Общие сведения о системах отопления

По всей России 8 800 707-75-89
Санкт-Петербург +7 (812) 611-25-89

Тепловой режим и температура помещений. Основная цель отопления — создание теплового комфорта в помещениях (тепловых условий, благоприятных для жизни и деятельности человека), который в холодное время года обеспечивается при условии, что поддерживается определенная температура воздуха в помещении, температура внутренней поверхности наружных ограждений и поверхности отопительных установок. Отопление способствует также увеличению срока службы зданий и оборудования, нормализации технологических процессов, повышению производительности труда работников и качества выпускаемой продукции.

Отопительным сезоном называют продолжительность отопления зданий в холодное время года.

Длительность отопительного сезона устанавливают на основании многолетних наблюдений как среднее число дней в году с устойчивой среднесуточной температурой воздуха +8 °С и ниже (приводится в СНиП для разных географических пунктов). На большей части территории России, характеризующейся суровой и длительной зимой, отопительный сезон продолжается 6—8 месяцев, на севере страны — 9-11 месяцев. В Москве продолжительность отопительного сезона принята равной 213 суток, т.е. составляет примерно 7 месяцев. Отопление зданий начинают при устойчивом (и РФ в течение 5 суток) понижении температуры наружного воздуха до +8 °С (и ниже), когда теплопоступлений в помещения уже недостаточно для поддержания нормальной температуры. Заканчивают отопление при устойчивом повышении температуры наружного воздуха выше 8 °С также в течение 5 суток. Поэтому длительность конкретного отопительного сезона обычно отличается от средней продолжительности, зафиксированной в нормах. Холодной осенью отопление зданий начинают раньше установленного среднего срока и продолжительность отопительного сезона увеличивается.

Тепловой режим здания — его общее тепловое состояние в течение отопительного сезона, рассматриваемое как совокупность тепловых условий в помещениях и зависящее от его назначения и предъявляемых санитарно-гигиенических требований.

В зданиях с постоянным пребыванием людей поддерживается равномерный тепловой режим. При периодической деятельности людей и использовании зданий возможны суточные, недельные и другие циклы изменения теплового режима.

Тепловые условия в помещениях создаются при взаимодействии поверхностей нагретых и охлажденных ограждений, материалов, приборов и оборудования, масс нагретого воздуха и холодного. Между поверхностями приборов, ограждений, материалов, оборудования и массами воздуха происходит теплообмен, в котором участвуют находящиеся в помещениях люди. На тепловые условия влияют также подвижность и влажность воздуха.

В организме человека непрерывно вырабатывается и передается окружающей среде теплота, причем организм стремится сохранять постоянную температуру (36,6 °С). Количество вырабатываемой им теплоты различно и зависит от возраста, индивидуальных особенностей, состояния и интенсивности работы, а также теплозащитных свойств одежды. В спокойном состоянии организм взрослого человека отдает в окружающую среду около 120 Дж/с (100 ккал/ч), при тяжелой работе теплопродукция человека возрастает до 500 Дж/с и более.

Организм имеет систему терморегуляции, позволяющую человеку приспосабливаться к изменению тепловых условий в узком интервале температуры. Дискомфортными называют тепловые условия, в которых находится человек, при низкой или высокой температуре окружающей среды, когда нормальное тепловое состояние человека нарушается — организм переохлаждается или перегревается.

Комфортными считают условия, в которых нормальное функциональное и тепловое состояние организма человека сохраняется без напряжения системы терморегуляции. Такие условия создают предпосылки для высокой работоспособности человека.

Допустимыми являются условия, которые при длительном воздействии на человека могут вызывать незначительные изменения функционального и теплового состояния организма и напряжение системы терморегуляции. При этом состояние здоровья человека не нарушается, но возможны ухудшение самочувствия и понижение работоспособности.

Комфортные и допустимые тепловые условия в помещениях определяются категориями физической работы, т.е. разграничением работы на основе общих энергозатрат человека. Физическую работу человека делят следующим образом:

  • легкая (категория I) — работа, выполняемая сидя или стоя (категория 1а) либо связанная с ходьбой, не требующая систематического физического напряжения, поднятия и переноски тяжестей (категория 1б). Энергозатраты при этом не превышают 174 Дж/с (150 ккал/ч);
  • средней тяжести (категория II) — связанная с постоянной ходьбой, выполняемая стоя или сидя, но не требующая перемещения тяжестей (категория Па) или требующая переноски небольших (до 10 кг) тяжестей (категория Пб). Энергозатраты составляют: при работе, отнесенной к категории Па, — от 174 до 233 Дж/с (150-200 ккал/ч), к категории Пб - от 233 до 291 Дж/с (200-250 ккал/ч);
  • тяжелая (категория III) — работа, связанная с систематическим физическим напряжением, в частности с постоянными перемещением и переноской значительных (свыше 10 кг) тяжестей. Энергозатраты при этом превышают 291 Дж/с (250 ккал/ч).

Комфортные условия для людей должны быть обеспечены в части объема помещений, называемой рабочей (обслуживаемой в гражданских зданиях) зоной, т.е. в пространстве высотой до 2 м (до 1,5 м для сидящих людей) над уровнем пола.

Комфортные для человека тепловые условия определяются главным образом температурой воздуха tв и средней температурой поверхностей, обращенных в помещение, tср, поскольку подвижность и влажность воздуха обычно имеют незначительные колебания.

Средняя температура внутренних поверхностей помещения находится по формуле:

tср = ΣFiti / ΣFi, (1.1)

где Fi и ti — площадь, м2, и температура внутренней поверхности, °С, каждой из ограждающих конструкций в помещении.

При одной и той же температуре воздуха (например, 20 °С) тепловые ощущения человека в зависимости от температуры tср могут быть различными и характеризоваться оценками «холодно» при пониженной tср (tср ниже 16 °С при tв = 20 °С), «нормально» (если tср — 16—25 °С при той же температуре воздуха) и «жарко» при повышенной tср (выше 25 °С в приведенном примере). Для нормального теплоощущения человека в помещении при пониженной температуре ограждений следует повышать температуру воздуха tв.

В строительных нормах и правилах (СНиП) это положение выражено требованием повышать на 2 °С расчетную температуру воздуха в угловых помещениях (имеющих две наружные стены и более) жилых зданий или вводить 5%-ную добавку к основным теплопотерям через наружные стены, двери и окна угловых помещений общественных, административно-бытовых и производственных зданий. Напротив, при повышенной температуре tср (например, при панельно-лучистом отоплении) температура tв должна быть понижена.

Температура помещения tп, °C, вычисляется по уравнению:

tп = 0,46tв + 0,54tR(1.2)

или приблизительно

tп = (tв + tR) / 2, (1.3)

гдеtR, °С — радиационная температура (усредненная температура охлажденных и нагретых поверхностей, полученная для условий лучистого теплообмена человека, находящегося в середине помещения), равная

tR = Σtiфч-i, (1.4)

где фч-i — коэффициент облученности с поверхности тела человека (индекс «ч») в сторону окружающих его i-ых поверхностей, имеющих температуру ti.

Благоприятность тепловых условий в помещении устанавливают по температурной обстановке, которая считается комфортной при соблюдении двух условий.

Первое условие тепловой комфортности в помещении определяет сочетание температуры воздуха и температуры его поверхностей, при которых человек, находясь в середине рабочей зоны помещения, не испытывает чувства перегревания или переохлаждения.

Комфортные тепловые условия выражает усредненная температура помещения tп. При практических расчетах в условиях конвективного отопления за температуру помещения принимают значения температуры воздуха tв, приведенные в СНиП'ах и ГОСТ'ах.

Обычно значения температуры tп, tв и tR близки. Для помещений, где температуры воздуха и поверхностей заметно различаются (например, при лучистом или воздушном отоплении), принимают за температуру помещения нормируемую внутреннюю температуру. Затем проверяют выполнение первого условия тепловой комфортности, используя зависимость между температурами tв и tR, установленную для большинства помещений гражданских зданий в холодный период года:

tR = 1,57tп - 0,57tв +/- 1,5. (1.5)

Для выполнения первого условия тепловой комфортности необходимо, чтобы значение радиационной температуры tR по (1.4) находилось в допустимых пределах, определяемых (1.5).

На самочувствие человека влияют также тепловые условия, в которых находятся его голова и ноги. Голова человека особенно чувствительна к радиационному нагреванию и охлаждению.

Ноги перегреваются или переохлаждаются при соприкосновении с поверхностью нагретого или холодного пола. Потоки холодного воздуха вдоль пола могут вызывать простудные заболевания.

Второе условие тепловой комфортности в помещении определяет температуру нагретой или охлажденной поверхности, допустимую для человека, находящегося непосредственно около этой поверхности, и связано с интенсивностью лучистого теплообмена человека.

Температуру поверхности потолка и стен (в зоне выше 1 м от уровня пола) ограничивают во избежание недопустимого радиационного воздействия на голову человека. При минимально необходимой теплоотдаче человека излучением 11,6 Дж/с*м2) температура нагретой поверхности, °С, должна быть не выше:

tнаг <= 19,2 + 8,7 / фч-п. (1.6)

Температура охлажденной поверхности, °С, при максимальной теплоотдаче человека излучением 70 Дж/(с*м2) должна быть не ниже:

tохл >= 23 - 5 / фч-п, (1.7)

где фч-п — коэффициент облученности с поверхности головы человека в сторону нагретой или охлажденной поверхности (расчетное расстояние до стен 1 м).

Минимально допустимая температура охлажденной поверхности окон может быть найдена, если предельно допустимую теплоотдачу человека излучением принять равной 93 Дж/(с*м2):

tохл.ок >= 14 - 4,4 / фч-ок. (1.8)

Температура поверхности холодного пола может быть ниже температуры воздуха помещений на 2—2,5 °С (в производственных зданиях это требование относится к участкам с постоянными рабочими местами, если там не выполняются тяжелые работы; в общественных — к помещениям, эксплуатация которых связана с постоянным пребыванием людей). Температура поверхности нагретого пола в помещениях, предназначенных для постоянного пребывания людей, не должна превышать +26 °С.

Классификация и применение систем отопления. Основными конструктивными элементами системы отопления являются:

  • теплоисточник (теплообменник при централизованном теплоснабжении) — элемент для получения теплоты; 
  • теплопровод — элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;
  • отопительный прибор — элемент для теплопередачи в помещения.

Системы отопления по расположению основных элементов подразделяются на местные и центральные.

В местных системах отопления генератор тепла, нагревательные приборы и теплоотдающие поверхности конструктивно объединены в одном устройстве. Теплопереносящая рабочая среда нагревается горячей водой, паром, электричеством или при сжигании какого-либо топлива.

Примером местной системы отопления являются газовые и жидкотопливные отопительные агрегаты. Тепловая энергия, получаемая при сжигании газообразного топлива в горелке, передается в поверхностном теплообменнике теплоносителю — воздуху, нагнетаемому вентилятором. Горячий воздух по теплопроводам — каналам выпускается в помещение после очистки в фильтре. Охладившиеся продукты сгорания газа удаляются через дымоход в атмосферу.

В местной системе отопления с использованием электрической энергии теплопередача может осуществляться с помощью жидкого или газообразного теплоносителя либо без него непосредственно через твердую среду.

Центральными называются системы, предназначенные для отопления группы помещений из одного теплового центра. В тепловом центре находятся теплообменники или теплогенераторы (котлы). Они могут размещаться в обогреваемом здании (в местном тепловом пункте или котельной), а также вне здания — в центральном тепловом пункте (ЦТП), на тепловой станции (отдельно стоящей котельной) или ТЭЦ. В зависимости от применяемого теплоносителя центральные системы отопления подразделяются на водяные, паровые и воздушные. Кроме того, могут применяться центральные комбинированные системы.

В центральных водяных отопительных системах вода, нагретая в генераторе теплоты (котле), поступает по теплопроводам в нагревательные приборы (радиаторы, калориферы), через стенки которых отдает накопленную в генераторе теплоту воздуху помещений, охлаждаясь при этом, а затем вновь возвращается в котел, где восстанавливает свое исходное тепловое состояние, и вновь направляется в нагревательные приборы.

В системах водяного отопления вода в генераторе теплоты подогревается максимально до температуры 95 °С и возвращается в генератор теплоты, охладившись в нагревательных приборах системы до 70 °С. Перепад температур воды, таким образом, составляет 25 °С.

Верхний предел температуры определяется санитарно-гигиеническими требованиями из условия, что средняя температура воды в нагревательном приборе при расчетной наружной температуре не должна превышать полусуммы температур максимально подогретой воды 95 °С и возвращенной в генератор теплоты 70 °С, т.е. 82,5 °С. При более высокой температуре воды возможно пригорание пыли на поверхности металлического прибора, что вызовет неприятный запах, раздражающий человека. Кроме того, при высокой температуре металла появляется опасность ожога.

Нижний предел температуры определяется экономическими соображениями.

Таким образом, непрерывно происходит круговое движение (циркуляция) теплоносителя: тепловой генератор — нагревательные приборы — тепловой генератор.

Если циркуляция воды по системе производится без применения механизмов, а лишь за счет разности объемных весов охладившейся и горячей воды, то такую систему водяного отопления называют системой с естественной циркуляцией.

При значительной протяженности системы давления, создаваемого одной естественной циркуляцией, становится недостаточно для перемещения нужного количества воды без применения теплопровода. В таких случаях в сеть трубопроводов системы включают насос для механического перемещения воды. Такая система носит название насосной системы водяного отопления или водяной системы с механическим побуждением.

В системах воздушного отопления обогрев помещений происходит путем непосредственного впуска в них теплоносителя — горячего воздуха. Эта система не имеет нагревательных приборов.

В системах парового отопления образовавшийся в генераторе теплоты водяной пар под воздействием собственной упругости (давления) движется по теплопроводам (паропроводам) и поступает в нагревательные приборы. Через стенки нагревательных приборов пар отдает скрытую теплоту воздуху помещений, превращаясь в воду (конденсируется). Температура образовавшегося конденсата равна температуре поступающего в приборы пара. Конденсат из приборов по конденсатопроводам возвращается в генератор теплоты, где вновь превращается в пар. В зависимости от давления пара в котле системы парового отопления могут быть вакуум-паровыми, где давление пара ниже атмосферного, образуемого путем разрежения в системе при помощи специальных устройств; паровыми низкого давления — от 5 до 70 кПа; паровыми высокого давления — более 70 кПа.

В системах воздушного отопления обогрев помещений происходит путем непосредственного впуска в них теплоносителя — горячего воздуха. Данная система не имеет нагревательных приборов.

Как и водяные системы отопления, воздушные могут быть с естественной циркуляцией, когда воздух перемещается по каналам-воздуховодам вследствие разности объемных весов охладившегося и горячего воздуха, или с механическим побуждением, где движение воздуха обеспечивается под воздействием давления, развиваемого вентилятором.

Нагревание воздуха, служащего теплоносителем, производится в специальных приборах — калориферах, которые обогреваются топочными дымовыми газами, горячей водой, паром или электричеством. В соответствии с этим системы воздушного отопления могут быть: огневоздушные, водовоздушные, паровоздушные, электровоздушные.

В центральных комбинированных системах отопления нагревание основного теплоносителя, поступающего в нагревательные приборы помещений, производится при помощи вспомогательного теплоносителя. Например, горячая вода для водяной системы отопления может приготовляться в специальных аппаратах (бойлерах, противоточных аппаратах) посредством пара. Такие системы называются пароводяными.

Теплопроводы центральных систем подразделяются следующим образом:

  • магистрали — подающие, по которым подается теплоноситель, и обратные, по которым отводится охладившийся теплоноситель;
  • стояки — вертикальные трубы или каналы;
  • ветви — горизонтальные трубы или каналы, связывающие магистрали с подводками к отопительным приборам (с ответвлениями к помещениям при теплоносителе воздухе).

Примером центральной системы является система отопления зданий с собственной котельной и отопительными приборами, размещенными во всех помещениях здания.

Центральная система отопления называется районной, когда группа зданий отапливается из отдельно стоящей центральной тепловой станции. Теплообменники и отопительные приборы системы здесь также разделены: теплоноситель (например, вода) нагревается на тепловой станции, перемещается по наружным и внутренним (внутри зданий) теплопроводам в отдельные помещения каждого здания к отопительным приборам и, охладившись, возвращается на станцию.

В современных системах теплоснабжения гражданских зданий от ТЭЦ и крупных тепловых станций используются два теплоносителя:

  • первичный высокотемпературный (вода, пар или газообразные продукты сгорания топлива) — перемещается от ТЭЦ или станции по городским распределительным теплопроводам к ЦТП (или отдельным зданиям) и обратно;
  • вторичный — после нагревания в теплообменниках (или смешения с первичным) поступает по наружным (внутриквартальным) и внутренним теплопроводам к отопительным приборам в каждом обогреваемом помещении и затем возвращается в ЦТП.

Если, например, первичная высокотемпературная вода нагревает вторичную воду, то такую центральную систему отопления, строго говоря, следует именовать водоводяной. Аналогично могут существовать водовоздушная, пароводяная, паровоздушная, газовоздушная и другие системы центрального отопления.

Характеристика теплоносителей. В качестве теплоносителя для отопления может применяться жидкая или газообразная среда, обладающая теплоаккумулирующей способностью, а также подвижная и дешевая. В системах отопления используют такие теплоносители:

  • газ — образуется при сгорании топлива, имеет высокую температуру и применяется для отопления, когда удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности приборов в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями. Горячий газ применяется в отопительных печах, газовых калориферах и других видах местных отопительных установок;
  • вода — обладает большой теплоемкостью, плотностью и вязкостью, несжимаемостью, при нагревании расширяется с уменьшением плотности; при повышении температуры и уменьшении давления выделяет растворенные газы. Температура кипения воды зависит от давления и понижается вследствие теплопередачи через стенки труб и приборов;
  • пар — одно из агрегатных состояний воды, обладает малой плотностью и высокой подвижностью; температура и плотность пара повышаются при увеличении давления. Пар отличается большим теплосодержанием за счет теплоты испарения, которая выделяется при конденсации пара в трубах и приборах и передается через их стенки в помещения;
  • воздух — имеет малые теплоемкость и плотность, подвижность, при нагревании расширяется с уменьшением плотности. Температура горячего воздуха понижается вследствие теплопередачи через стенки каналов и при смешении с воздухом отапливаемых помещений.

Выбор основных видов теплоносителей для системы отопления зданий осуществляется в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями.

При использовании воды в системах отопления обеспечивается равномерная температура помещений, ограничивается температура поверхности отопительных приборов, применяются трубы меньшего поперечного сечения, достигается бесшумность движения теплоносителя в трубах. Однако такие системы требуют большого расхода металла, возможно значительное гидростатическое давление в системах из-за высокой плотности воды, тепловая инерция воды обусловливает инерционность регулирования теплоотдачи приборов.

При использовании пара сокращается расход металла за счет уменьшения площади приборов и поперечного сечения конденсатопроводов, достигается быстрое прогревание приборов. Однако этот теплоноситель не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям: его температура высока и постоянна при данном давлении, что не обеспечивает регулирования теплоотдачи приборов, а движение пара в трубах сопровождается шумом.

При использовании воздуха достигается быстрое изменение и соответственно равномерность температуры помещений. Это позволяет избежать установки отопительных приборов и осуществлять вентиляцию помещений. Кроме того, воздух бесшумно движется в каналах. Однако воздух обладает малой теплоаккумуляционной способностью; площади поперечного сечения воздуховодов значительны и соответственно требуется большой расход металла па их изготовление; температура по длине воздуховодов неравномерна.

© 1997 — 2021
FAS