: между патрубком подачи холодной воды и предохранительным клапаном. Если в системе холодного водоснабжения давление близко к 6 bar, то рекомендуется перед предохранительным клапаном установить редуктор давления. См. Рис.3.

Подбирая соотношение мощности котла и теплообменника бойлера, необходимо понимать по какому принципу будет работать система отопления и горячего водоснабжения. Если котел отапливает помещение и готовит горячую воду одновременно, то мощность котла должна равняться сумме мощности необходимой для отопления и мощности требуемой для подготовки ГВ. Эта схема применяется в случае, если подготовка ГВ производится только в отопительный сезон. Но чаще используется более эффективный и экономичный вариант – схема с приоритетом приготовления горячей воды. В этом случае тепловая мощность котла должна быть равна большей из 2-х требуемых (на отопление или на приготовление ГВ). При подборе бойлера, из 2-х равных по объему следует выбрать тот, мощность теплообменника которого максимально близка мощности теплообменника котла.

РАСШИРИТЕЛЬНЫЕ  БАКИ

Мембранные баки Reflex (Германия) применяются в отопительных системах для компенсации объема воды при изменении температуры.

Мембранный бак разделен мембраной на две камеры: водяную и газовую. При увеличении температуры в системе, расширяющаяся вода попадает в водяную камеру, а после охлаждения выдавливается обратно в систему. Мембранные баки бывают объемом от 8 до 5 000л. Мембранный бак выбирают как 7-10% от V воды в системе отопления. Мембранные баки устанавливаются в сухом отапливаемом помещении на обратном трубопроводе перед циркуляционным насосом.

Предварительное давление воздуха в мембранном баке должно быть установлено на 0,2 атм. выше статического давления воды в системе отопления, но не менее 0,5 атм.

ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ НАСОСЫ

В системах отопления для принудительной циркуляции используются циркуляционные насосы центробежного действия. Чтобы сделать правильный выбор циркуляционного насоса необходимо рассматривать отопительную систему в ее целостном функциональном назначении.

Количество производимой тепловой энергии рассматривается в соответствии с величиной общего теплопотребления здания. Перемещение энергоносителя к поверхности нагрева обеспечивается насосом. При этом он преодолевает сопротивление трения во всем трубопроводе и в разных компонентах системы отопления. Этим объясняется наличие двух требований, которые предъявляются к параметрам циркуляционного насоса: необходимой производительности и обеспечению напора, преодолевающего гидравлическое сопротивление системы.

Зависимость между напором и производительностью центробежного насоса на графике выглядит в виде кривой. См. Рис.4.

Каждой точке этой кривой соответствует определенный режим работы насоса с соответствующими значениями напора и производительности. При выборе рабочей точки, т.е. режима работы насоса, следует ориентироваться на правую часть средней трети графика. (Точка наивысшего КПД насоса, как правило, отмечена на графике зависимости напора от производительности в любом каталоге). Параметры насоса для новых, проектируемых систем  с высоким уровнем точности, определяются с помощью компьютерного проектирования.

При подборе насоса для системы отопления старых зданий, где параметры системы выяснить сложно либо в случае приблизительных расчетов, используют следующие зависимости.

Необходимая производительность насоса определяется по формуле :

где P – теплопотребление здания (кВт), 1,163 удельная  теплоемкость воды  (Втхчас/кгх К), ΔТ – разность температуры подающего и обратного потока воды (К).

Необходимый напор насоса определяется по формуле:

  где R(Па/м) -  потеря давления на трение в трубопроводе  самой длинной ветви системы отопления ≈ 100-150, L(м)– длина (суммарная длина подающего и обратного трубопроводов), Dк – коэффициент, учитывающий местные сопротивления фитингов, термостатических вентилей, смесителей ( 2,2 ÷ 2,6).

Конструктивно циркуляционные насосы (ц.н.)  очень разнообразны.

Насосы малой и средней мощности имеют водяное охлаждение ротора электрического двигателя (т.н. «мокрый ротор») и водяную смазку подшипника. Такие насосы компактны и малошумны, однако требовательны к качеству теплоносителя, т.к. мусор и накипь забивает клапаны по которым двигается вода, что приводит электродвигатель к перегреву и поломке. Важно так же, чтобы при монтаже насоса его вал был расположен горизонтально, а перед запуском подшипниковая полость развоздушена.

Насосы большой мощности имеют воздушное охлаждение электродвигателя. И хотя общие требования к качеству теплоносителя сохраняются, ограничения, связанные с развоздушиванием и положением вала насоса – отсутствуют.

У насосов, используемых в системах отопления, корпус выполнен, как правило, из чугуна. У насосов, которые используются в контурах рециркуляции горячей воды, корпусы из бронзы. Это необходимо для большей устойчивости к коррозии, которую провоцирует неподготовленная водопроводная вода.

Циркуляционные насосы бывают одинарными или сдвоенными. Сдвоенный насос применяется в случае когда:

• недопустима остановка системы из-за выхода из строя насоса, тогда второй насос выступает в качестве резервного;
• параметры системы могут изменяться и возможностей одного насоса становится недостаточно, тогда второй насос выступает в качестве «пикового».

Насосы имеют возможность регулирования частоты вращения двигателя и, соответственно, напорных и расходных характеристик для более точного соответствия параметрам системы:

• ступенчатое, т.е. с помощью ручного переключателя, 3 или 4 фиксированных значения (в насосах с мокрым ротором).
• электронное. Возможность заложена либо в самом насосе, либо с помощью дополнительных приборов управления. В зависимости от изменяющихся параметров и требований системы возможно регулирование для:
  • постоянного перепада давления на насосе;
  • переменного перепада давления на насосе;
  • зависимого от температуры перепада давления на насосе.

Кроме требований к качеству теплоносителя и наличию фильтра перед насосом, важно создать необходимый подпор насоса для предотвращения кавитации.

Кавитация – процесс образования в области разряжения (на всасывании) воздушных пузырьков и их дальнейшее схлопывание в области более высокого давления, что приводит к повышенному шуму и к выходу из строя насоса.

Обо всех устройствах защиты, управления режимами работы насосов, конкретных значениях необходимого подпора и прочих условиях эксплуатации можно подробно узнать из каталогов Wilo.

РАДИАТОРЫ

Радиаторы служат для передачи тепла, выработанного котлом, воздуху отапливаемого помещения.

Тепловая мощность радиатора зависит от  t⁰C теплоносителя и площади поверхности излучающей тепло. Поэтому для увеличения эффективности радиатора в его конструкции используется оребрение и конвекционные решетки.

Наиболее распространены два типа радиаторов:

• панельные (стальные);
• секционные (алюминиевые, чугунные).

Конструкция панельных радиаторов (Kermi, Korado, Purmo и т.д.) представляет собой сочетание стальных панелей, по внутренним каналам которых протекает теплоноситель и  конвекторов приваренных к этим панелям. Т.о. достигается двойной эффект: прямое тепловое излучение от нагретой панели плюс конвекционный нагрев воздуха. В зависимости от количества панелей и конвекторов определяется радиаторов. Наиболее распространены  радиаторы с двумя панелями и двумя конвекторами. Выбирая панельный радиатор по его мощности, определяются с его габаритами и типом. Эти радиаторы имеют два вида подсоединения к системе отопления: боковое и нижнее, с резьбой 1/2”. Панельные радиаторы используются в системах отопления с принудительной циркуляцией т.к. имеют достаточно высокое гидравлическое сопротивление. Рабочее давление таких радиаторов 8-10 атм. и  max ≈ 13 атм.

Секционные радиаторы изготавливаются из чугуна и алюминия. Но алюминиевые радиаторы получили большее распространение, т.к. они легче, эстетичнее и теплопроводимость алюминия значительно выше, чем у чугуна. Секционная конструкция таких радиаторов позволяет точно подбирать тепловую мощность. Можно устанавливать до 20 секций в одном радиаторе.

Алюминиевые радиаторы изготавливают на рабочее давление 6атм. и на 16атм. Гидравлическое сопротивление алюминиевых радиаторов ниже, чем у панельных и их можно использовать в системах с естественной циркуляцией. Используя алюминиевые радиаторы необходимо учитывать возможность электрохимической коррозии. Этот процесс может происходить при наличии электрического потенциала на трубопроводе системы отопления. Такое возможно, как правило, в системах центрального отопления многоквартирных домов.

Для любого типа радиаторов  важно их правильное расположение. Тепловая мощность будет существенно снижена, если радиатор расположен под широким подоконником, в глубокой нише или закрыт декоративной решеткой, либо шторами. Радиатор необходимо располагать так, чтобы расстояние от пола до его нижней поверхности и расстояние от подоконника до его верхней поверхности составляло не менее 10–15см.

На радиаторы рекомендуется устанавливать краны Маевского. Краны Маевского позволяют избавиться от воздушных пробок в радиаторах.

Наиболее эффективна система отопления, в которой на радиаторах устанавливаются термостатические вентили. Эти устройства дают возможность поддерживать в комнате определенную t⁰C вне зависимости от количества находящихся в ней людей или от солнечного нагрева помещения. Механизм термоголовки автоматически открывает или закрывает проток теплоносителя в радиатор, тем самым изменяя его тепловую мощность.