Центральная система отопления и охлаждения

Центральная система представляет собой механическую установку, производительность которой по теплу и (или) холоду достаточна, чтобы обслужить все здание или группу зданий, а установка соединена со всеми помещениями с помощью системы водяных трубопроводов. Основные элементы отопительной и охладительной установки мы рассмотрели, а теперь остановимся на системе трубопроводов, поскольку она является не менее важным элементом.

 
Центральная система отопления и охлаждения. Проектирование жилых зданий
 
Типичная схема водяной насосной системы отопления (показаны однотрубная и двухтрубная системы): 1 — навес (надстройка); 2 — расширительный бак со смотровым стеклом; 3 — крыша; 4 — обшивка конвектора; 5 — этаж; 6 — запорные вентили; 7 — комбинированный регулирующий и запорный вентиль; 8 — подающий стояк двухтрубной системы; 9 — сребренный плинтусный конвектор; 10 — «однотрубная магистраль»; 11 — обратный стояк двухтрубной системы; 12 — циркуляционный стояк; 13 — автоматический воздухоотводный клапан; 14 — место для размещения расширительного бака (если нет места в надстройке); 15 — предохранительный клапан; 16 — автоматический подпитывающий клапан; 17 — подпитка из системы водопровода; 18 — насос; 19 — котел
 
Система трубопроводов должна быть запроектирована столь же тщательно. Знание ее возможностей, связанных с ней проблем и сравнительных величин поможет понять требования, которые предъявляются к строительной части проекта, связанной с прокладкой трубопроводов.
 
Для центральных систем отопления и охлаждения жилых зданий системы трубопроводов бывают одно-, двух-, трех- и четырехтрубными. Наиболее широко распространены двухтрубные системы. Они подразделяются на тупиковые и с попутным движением воды.
 
Однотрубные системы применяют только для отопления. Их преимущество состоит в меньшей стоимости и минимальной затрате площади. Вода нагнетается по одному стояку, питающему большое количество нагревательных приборов, например плинтусные и стандартные конвекторы. На каждом из приборов установлен тройник, сечение которого рассчитано таким образом, чтобы в прибор поступало столько воды из стояка, сколько требуется в зависимости от нагрузки. Вода из стояка проходит через нагревательный прибор и возвращается обратно в стояк в точке, лежащей по течению ниже точки отбора.
 
В многоэтажных зданиях однотрубная система часто применяется совместно с двухтрубной, которая будет рассмотрена ниже. Сочетание двухтрубных вертикальных стояков (отдельные подающий и обратный стояки) с однотрубными горизонтальными магистралями, обслуживающими целый ряд отопительных приборов, расположенных на одном этаже, позволяет свести к минимуму число мест в здании, где необходимо проложить вертикальные стояки через строительные конструкции.
 
Однотрубные системы применяют также при паровом обогреве, особенно в старых зданиях. Использование пара для отопления зданий, особенно жилых, сведено к минимуму, и теперь в новых зданиях однотрубная паровая система является редкостью. Однако она вполне работоспособна для зданий средней этажности. Пар подается к радиаторам или конвекторам по вертикальным стоякам; проходя эти нагревательные приборы, он отдает им тепло и превращается в жидкую воду, а образовавшийся конденсат стекает вниз по тому же стояку. Диаметр трубы должен быть достаточно большим, чтобы происходило одновременное движение пара и жидкости. Уже в трехэтажных зданиях по стоякам движется большое количество пара и воды. В более высоких зданиях, с числом этажей до 10, пар подается на чердак, откуда он по питающим стоякам движется вниз в одном направлении с конденсатом. Для более высоких зданий однотрубная система практически неприменима, поскольку по стоякам движется слишком много пара и воды. Достоинство системы — экономия площади. Недостаток же ее состоит в том, что все отопительные приборы должны быть одновременно либо включены, либо выключены. Установка дроссельных вентилей не допускается, поскольку они препятствуют возврату конденсата.
 
В двухтрубных системах имеются две самостоятельные линии — для подающей и обратной воды, используемые как для отопления здания, так и для охлаждения. Если двухтрубная система применяется для отопления паром, она позволяет регулировать подачу пара дросселированием, например при малых тепловых нагрузках в мягкую погоду. В этом случае паром питают только часть нагревательных приборов; общая их производительность снижается в соответствии с нагрузкой.
 
Двухтрубные водяные системы для отопления и охлаждения имеют серьезный недостаток, который лучше всего можно увидеть на примере районов с наиболее характерным климатом. Рано утром весной и осенью температура наружного воздуха опускается до 10° С, и для отопления помещения требуется мало тепла. В этом случае достаточно циркуляции воды с температурой 32° С. В солнечный полдень наружный воздух прогревается до 24° С, и теперь необходимо охлаждать помещения, особенно выходящие на южную сторону (в северном полушарии). Нужна вода с температурой 10° С. Изготовители холодильных машин предупреждают, что в испаритель машины не должна поступать вода с температурой выше 27° С, поэтому оператор должен сначала естественным путем охладить всю воду, циркулирующую по зданию, с 32 до 27° С и только потом охладить ее с помощью холодильной машины до 10° С. Если система большая, то этот процесс продлится до вечера, когда уже опять необходимо отапливать здание.
 
Этот недостаток может быть уменьшен путем деления всей системы на отдельные зоны так, чтобы помещения, облучаемые солнцем с утра, могли получать холодную воду раньше, чем помещения с другой ориентацией. Такую систему трубопроводов нелегко осуществить в здании неправильной и сложной формы, и даже в правильно ориентированных зданиях квадратной или прямоугольной формы оператор обязан следить за погодой, облачностью, температурой и т. д. Поэтому метод зонирования имеет свои недостатки.
 
Точно так же зонирование двухтрубных систем не может решить других общих проблем. В пределах одной зоны в каком-то помещении может собираться много людей, поэтому необходимо его охлаждение, в другом помещении тепловая нагрузка от людей может быть небольшая, поэтому требуется его отопление.
 
Очевидным решением этой проблемы будет устройство самостоятельных систем трубопроводов для циркуляции холодной и горячей воды со своими собственными насосами. Такая система позволила бы осуществлять одновременное охлаждение и отопление отдельных помещений, что может потребоваться в переходные климатические периоды. Совершенно ясен недостаток этой системы, заключающийся в ее высокой стоимости и необходимости дополнительного количества очень дефицитной жилой площади в квартирах.
 
Четырехтрубная система с успехом применяется в многоэтажных гостиницах и очень редко в жилых зданиях.
 
В результате поиска компромисса между негибкими двухтрубными и дорогими четырехтрубными системами появилась трехтрубная система. Она имеет отдельные трубопроводы, подающие холодную и горячую воду, с собственными насосами и общей обратной линией. Ее преимущества полностью используются в переходные периоды, когда теоретически потребность в охлаждении и отоплении примерно одинакова, а смесь горячей и холодной воды в обратной линии достаточно холодна, чтобы ее можно было подавать в холодильную машину, но не очень холодна для нагревания в котле. Внедряемая «под фанфары», эта система имела определенный успех, однако она оказалась капризной в эксплуатации и создала ряд проблем применительно к центральным системам. Ее популярность уменьшилась через несколько лет после начала внедрения.
 
Остановимся на некоторых особенностях систем подающих и обратных трубопроводов. Представим себе центральную установку с насосами, расположенными в самом нижнем этаже здания. Горячая или холодная вода распределяется по этому многоэтажному зданию по нескольким двухтрубным стоякам. Рассмотрим одну из этих пар труб — подающую и обратную.
 
Простейший способ прокладки трубопроводов — поэтажное ответвление от стояка с уменьшением каждый раз его диаметра, поскольку после каждого ответвления по стояку протекает меньшее количество воды. Обратный стояк в верхней части здания будет иметь минимальный диаметр, но он увеличивается по ходу движения воды вниз. В этом случае проблема заключается в том, что вода стремится течь по ветвям с наименьшим гидравлическим сопротивлением. Отопительно-охладительные агрегаты в нижнем этаже здания являются самым коротким путем для прохода горячей и холодной воды, поэтому через них пойдет большая часть воды. В результате в агрегаты, установленные в верхнем этаже, где нагрузка самая большая, пойдет меньше всего воды.
 
Один из путей решения этой проблемы — установка регулирующих кранов, создающих дополнительное гидравлическое сопротивление в той ветви, по которой может пойти большое количество воды. Надстройка всех кранов на стояке, к которому присоединено значительное количество приборов, очень трудоемка. Можно попытаться их надстроить в процессе заводского изготовления в соответствии с расчетной производительностью, но в условиях реального проекта это вряд ли возможно.
 
Практика подсказала способ разводки трубопроводов, отличающийся малыми первоначальными затратами. Он известен как тупиковая система движения обратной воды. Другой разновидностью этой системы является «система с попутным движением обратной воды». Подающие стояки остаются те же, но обратные стояки начинаются на нижнем этаже здания и поднимают обратную воду вверх. Таким образом, когда стояк достигает верхней точки здания, он имеет наибольший диаметр и по нему идет вода, собравшаяся со всех этажей. После этого стояк поворачивает вниз, и обратная вода возвращается по трубопроводу большого диаметра. В результате агрегат с самой короткой подающей линией имеет самую длинную обратную линию, и наоборот. Потери давления на линии всех агрегатов становятся одинаковыми, и система обладает способностью саморегулироваться. Хотя регулирующие краны устанавливают на всякий случай возле каждого агрегата, часто этого можно вообще не делать.
 
Дополнительное удорожание системы с попутным движением обратной воды, происходящее из-за применения дополнительного стояка большого сечения и высотой во все здание, частично компенсируется экономией регулирующих вентилей и времени, которое тратится на отладку тупиковой системы. Однако если по каким-либо архитектурным, строительным или эстетическим соображениям конструкция здания не позволяет собирать в единую линию всю обратную воду на чердаке, то каждая пара, состоящая из подающего и обратного стояков, может иметь свой собственный дополнительный обратный стояк с объединением последних в одну общую линию в нижней части здания. Это значит, что следует увеличить вдвое число стояков обратной воды, что удорожает систему, требует больше места для прокладки стояков и может служить препятствием для внедрения этой относительно надежной системы.
 
Инженеры расходятся во мнениях относительно применения тупиковых систем (со встречным движением воды). Обычно считают, что в пятиэтажных домах простейшая система со встречным движением воды не слишком сложна при наладке. В домах высотой в 6—16 этажей многие инженеры предпочитают устанавливать регулирующие краны. В более высоких домах считают целесообразным устройство системы с попутным движением обратной воды.
 
В любых трубопроводах большой протяженности, будь то стояки или горизонтальные магистрали, следует учитывать влияние возможного температурного удлинения и укорачивания трубопроводов. Для компенсации изменения длины труб устраивают V-образные петли или устанавливают гибкие соединения. Такие петли легче делать на горизонтальных магистралях, а гибкие вставки — на стояках. Все эти устройства не должны мешать монтажу и демонтажу панелей и должны иметь эстетичный вид. Достаточно гибкий отвод устанавливают как на горизонтальных, так и на вертикальных магистралях, и он часто является лучшим устройством, чем все другие.
 
Однако не существует твердого правила, которое регламентировало бы предельную длину трубопровода, при которой необходимо установить гибкий компенсатор. Это зависит от особенностей каждой системы. Ориентировочно можно считать, что его максимальная длина 23 м.
 
Если стояки проходят близко к колоннам, инженеры-механики и строители должны скоординировать технические решения таким образом, чтобы не был нанесен вред соединению горизонтальных строительных элементов с колоннами. В этом отношении предпочтение следует отдать варианту b на рисунке.
 
Центральная система отопления и охлаждения. Проектирование жилых зданий
 
1 — сребренная труба; 2 — клапан; 3 — подача воды к сребренной трубе; 4 — стояк горячей воды; 5 — обшивка плинтуса;  6 — перегородка;  7 — колонна
 
В центральных индивидуальных системах применяют аналогичные отопительные и охладительные приборы. Только для отопления используют радиаторы, конвекторы и радиационные панели. Радиаторы обычно изготавливают из чугуна; они имеют довольно большую площадь наружной поверхности, температура которой близка к температуре воды или пара внутри радиатора. Радиаторы отдают тепло путем конвекции и низкотемпературной радиации и нагревают воздух, контактирующий с поверхностью радиаторов. Чугунные радиаторы старой конструкции объединяют вместе в секции, имеющие присоединительные штуцера на концах. Такие радиаторы можно видеть в старых домах, теперь их уже почти не изготовляют. Современные радиаторы представляют собой стальные секции, имеют гладкую фронтальную поверхность и внутренние каналы для конвекции воздуха. Размеры их значительно меньшие (особенно по глубине), чем старых радиаторов, но и удельная теплопроизводигельность также меньше.
 
Конвекторы плинтусного или иного типов подобны ранее описанным аппаратам для электрического отопления в индивидуальных системах. Паровые и водяные плинтусные конвекторы выпускают различного размера и производительности. Самые маленькие конвекторы комнатного типа сродни описанным электрическим плинтусным конвекторам, но, будучи предназначены для большей теплоотдачи, они имеют размер около 100 мм в глубину и 250 мм в высоту. Если плинтусные конвекторы применяют в сочетании с однотрубной системой трубопроводов, высоту их кожуха принимают несколько больше обычной, чтобы внутри могла пройти однотрубная магистраль.
 
Проектировщик обязан помнить, что в этой системе в каждый следующий по ходу движения воды конвектор поступает более холодная вода, поэтому он должен быть по длине больше предыдущего. Если в комнате имеется балконная дверь, коммуникации следует провести так, чтобы избежать высокой ступеньки при выходе на балкон.
 
В центральных и индивидуальных системах применяют такие же радиационные панели, как и в электрических системах. Змеевики, по которым течет горячая вода, либо укладывают непосредственно в бетонные или потолочные плиты, либо прикрепляют к ним и покрывают штукатуркой. Обычно змеевики изготовляют из медных трубок диаметром 9—10 мм, которые обязательно должны быть покрыты штукатуркой толщиной 25 мм, обеспечивающей хорошее распределение тепла. При нагревании штукатурка расширяется примерно так же, как и медная трубка, поэтому трещины в штукатурке не возникают. Необходимо, чтобы новые системы начинали работать при небольшом повышении температуры воды и без сквозняков, так как при быстром высыхании штукатурки могут появиться трещины.
 
Конструкция вентиляторных агрегатов для центральной системы зависит от того, будет ли через них в пределах одного сезона циркулировать попеременно горячая и холодная вода. При двухтрубной системе трубопроводов каждый агрегат имеет один ребристый теплообменник. При трех- и четырехтрубной системах каждый агрегат может иметь либо один теплообменник с соответствующими переключающими вентиляциями на подводящих линиях, либо два теплообменника с отдельным подводом холодной и горячей воды из стояков. Вентиляторные агрегаты различаются в основном своими размерами, в зависимости от способа их установки.
 
Первые вентиляторные агрегаты копировали основные технические решения и внешний вид длинных конвекторов. Заключенные в прямоугольный кожух примерно такого же размера, как и у конвектора, но меньший по глубине (соответственно размеру вентиляторов), агрегаты преимущественно устанавливали под окнами, при этом выпускали воздух вверх, чтобы покрыть площадь наибольшего теплообмена с наружным воздухом. В многоэтажных домах (единственный тип зданий, где система с вентиляторными агрегатами является экономичной) каналы для прокладки стояков предусматривают в вертикальных перегородках, идущих перпендикулярно наружным стенам, а подводки от стояков к агрегатам скрывают в конструкциях наружных стен или специальных горизонтальных желобах в стене. Можно, конечно, оставить трубные подводки открытыми, как это часто делали при установке радиаторов, однако в настоящее время такое решение не пользуется успехом. Эти трубопроводы имеют неприглядный вид и часто являются объектом аварии. Если они предназначены для установки в конструкции наружной стены, то должна быть обеспечена их теплоизоляция и непрерывное протекание воды, если существует опасность понижения температуры циркулирующей воды ниже точки замерзания.
 
Центральная система отопления и охлаждения. Проектирование жилых зданий
 
1 — желоб (миним. размер 150х150 мм) для прохода стояков; 2 — подводящая труба (1/2"); 3 — обратная труба (1/2"); 4 — линия конденсата (1/2"); 5 — обшивка трубопроводов, проложенных над полом; 6 — трубопроводы над подшивным потолком; 7 — кухня без отопления; 8 — электрическое отопление только на верхнем этаже; 9 — низкий вентиляторный агрегат; 10 — стандартный вентиляторный агрегат
 
Примечания: 1. При двухтрубной системе холодная и горячая вода движутся по одной и той же трубе, при трех- или четырехтрубной системе по отдельным трубам; 2. Двухтрубную систему с электрическим подогревом применяют  весной  и  осенью. 3. Пристенный агрегат, устанавливают сбоку, если ширина комнаты не более 4,5 м
 
 
Вентиляторные системы оказались спокойным, поддающимся относительно хорошей регулировке и эффективным способом охлаждения и отопления, поэтому вскоре к подоконным агрегатам стали добавлять большие агрегаты подвесного типа с разводкой воздуховодов по всем помещениям и большие, от пола до потолка, а также вертикальные агрегаты. Последние нашли широкое распространение вследствие относительно малой потребной площади для их размещения и довольно низкой стоимости. Сами по себе агрегаты стоят дорого, но их можно быстро установить на место, подключить к электросети и трубным коммуникациям. Кожухи этих агрегатов содержат не только фильтры, вентилятор, теплообменник, приточные и рециркуляционные решетки, изоляцию, приборы автоматики, стояки для двух-, трех- и четырехтрубных систем, но также стояки для отвода в канализацию конденсата, образовавшегося при охлаждении воздуха. Их высота (около 2,4 м) определяется стандартной высотой жилого помещения с учетом запаса, необходимого для их монтажа. Очень важно найти соответствующее место для установки вентиляторных агрегатов. Обычно их располагают по периметру здания. При правильной планировке здания необходимое место для их размещения можно выделить возле лифтов и в подсобных помещениях. Часто один вентиляторный агрегат обслуживает две комнаты, если нет необходимости в индивидуальном регулировании температуры в каждой из них. Наоборот, если комната имеет большой периметр непрерывного остекления, необходимо установить несколько агрегатов по наружным углам, поскольку один агрегат может оказаться не в состоянии распределить тепло и холод равномерно вдоль остекления. Часто бывает достаточно установить два вентиляторных агрегата.
 
Если стояки к вентиляторным агрегатам предполагается разместить по периметру здания, необходимо тщательно скоординировать проектные решения. Отверстия в плитах для прохода труб не должны ухудшать качество конструкций при пересечении с балками и арматурой.
 
Центральная система отопления и охлаждения. Проектирование жилых зданий
 
1 — стояки, питающие вентиляторный агрегат, встроенные в воздуховод; 2 — приточная решетка; 3 — вытяжная решетка; 4 — приточная решетка; 5 — воздуховод или дополнительный вентиляторный агрегат вместо него; 6— электрообогрев, необходимый только в верхнем этаже; 7 — гильза для прохода стояков; 8 — приточная решетка; 9 — термостат; 10 — вытяжная решетка; 11 — кухня без отопления
Примечания: 1. Количество холодной или горячей воды, проходящей по встроенным стоякам, регулируется у агрегатов 2. Может быть использована комбинация электронагревателя и холодной воды от центральной станции
 
 
Агрегаты подвесного типа обычно закрывают ложным потолком, устанавливая их в помещениях, где высота в чистоте (до потолка) около 2,1 м или немного меньше является допустимой. Это может быть ванная комната, холл, уборная. Необходимо предусмотреть место для доступа к вентилятору, фильтру, заслонкам, теплообменнику для их обслуживания. Агрегаты подвесного типа, а также и напольные агрегаты, обслуживающие всю квартиру или часть ее, обычно выпускают воздух под потолком через систему воздуховодов и конструктивных элементов.
 
В многоэтажных зданиях проложить воздуховоды под потолком не всегда возможно. В этом случае не удается выпускать воздух в местах, наиболее важных в отношении теплопотерь и теплопоступлений (т. е. под окнами и под непрерывным остеклением). Это особенно важно для районов с холодным климатом. Если не принять соответствующих мер предосторожности, то воздух, соприкасаясь с холодными стеклами, будет охлаждаться и создавать ниспадающие потоки типа сквозняка вдоль стен, вызывая ощущение дискомфорта у людей, находящихся в помещении.
 
Имеются случаи, когда из-за конфигурации здания нельзя расположить вентиляторные агрегаты вдоль периметра, и тогда установка внутри помещения агрегатов подвесного типа будет единственно возможным решением. В этих обстоятельствах применяют также смешанные системы, в которых плинтусные нагреватели, размещенные вдоль периметра, препятствуют возникновению холодной завесы, а остальную тепловую нагрузку и всю холодильную нагрузку принимают на себя вентиляторные агрегаты.
 
Центральная система отопления и охлаждения. Проектирование жилых зданий
 
1 — дополнительный водяной или электрический плинтусный нагреватель (для возмещения теплопотерь только через остекление); 2 — электрический пристенный нагревательный прибор для возмещения теплопотерь через остекление; 3 — горизонтальный вентиляторный агрегат (размером 600х1100х270 мм) с водяным или электрическим теплообменником, подвешенный под перекрытием; 4 — отводы от стояков; 5 — подающий, обратный и конденсационный стояки для присоединения вентиляторных агрегатов; 6 — вентиляторный агрегат; 7 — подшивной потолок; 8 — рециркуляционный воздух 
Примечание. Заштрихованная площадь — помещение с подшивным потолком
 
 
В многоэтажных жилых домах высотой от 6 до 20 этажей применяют эжекторные агрегаты, в которых воздух из помещения рециркулирует через ребристый теплообменник не с помощью вентилятора, а за счет эжекции воздуха достаточно высокого давления. Этот воздух получается в центральном кондиционере, где он охлаждается или нагревается в зависимости от сезона, фильтруется и направляется по системе круглых воздуховодов и стояков к эжекторным агрегатам, установленным под окнами в каждой комнате. С помощью эжектора небольшое количество воздуха высокого давления заставляет пройти в несколько раз большее количество воздуха из помещения через ребристый теплообменник, расположенный в агрегате, и тем самым нагреть воздух или охладить. Эжектируемый вторичный воздух принимает на себя большую часть отопительной или охладительной нагрузки и позволяет тем самым свести к минимуму количество первичного воздуха (высокого давления), что дает возможность проектировщику максимально уменьшить сечение воздухоподающих стояков. Особенность эжекторной системы состоит в том, что нужно применять прокладку к каждому агрегату воздуховодов первичного воздуха. Однако при этом можно отказаться от прокладки стояков для отвода конденсата в систему канализации, необходимых при установке вентиляторных агрегатов, так как осушка воздуха происходит в центральном кондиционере. Конечно, возможны случаи, когда влага выпадает на поверхности теплообменника эжекторного агрегата, например если открыто окно и в комнату проникает влажный наружный воздух.  Тогда  некоторые  проектировщики  предусматривают  устройство системы дренажа, другие предпочитают экономить деньги.
 
Первичный воздух в эжекторных системах обычно весь забирается снаружи, и между жилыми помещениями отсутствует рециркуляция воздуха. Таким образом осуществляется вентиляция каждого помещения наружным воздухом. Равное количество воздуха удаляется вытяжной вентиляцией через кухню и ванную комнату. В общем, эта система очень хорошая, но дорогая и соответственно находит ограниченное применение в проектах жилых зданий.
 
Автор: Harry S. Nachman / Гарри Нахман. Источник: "Housing". John Wiley & Sons. New York. 1976 / «Проектирование жилых зданий». Стройиздат. Москва. 1979

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации).