Современные системы отопления

с естественной циркуляцией теплоносителя

Принципиальная схема системы водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя показана на рис. 1 а, б.

Вода от котла к приборам теплообменника и обратно двигается под действием гидростатического напора, возникающего благодаря различной плотности охлажденной и нагретой жидкости (теплоносителя).

Какая же сила заставляет воду циркулировать в системе, т. е. двигаться по трубам из котла в нагревательные приборы и обратно в котел? Эта сила возникает при нагревании воды в котле и охлаждении ее в нагревательных приборах. Вода, нагретая в котле 1, как более легкая, поднимается по главному подающему стояку 2 вверх. Из стояка она поступает в разводящие магистральные трубопроводы 3, а из них через подающие стояки 4 — в нагревательные приборы. Здесь вода остывает и поэтому становится более тяжелой. Например, плотность воды при 40° С составляет 992,24 кг/м3, при 70° С — 977,8 кг/м3, при 95° С — 961,9 кг/м3. Охлажденная вода через обратные стояки 5 и обратную линию 6 опускается вниз и своим весом вытесняет нагретую воду из котла вверх — в главный подающий стояк.

Описанный процесс непрерывно повторяется и в результате происходит постоянная циркуляция воды в системе. Сила циркуляции, или, как принято говорить, циркуляционное давление, зависит от разности весов столба горячей и столба охлажденной (обратной) воды, следовательно, она зависит от разности температур горячей и обратной воды.

Кроме того, циркуляционное давление обуславливается еще высотой расположения нагревательного прибора над котлом: чем выше расположен прибор, тем больше для него циркуляционное давление.

Это можно доказать следующим образом.

В системах водяного отопления наибольшая температура горячей воды обычно равна 95° С, а охлажденной — 70° С. Если пренебречь охлаждением воды в трубах, то можно считать, что в нагревательный прибор вода поступает с температурой 95° С, а уходит из него с температурой 70° С. При этом условии определим сначала для верхнего, а затем для нижнего нагревательного прибора циркуляционное давление, под влиянием которого происходит через них движение воды.

Проведем на рис. 1а пунктирные горизонтальные линии через центры нагревательных приборов и котла. Допустим,

что эти линии являются границей между водой с температурой 95° С и водой с температурой 70° С. Очевидно, что на участке БВГДЛ температура воды будет одинакова и равна 95° С, следовательно, здесь не может возникнуть сила, которая заставила бы воду циркулировать. Одинакова и равна 70° С температура на участке АКИЗ, поэтому и тут не может быть создана необходимая сила. Остается рассмотреть остальные два участка — АВ и ЕЗ. На участке АВ температура воды равна 95° С, а на участке ЕЗ она составляет 70° С. При таком соотношении температур налицо необходимое условие для возникновения циркуляционного давления — вследствие разности весов воды на участке ЕЗ и АВ и создается циркуляция в кольце АБВГДЛЕЖЗИК. Сказанное относится к верхнему нагревательному прибору.

Для прибора, расположенного в нижнем этаже и включенного в кольцо АБВГДЛМЖЗИК, циркуляционное давление будет создаваться разностью весов столба воды ЖЗ и столба АБ, так как на участке БВГДЛМ температура одинакова и равна 95° С, а на участке АКИЗ температура тоже одинакова

и равна 70° С. Но высота столбов воды АВ и ЕЗ соответственно больше высоты столбов воды АБ и ЖЗ. Следовательно, и разница в весе столбов АВ и ЕЗ будет больше разницы в весе столбов АБ и ЖЗ, отсюда циркуляционное давление для прибора второго этажа больше, чем для прибора первого этажа.

Этим объясняется следующее часто наблюдающееся явление: в системах водяного отопления нагревательные приборы верхних этажей прогреваются лучше, чем приборы нижних этажей.

Из приведенных выше рассуждений вытекает, что в двухтрубных системах отопления нагревательные приборы, расположенные на одном уровне с котлом или ниже его, работать не будут или же будут очень слабо прогреваться. Для указанных систем практикой установлено наименьшее расстояние между центром нагревательных приборов нижнего этажа и центром котла в 3 метра. В связи с этим котельные для систем отопления должны иметь достаточное заглубление. Указанного недостатка лишены

однотрубные системы отопления. В этом случае гидростатический напор, заставляющий циркулировать воду в системе, будет образовываться из-за охлаждения воды в трубопроводах, подводящих нагретую воду к нагревательным приборам, а также отводящих охлажденную воду от приборов к котлу.

Это охлаждение полезно, во-первых, для создания гидростатического напора, а во-вторых, для дополнительного обогрева помещения, поэтому указанные трубопроводы прокладывают открыто и не изолируют. Напротив, охлаждение воды в главном стояке (подъемном трубопроводе) вредно, ибо приводит к снижению температуры и увеличению плотности и, как следствие, к уменьшению гидростатического напора. В связи с этим подъемный стояк от котла необходимо тщательно теплоизолировать.

Количество тепла, отдаваемого помещению нагревательными приборами, зависит от количества поступающей в прибор

воды и ее температуры. В свою очередь, количество воды, которое может быть пропущено через трубопровод к прибору, зависит от циркуляционного давления, заставляющего воду двигаться по трубе. Чем больше циркуляционное давление, тем меньше может быть диаметр трубы для пропуска определенного количества воды и, наоборот, чем меньше циркуляционное давление, тем больше должен быть диаметр трубы.

Но для нормального действия системы отопления требуется еще одно условие: чтобы циркуляционное давление было достаточным для преодоления всех сопротивлений, которые встречает движущаяся в этой системе вода. Известно, что вода при своем движении в системе отопления встречает сопротивления, вызываемые трением воды о стенки труб, а кроме них, еще и местные сопротивления, к которым относятся отводы, тройники, крестовины, краны, нагревательные приборы и котлы.

Сопротивление вследствие трения зависит от диаметра и длины трубопровода, а также от скорости движения воды (если скорость увеличится в два раза, то сопротивление — в четыре раза, т. е. в квадратичной зависимости). Чем меньше диаметр и больше длина трубопровода и чем выше скорость воды, тем больше сопротивление создается на пути воды, и наоборот. В схеме отопления, изображенной на рис 1 а имеется два кольца: одно, проходящее через ближайший к котлу стояк, и другое, которое проходит через дальний стояк. Так как первое кольцо короче второго, то при одинаковой в обеих кольцах тепловой нагрузке и одинаковых диаметрах труб будет проходить по короткому кольцу больше воды, чем требуется по расчету, и в результате по длинному кольцу будет проходить меньше воды, чем следует по расчету. Чтобы этого избежать, необходимо для дальнего стояка применять трубы большего диаметра, чем для ближайшего стояка, и таким образом уравнять сопротивления в обеих кольцах. При большей длине труб сопротивление возрастает, с увеличением диаметра труб оно падает.

Величина местного сопротивления зависит, во-первых, от скорости воды, следовательно, и от изменения сечения, вызывающего изменение этой скорости (например, в кранах, нагревательных приборах, котлах и т. д.), во-вторых, от изменения направления, по которому движется вода, и из-

менения количества воды (например, в отводах, тройниках, крестовинах, вентилях).

Показанная на рис. 1 а система отопления — это система с верхней разводкой. Здесь горячая вода поднимается через главный стояк в магистральный трубопровод, прокладываемый обычно на чердаке.

На рис. 1 б показана система отопления с нижней разводкой. В этой системе подающая магистраль, питающая восходящие стояки, располагается на первом этаже в подпольном канале или же в подвале здания. Обратные стояки присоединяются к общей обратной магистрали.

По принципу действия система отопления с нижней разводкой не отличается от системы с верхней разводкой. И тут, и там циркуляция создается потому, что горячая вода, как более легкая, вытесняется обратной водой вверх по стоякам; остывая в нагревательных приборах, эта вода опускается вниз через обратные стояки и снова поступает в котел.

В системах с естественным побуждением в зданиях небольшой этажности величина циркуляционного давления невелика, и поэтому в них нельзя допускать больших скоростей движения воды в трубах; следовательно, диаметры труб должны быть большими. Система может оказаться экономически невыгодной. Поэтому применение систем с естественной циркуляцией допускается лишь для небольших зданий.

Перечислим недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды:

•  сокращен радиус действия (до 30 м по горизонтали) из-за небольшого циркуляционного давления;

•  повышена стоимость (до 5–7% стоимости здания) в связи с применением труб большого диаметра;

•  увеличены расход металла и затраты труда на монтаж системы;

•  замедлено включение системы в действие;

•  повышена опасность замерзания воды в трубах, проложенных в неотапливаемых помещениях.

Вместе с тем, отметим преимущества системы с естественной циркуляцией воды, определяющие в отдельных случаях ее выбор:

•  относительная простота устройства и эксплуатации;

•  независимость действия от снабжения электрической энергией;

•  отсутствие насоса, а соответственно, шума и вибраций;

•  сравнительная долговечность (при правильной эксплуатации система может действовать 35–40 лет и более без капитального ремонта);

•  саморегулирование, обусловливающее ровную температуру помещений. В системе при изменении температуры и плотности воды изменяется и расход вследствие возрастания или уменьшения естественного циркуляционного давления. Одновременное изменение температуры и расхода воды обеспечивает теплопередачу приборов, необходимую для поддержания заданной температуры помещений, т. е. придает системе тепловую устойчивость.

Устройство систем водяного отопления с искусственной циркуляцией теплоносителя

В системах водяного отопления с естественной циркуляцией циркуляционные давления измеряются всего лишь десятками миллиметров водяного столба. Столь малые давления не позволяют устраивать данные системы в зданиях, имеющих большую протяженность, кроме того, они требуют применения труб значительных диаметров, что ведет к большому расходу металла.

Перечисленных недостатков лишены системы водяного отопления с искусственной циркуляцией. В них циркуляция воды создается центробежными насосами. Насосы, действующие в замкнутых кольцах системы отопления, заполненных водой, воду не поднимают, а только ее перемещают, создавая циркуляцию, и поэтому называются циркуляционными.

Циркуляционный насос включают, как правило, в обратную магистраль системы отопления для увеличения срока службы деталей, взаимодействующих с горячей водой.

На рис. 2 а, 2 б изображены системы водяного отопления с искусственной циркуляцией. Расширительный бак подсоединяют не к подающей, а к обратной магистрали.

В системах отопления целесообразно применять специальные циркуляционные насосы, перемещающие значительное количество воды и развивающие сравнительно небольшие давления. Это малошумные горизонтальные лопастные насосы центробежного

типа, соединенные в единый блок с электродвигателями и закрепляемые непосредственно на трубах (без фундамента), например насосы типа ЦНИПС (рис. 3) или ЦВЦ (рис. 4).

Применение насосных систем отопления позволяет существенно увеличить протяженность трубопровода и уменьшить металлоемкость системы отопления за счет уменьшения диаметров разводящих трубопроводов. Кроме того, с установкой циркуляционного насоса появляется возможность применения новых схемных решений системы отопления, например, отказ от верхней разводки трубопроводов. Однако применение насосных систем отопления возможно только при условии надежного электроснабжения.

При отсутствии теплогенераторов на твердом топливе с топками длительного горения могут найти применение системы водяного отопления (рис. 5) с баком-аккумулятором и циркуляционным насосом типа ЦВЦ. Такая система позволяет значительно сократить эксплуатационные затраты по обслуживанию генератора теплоты.

Принцип подобной системы отопления состоит в том, что тепловую мощность теплогенератора выбирают в 3 раза больше, чем теплопотери отапливаемого дома, за счет чего появляется возможность не только обеспечивать компенсацию теплопотерь дома, но и аккумулировать теплоту в специальном

баке, который начинает работать по прекращении эксплуатации теплогенератора. Объем бака-аккумулятора подбирают с таким расчетом, чтобы время его разрядки составляло не менее 8 часов (при работе теплогенераторов два раза в сутки по 4 часа). Для эффективной работы системы бак-аккумулятор должен быть тщательно теплоизолирован с целью исключения бесполезных потерь теплоты.

Конструктивные схемы систем водяного отопления

Конструктивно системы водяного отопления (как с естественным, так и с искусственным побуждением) подразделяют:

•  по месту прокладки подающей магистрали — на системы с верхней и нижней разводкой;

•  по способу присоединения нагревательных приборов к подающим стоякам — на однотрубные и двухтрубные;

•  по расположению стояков — на системы с вертикальными и горизонтальными стояками;

•  по схеме прокладки магистрали — на системы с тупиковой схемой и с попутным движением воды в магистралях.

Системы отопления с верхней и нижней разводкой

Вариант системы отопления с верхней и нижней разводкой приведен на рис.6 а, 6 б на примере двухэтажного дома с подвалом и чердачным помещением. При верхней разводке (рис. 6 а) горячая вода в чердачном помещении направляется в различные стояки, по ним же поступает к нагревательным приборам-радиаторам. При нижней разводке (рис. 6 б) горячая вода из котла поступает в стояки снизу (из подвала). Незави-

<<< 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 >>>