Текст книги "Отопление и водоснабжение загородного дома"

Циркуляционное давление в водяном отоплении

Теплоотдача различных нагревательных приборов, а также температура воздуха в жилом помещении при одинаковых технических параметрах находятся в зависимости от трех характеристик:

• объема поступающего в отопительный прибор теплоносителя;

• температуры теплоносителя;

• гидростатического давления, которое двигает теплоноситель по трубам.

Если давление в системе невысокое, то она не может нормально работать. Гидростатическое давление дает возможность преодолевать помехи, возникающие на пути воды. К таким помехам можно отнести:

• сопротивления, вызываемые трением теплоносителя о стенки труб;

• местные сопротивления в отводах, тройниках, кранах, отопительных приборах и водогрейных котлах.

Величина помехи из-за трения о стенки труб зависит от скорости воды, диаметра и длины труб. Чем длиннее трубопровод, тем большим будет сопротивление.

Величина местного сопротивления в главных узлах отопительной системы напрямую зависит от скорости воды, изменения диаметра труб и количества воды в отводах, тройниках, вентилях и крестовинах, а также от изменения направления движения воды.

По принципу циркуляции теплоносителя водяные отопительные системы можно разделить на 2 группы:

– с естественной циркуляцией;

– с принудительной циркуляцией.

В системах второй группы движение теплоносителя возникает после начала работы циркуляционного насоса.

Системы с естественной циркуляцией теплоносителя

В такого рода системах движение теплоносителя возникает под действием гравитационной силы, возникающей за счет разности плотности теплоносителя в подающих и обратных трубах. Поскольку плотность горячей воды меньше, она значительно легче холодной. Разность плотности охлажденной и горячей воды создает в отопительной системе гидростатический напор, дающий теплоносителю возможность перемещаться от источника нагревания к радиаторам (или трубам) и обратно. То есть происходит вытеснение горячей воды холодной. Вода нагревается в котле, становится более легкой и вследствие этого поднимается по подающему трубопроводу (главному стояку) вверх. Оттуда она поступает в разводящие подающие стояки и попадает в отопительные приборы. По мере продвижения по трубам вода остывает, становится тяжелее. После этого охлажденная вода от отопительных приборов движется в обратном направлении, т. е. спускается вниз по обратным стоякам и общей обратной магистрали, попадает в отопительный котел, откуда вытесняет легкую нагретую воду. Поскольку разность нагретой и охлажденной воды постоянно существует, то отопительная система функционирует беспрерывно.

В системе с естественной циркуляцией так же, как в системе с принудительной циркуляцией, имеется циркуляционный напор. Его величина зависит от двух факторов:

– разности температур нагретой и охлажденной воды. Как правило, температура горячей воды в системе равна 95° С, охлажденной – 70° С. Для защиты подающей магистрали и недопущения падения температуры воды, а значит, и уменьшения гидростатического давления в системе главный стояк закрывают теплоизоляционным материалом. Обратные магистрали монтируют без утеплителя, т. к. только в этом случае вода будет охлаждаться до нужной температуры и создавать циркуляционный напор;

– от места нахождения отопительных приборов по отношению к теплогенератору (источнику нагрева). Известно, что чем выше расположен отопительный прибор над котлом, тем больше будет значение циркуляционного давления. Значит, циркуляционное давление отопительных приборов, находящихся на втором этаже, будет значительно выше, чем то же значение приборов первого этажа. Отопительные приборы, расположенные на одном уровне с теплогенератором или стоящие ниже его, нагреваются слабо и воздух в помещениях прогревают плохо. Оптимальное расстояние между центрами теплогенератора и отопительного прибора должно равняться 3 м.

Отопительные системы с естественной циркуляцией теплоносителя подразделяются на системы с верхней и нижней разводкой (рис. 1).

Рис. 1. Система с естественной циркуляцией теплоносителя: а – верхняя разводка; б – нижняя разводка; 1 – котел; 2 – воздушная линия (главный стояк); 3 – разводящая линия; 4 – горячие стояки; 5 – обратные стояки; 6 – обратная линия; 7 – расширительный бак; 8 – сигнальная линия; 9 – уклон

Действуют обе эти системы аналогично. Различаются они только расположением подающей магистрали. Система с естественной циркуляцией имеет следующие достоинства:

– равномерное распределение нагретого воздуха в жилых помещениях, что дает дополнительный комфорт. Высокие показатели комфортности зависят от саморегуляции системы отопления, т. е. от изменения температуры и плотности воды;

– простота устройства и обслуживания;

– отсутствие вибрации и шума, потому что нет циркуляционного насоса;

– долгий срок службы системы отопления.

И все же, даже при наличии множества плюсов, такие системы отопления используются все реже и реже (в основном в сельской местности). В настоящее время в загородных домах применяются отопительные системы, в которых имеются циркуляционные насосы. Такое явление вызвано тем, что у данного вида систем имеется ряд недостатков:

– большой диаметр труб, что ведет к значительному расходу стройматериалов;

– большие затраты на установку отопительной системы;

– значительные энергозатраты, т. е. большой расход топлива;

– большие затраты времени на включение системы отопления;

– отсутствие возможности регулировки температуры нагретого воздуха;

– частые случаи замерзания воды в трубопроводах, смонтированных в неотапливаемых помещениях;

– неэстетичный вид проложенного трубопровода из-за большого диаметра труб.

Исходя из перечисленных недостатков, следует признать, что система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя довольно часто оказывается малоэффективной и экономически невыгодной.

Отопительные системы с принудительной циркуляцией теплоносителя

В системах такого типа движение теплоносителя по трубопроводам происходит за счет работы циркуляционного насоса, который обеспечивает бесперебойную работу в отопительной системе и подключается к обратной магистрали. Это продляет срок службы всех узлов, контактирующих с горячей водой. Также к обратной магистрали подключают и расширительный бак (о нем будет подробно рассказано в соответствующей главе).

Отопительные системы с принудительной циркуляцией используют в многоэтажных коттеджах, т. к. наличие насоса позволяет намного увеличивать длину трубопроводов, а также применять новые монтажные схемы отопительной системы (рис. 2).

Но использовать отопительные системы с принудительной циркуляцией теплоносителя можно только в тех случаях, когда имеется возможность бесперебойной подачи электроэнергии, потому что циркуляционные насосы работают от сети.

К достоинствам отопительной системы с принудительной циркуляцией можно отнести:

– большую теплоотдачу;

– незначительные потери теплоносителя на испарение;

– возможность использовать трубы небольшого диаметра. Это значительно сокращает расход материалов и время на монтаж системы;

Рис. 2. Водяное отопление с принудительной циркуляцией: а – нижняя разводка: 1 – котел; 2 – главный стояк; 3 – расширительный бак; 4 – сигнальная линия; 5 – подающая линия; 6 – воздухосборник; 7 – подающие стояки; 8 – обратные стояки; 9 – обратная линия; 10 – насос; 11 – расширительная труба; б – верхняя разводка: 1 – котел; 2 – подающая линия; 3 – обратная линия; 4 – подающие стояки; 5 – обратные стояки; 6 – воздушная линия; 7 – воздухосборник; 8 – расширительный бак; 9 – насос; 10 – расширительная труба

– небольшой разрыв в температуре нагретого и охлажденного теплоносителя, что намного увеличивает срок службы водогрейного котла;

– наличие регулировки мощности всей системы отопления и температуры воздуха в помещениях.

В общем и целом отопительная система с принудительной циркуляцией теплоносителя намного удобнее в эксплуатации и обслуживании.

Выбор циркуляционного насоса

Как правило, выбором отопительных приборов и оборудования занимаются специалисты. Но бывают случаи, когда нет возможности воспользоваться услугами профессионала и все работы хозяин выполняет сам. Чтобы облегчить эту задачу, необходимо разобраться в некоторых тонкостях.

Для того чтобы циркуляционный насос хорошо и долго работал, он должен обладать следующими качествами:

– потреблять небольшое количество электроэнергии;

– надежно работать без вмешательства специалиста по техобслуживанию;

– иметь долгий срок службы.

Если ваш загородный дом имеет площадь, равную 250 м², то необходим циркуляционный насос производительностью до 3,5 м³/ч и максимальным напором до 0,4 атм. При площади дома, составляющей от 250 до 350 м², нужен насос производительностью до 4,5 м³/ч и максимальным напором до 0,6 атм. Для обогрева дома площадью от 350 до 800 м² рекомендуется насос производительностью до 11 м³/ч и максимальным напором до 0,8 атм.

Рис. 3. Циркуляционный насос ЦНИПС: 1 – колесо рабочее; 2 – корпус насоса; 3 – уплотнение-сальник; 4 – вал двигателя

Рис. 4. Диагональный насос ЦВЦ: 1 – корпус; 2 – нагнетательный патрубок; 3 – контрфланец для присоединения трубы; 4 – электродвигатель

Рис. 5. Внешний вид циркуляционных насосов семейства «Гном»

В случае, когда нужен более точный расчет мощности циркуляционного насоса, следует учитывать такие параметры:

– диаметр труб;

– общую длину магистрали;

– материал, из которого изготовлены трубы;

– тип отопительных приборов и их количество;

– вид запорно-регулирующей аппаратуры;

– вид автоматики (если она имеется).

Если циркуляционный насос выбран правильно, с учетом всех вышеперечисленных характеристик, то он будет работать без сбоев. Промышленность выпускает так называемые регулируемые циркуляционные насосы, которые оснащены электронной регулировкой частоты вращения двигателя. Это дает возможность снизить потребление энергии в среднем на 40%, уровень шума в трубах и терморегуляторах и, как правило, удлинить срок службы агрегата. Регулируемый насос автоматически изменяет частоту вращения двигателя в зависимости от температуры в отопительной системе.

При монтаже циркуляционного насоса следует учитывать, что он не может функционировать при наличии воздуха в теплоносителе. Для решения этой проблемы в системе с принудительной циркуляцией устанавливают автоматические воздухоотводчики.

Сейчас на рынке такого рода продукции имеется множество циркуляционных насосов отечественного и зарубежного производства. Среди российских моделей наибольшей популярностью пользуются малошумные диагональные насосы типа ЦНИПС (рис. 3) или ЦВЦ (рис. 4). Обе эти модели имеют единый блок с электродвигателем и монтируются прямо на трубах.

Таблица 3

Циркуляционные насосы «Гном»

Циркуляционные насосы зарубежного производства обычно изготавливаются без сальников, с очень низким уровнем шума и имеют так называемые мокрые роторы, которые находятся непосредственно в теплоносителе и отделены от статора тонкой пленкой. Такого рода насосы имеют небольшие размеры и вес и крепятся на трубах без дополнительной опоры.

Как правило, импортные циркуляционные насосы изготавливаются из чугуна, имеют рабочее колесо, выполненное из нержавеющей стали или высокопрочного композитного материала. Защитная пленка статора также изготовлена из нержавеющей стали. В таких насосах смонтированы керамические подшипники, имеющие долгий срок службы. Практически все модели циркуляционных насосов зарубежного производства оснащены функцией деблокирования, которая дает возможность насосу работать в режиме коротких включений или выключений при попадании инородных тел или при пуске агрегата после длительного периода покоя.

Конфигурация систем водяного отопления

В систему водяного отопления загородного дома обычно включаются:

• котельная;

• система разводки трубопроводов;

• отопительные приборы.

Такого рода системы отопления имеют несколько вариантов разводки труб, которые зависят от:

• места прокладки подающей магистрали;

• способа соединения отопительных приборов и подающих стояков;

• расположения стояков;

• схемы прокладки магистрали.

В табл. 4 указаны данные по выбору конфигурации системы водяного отопления.

Таблица 4

Выбор конфигурации системы водяного отопления в зависимости от особенностей дома

Информацию, данную в этой таблице, обязательно стоит учитывать, т. к. именно от схемы разводки трубопроводов зачастую зависит комфорт в доме.

Теперь стоит пояснить, что такое системы с верхней и нижней разводкой магистралей.

В первом случае нагретый теплоноситель поступает в стояки сверху, т. е. с чердака, во втором случае – снизу, из подвала. Стоит заметить, что независимо от схемы разводки расширительный бак устанавливают всегда в самой высокой точке, а водогрейный котел монтируют внизу (подвал или первый этаж). Весьма наглядно это показано на рис. 6.

Системы водяного отопления по схеме расположения труб стояков подразделяются на: однотрубные горизонтальные, однотрубные вертикальные, двухтрубные, тупиковые двухтрубные вертикальные, проточные двухтрубные с попутным движением воды и т. д. Расскажем подробнее о некоторых из них.

Рис. 6. Двухтрубная схема водяного отопления: а – с верхней разводкой; б – с нижней разводкой; 1 – главный стояк; 2 – обратный трубопровод; 3 – котел; 4 – расширительный бак; 5 – нагревательные приборы; 6 – перелив; 7 – предохранительный трубопровод; 8 – воздушная труба

В этой системе вода течет в одном направлении, а минимальная длина трубопровода обеспечивается за счет того, что вода после прохождения через отопительные приборы возвращается в подающую систему. Таким образом, расход в подающем трубопроводе является постоянным на всем его протяжении, а температура снижается. Это связано с тем, что поступает более холодная вода из отопительных приборов. При фиксированном теплоподводе площадь теплоотдающей поверхности отопительного прибора должна возрастать с увеличением расстояния от водонагревателя.

Серьезным недостатком однотрубной горизонтальной системы является невозможность регулирования теплового потока, т. е. отопительный прибор может работать только при полностью открытом или закрытом приборном вентиле. Частичное регулирование можно выполнять с помощью специальных устройств, однако это редко является экономически оправданным. В частности, для выполнения перепуска теплоносителя через перекрытый отопительный прибор следует смонтировать специальные перемычки, так называемые байпасы. Как это сделать, показано на рис. 7.

Рис. 7. Перепуск теплоносителя через перекрытый радиатор с помощью байпаса: 1 – байпас; 2 – радиатор

Данные перемычки дают возможность регулировать объем поступающей в отопительные приборы воды, но их установка довольно часто ухудшает внешний вид системы и повышает температуру на поверхности трубы стояка и перепуска.

Для тех домов, которые имеют более чем один этаж, как правило, используют разновидность однотрубной системы с верхней разводкой и прокладкой по чердаку подающего трубопровода, от которого вниз отходят параллельные вертикальные стояки для подачи воды в радиаторы. Они должны находиться на разных этажах строго один над другим. При этом температура воды в подающем трубопроводе одинакова в точке входа в любой нисходящий стояк, т. е. изменение температуры возникает уже в самих стояках. При использовании системы с вертикальными стояками все отопительные приборы подсоединяются к общему стояку независимо от того, на каком этаже они расположены (рис. 8).

По сравнению с двухтрубными, однотрубные системы водяного отопления имеют более эстетичный внешний вид и небольшую сметную стоимость. Но устраивать их можно только в тех домах, где есть чердак, т. к. это дает возможность смонтировать систему с верхней разводкой.

Рис. 8. Однотрубные системы водяного отопления: а – с замыкающими участками; б – с горизонтальной проточной системой; 1 – котел; 2 – главный стояк; 3 – расширительная труба; 4 – расширительный бак; 5 – подающая линия; 6 – воздухосборник; 7 – стояки; 8 – обратная линия; 9 – насос; 10 – тройники с пробками; 11 – уклон

Такая система водяного отопления является самой распространенной. В этом случае к каждому отопительному прибору подходят две трубы (прямая и обратная). Первая служит для подачи нагретой воды в отопительный прибор, а вторая – для отвода охлажденной воды.

Трубопровод может быть смонтирован несколькими способами:

1) в форме звезды, когда прямая и обратная трубы подходят к каждому отопительному прибору от общего трубопровода (рис. 9, а). В этом случае и прямая, и обратная трубы, идущие к котлу и от него, разветвляются на столько частей, сколько отопительных приборов установлено в доме;

2) в виде шлейфа. В этом случае прямая и обратная трубы последовательно обходят ряд отопительных приборов (рис. 9, б). При использовании такой формы разводки отопительные приборы, расположенные ближе к котлу, имеют более выгодное положение, потому что им достается более горячая вода. Чтобы разница температур не была слишком большой, сечение труб по мере приближения к котлу увеличивается.

Недостатком двухтрубной системы является потеря давления в каждом гидравлическом контуре (соответствующем каждому радиатору), возрастающая по мере удаления от водонагревателя (котла). Для обеспечения одинакового давления нужно принимать специальные меры.

Двухтрубные системы бывают с тупиковым и попутным движением воды в магистралях.

Система с тупиковым движением воды аналогична однотрубной вертикальной системе. Исключением является то, что радиаторы на каждом этаже подключены параллельно между подводящим и отводящим стояками. У тупиковой системы имеется два циркуляционных кольца разной длины: одно из них (короткое) проходит через самый близкий к котлу стояк, другое (длинное) – через самый удаленный от котла стояк.

Рис. 9. Способы выполнения двухтрубной разводки: а – способ разводки «звезда»; б – способ разводки «шлейф»; 1 – прямая труба; 2 – обратная труба; 3 – отопительные приборы

Рис. 10. Водяное отопление с попутным движением воды: 1 – котел; 2 – главный стояк; 3 – расширительный бак; 4 – воздухосборник; 5 – подающие стояки; 6 – обратные стояки; 7 – обратная линия; 8 – расширительная труба; 9 – насос; 10 – направление уклона труб

Двухтрубная система с попутным движением воды обладает всеми достоинствами вообще двухтрубных систем. В то же время она лишена недостатка, связанного с неравенством перепадов давления, присущего системе с тупиковым движением воды. В этом случае горячая вода из водонагревателя проходит по подающему трубопроводу уменьшающегося размера к трубам, затем к нагревательным приборам, а от них поступает в обратный трубопровод, который идет параллельно подающему в направлении водонагревателя. Трубопровод собирает выходящую из радиаторов воду и увеличивается в диаметре до последнего радиатора. При этом длина пути, проходимого водой, одинакова для всех радиаторов. На рис. 10 показан пример такой системы отопления.

Водогрейные котлы (Генераторы тепла)

Водогрейный котел, или генератор тепла, представляет собой устройство, вырабатывающее нужное количество тепла при сжигании топлива. Это тепло передается жидкому теплоносителю.

Конструкция самых разных водогрейных котлов одинакова. Они состоят из металлического корпуса с теплообменником внутри. Теплоноситель нагревается в теплообменнике и поступает по трубам к отопительным приборам.

В настоящее время на рынке имеется несколько десятков моделей отечественных и импортных котлов мощностью от 10 до 420 кВт, что соответствует тепловой мощности от 5000 до 360 000 ккал/ч.

Корпусы котлов изготавливаются из толстой стали или чугуна и тщательно изолируются для уменьшения теплоотдачи внутрь помещения. Котлы могут работать на твердом, жидком или газообразном топливе. Многие модели оснащены универсальными горелками, способными работать как на газе, так и на солярке. Горение поддерживается автоматически.

В некоторых водогрейных котлах имеются раздельные контуры для циркуляции воды (для отопления и горячей воды), специальные циркуляторы для более интенсивного обращения воды в контурах отопления. Для эффективной и продолжительной эксплуатации некоторым моделям котлов необходимы мембранные расширительные баки.

На что же следует обратить более пристальное внимание при выборе водогрейного котла? Необходимо учесть нижеперечисленные параметры:

• вид топлива;

• номинальную мощность котла;

• функциональное назначение котла (для обогрева, горячего водоснабжения или того и другого);

• уровень автоматики котельного оборудования. Помимо этого, немаловажное значение имеет то,

из чего изготовлен котел, а также размеры и его вес, стоимость и прочие критерии.

Прежде чем покупать котел, следует определиться, на каком виде топлива он будет работать, поскольку стоимость топлива составляет основную часть расходов по эксплуатации.

Самым дешевым и распространенным видом топлива в нашей стране является природный газ. При его использовании выделяется наибольшее по сравнению с другими видами топлива количество тепла. Кроме этого, продукты сгорания газа содержат намного меньше вредных веществ, которые отравляют атмосферу. Из-за практически полного сжигания газа в топливнике практически не остается сажи, что благотворно сказывается на его работе и облегчает уход. При использовании газа в качестве топлива отпадает необходимость делать его запасы. Расход данного вида топлива можно вести с помощью газового счетчика. Котлы, работающие на природном газе, практически не подвержены коррозии, имеют более долгий срок службы, чем твердо– или жидкотопливные агрегаты.

Недостатком такого рода котлов является то, что не во всех местностях доступен природный газ. Понятно, что если какой-либо населенный пункт только-только начал строиться, то газопровод к нему еще не подведен.

Котлы, работающие на дизельном топливе, более независимы от централизованных трубопроводов. Но это сильно увеличивает их стоимость. При выборе именно такого котла владелец встает перед проблемой: где хранить емкости с запасом солярки. Можно оборудовать хранилище внутри котельной или хранить емкости с соляркой снаружи, в специально оборудованных ямах. Для хранения данного вида топлива лучше использовать стальные емкости.

Во время сжигания в котле солярка полностью испаряется, а ее пары вместе с воздухом сгорают. В результате этого процесса образуется большое количество серных выделений, которые в виде конденсата оседают на стенках котла (особенно если температура теплоносителя невысока). Поскольку в котлах, изготовленных из чугуна, образование конденсата намного ниже, чем в стальных, агрегаты изготавливают в основном чугунными. Кроме всего прочего, на жидко-топливных котлах следует устанавливать автоматическую систему, позволяющую значительно экономить тепловую энергию.

Водогрейные котлы, работающие на твердом топливе (каменном или буром угле, коксе, дровах, торфе или сланцах), потребуют от хозяина довольно больших затрат времени и сил. Наиболее частая и трудозатратная операция – загрузка топлива в котел. Поскольку эффективность сжигания твердого топлива значительно ниже, чем газа или мазута, то КПД работы такого котла составит примерно 60%. После использования твердого топлива остается большое количество сажи, что добавляет хлопот хозяевам, т. к. уход за такими котлами считается самым трудоемким. Помимо этого, для хранения запасов твердого топлива нужно иметь помещение довольно значительного размера.

Промышленность выпускает котлы, работающие от электрической сети. Конечно, энергозатраты такого котла весьма значительны. Но при эксплуатации электрокотлов имеется и масса преимуществ: простота контроля температуры, экономичный режим, тарифные льготы при использовании электроэнергии в ночное время и пр. Самым большим недостатком такого рода котлов являются перебои с подачей электроэнергии. Но эта проблема легко решается установкой блока аварийного питания.