1. Энергоэффективные системы отопления

Республика Беларусь находится в климатической зоне, где для создания комфортных и технологических условий в холодное время года требуется эксплуатировать системы отопления, которые являются энергозатратными. Одни из путей повышения эффективности систем отопления является использование низкопотенциальных тепловых вторичных энергоресурсов (ВЭР). В связи с этим ниже рассматриваются особенности систем отопления в том числе с использованием тепловых насосов.

1.1 Водяная системы отопления

Отопление — искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта или требованиям технологического процесса. Под отоплением понимают также устройства и системы, выполняющие эту функцию.

Основные конструктивные элементы системы отопления (рисунок 1.1):

1. ­теплоисточник (водогрейный котел или теплообменник при централизованном теплоснабжении) для получения теплоты;

2. ­теплопроводы ­ для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным прибора­м;

3. потребитель тепла (отопительные приборы) - для теплопередачи в помещения.

К системе отопления предъявляются разнообразные требования. Все требования можно разделить на пять групп:

1. санитарно­ – гигиенические – поддержание заданной температуры воздуха и внутренней поверхности огражде­ний во времени, в плане и по высоте помещений при дoпустимой подвижности воздуха; ограничение температуры поверхности отопительных приборов;

2. ­экономические – невысокие капитальные вложе­ния с минимальным расходом металла; экономный расход тепловой энергии при эксплуатации;

3. ­архитектурно­ – строительные - соответствие интерь­еру помещений, компактность, увязка со строительными конструкциями; согласование со сроком строительства зданий;

4. ­производственно – монтажные ­ минимальное число унифицированных узлов и деталей, механизация их изготовления; сокращение трудовых затрат при монтаже;

5. эксплуатационные – эффективность действия в течение всего периода работы, связанная с надежностью и техническим совершенством системы.

1 – теплообменик (теплогенератор); 2 – подвод первичного теплоносителя (топливо); 3 – подающий теплопровод; 4 – отопительный прибор; 5 – обратный теплопровод

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема системы отопления

Деление требований на пять групп условно, так как в них входят требования, относящиеся как к периоду проектирования и строительства, так и эксплуатации зданий.

Наиболее важны санитарно-гигиенические и эксплуатационные требования, которые обусловливаются необходи­мостью поддерживать заданную температуру в помещениях в течение отопительного сезона и всего срока службы системы [1].

1.1.1 Классификация сметем отопления по расположению источника тепла и обслуживаемым потребителям. Системы отопления по расположению основных элементов подразделяются на местные и центральные.

В местных системах для отопления одного помещения все три основных элемента конструктивно объе­диняются в одной установке. Системы отопления, в которых генератор теплоты, теплопроводы и отопительный прибор конструктивно объединены в одном устройстве, установленном в обогреваемом помещении, называют местными системами отопления. Местные системы отопления разделяют на:

• печное отопление,

• газовое отопление,

• электрическое отопление,

• отопление воздушно-отопительными агрегатами.

Радиус действия местных систем отопления ограничен одним—тремя помещениями.

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.

Теплопроводы центральных систем подразделяют на магистрали (подающие, по которым подается теплоноситель, и обратные, по которым охладившийся теплоноситель отводится), стояки (вертикальные трубы или каналы) и 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 (рисунок. 1.2).

1 – приготовление первичного теплоносителя; 2 – местный тепловой пункт;

3 и 5 – внутренние подающие и обратный теплопроводы; 4 – отопительные приборы; 6 и 7 – наружный подающий и обратный теплопроводы; 8 – циркуляционный насос

Рисунок 1.2 – Принципиальная схема центральной системы отопления

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 теплоноситель (вода) перемещается от ТЭЦ или котла по городским распределительным теплопроводам к ЦТП (или к отдельным зданиям) и обратно. Вторичный теплоноситель 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.

Первичным теплоносителем обычно служат вода, пар или газообразные продукты сгорания топлива. Если, например, первичная высокотемпературная вода нагревает вторичную воду, то такую центральную систему отопления, строго говоря, следует именовать водо – водяной. Аналогич­но могут существовать водовоздушная, пароводяная, паровоздушная, газовоздушная и другие системы центрального отопления.

По виду основного (вторичного) теплоносителя местные и центральные системы отопления принято называть системами водяного, парового, воздушного и газового отопления [1].

2. Теплоносители в системе отопления. Теплоносители – жидкое или газообразное вещество, обладающее свойством текучести, применяемое для передачи тепловой энергии . Теплоносители служат для охлаждения, сушки, термической обработки и т. п. процессов в системах теплоснабжения, отопления, вентиляции, в технологических тепловых и др. устройствах. Наиболее распространенные теплоносители: топочные (дымовые) газы, вода, водяной пар. Теплоносители могут в процессе передачи теплоты изменять свое агрегатное состояние (кипящие жидкости, конденсирующиеся пары) или сохранять его неизменным (некипящие жидкости, перегретые пары, неконденсирующиеся газы). В первом случае температура теплоносителя остается неизменной, т. к. передается лишь теплота фазового перехода; во втором случае температура теплоносителя изменяется (понижается или повышается).

К веществам, используемым в качестве теплоносителей, предъявляют ряд специфических требований. Теплоноситель должен быть удобен для транспортировки от источника тепловой энергии к потребителю. Наиболее подходят жидкие и газообразные теплоносители, которые можно транспортировать по трубопроводам. Единицей объема теплоносителя должно переноситься максимальное количество теплоты. Следовательно, удельная (на единицу массы) энтальпия теплоносителя у источника и потребителя должна изменяться максимально, насколько это возможно, а плотность теплоносителя должна быть наибольшей. Выполнение этих условий позволяет уменьшить сечение трубопровода, по которому он движется, а также уменьшить скорость движения.

Если агрегатное состояние теплоты не изменяется, теплоноситель должен иметь максимальную удельную (на единицу массы) теплоемкость. Теплоноситель должен также иметь минимальную вязкость. Выполнение этого требования совместно с выполнением требования максимальной плотности позволяет добиться минимальных гидравлических потерь при движении теплоносителя и, следовательно, снизить затраты энергии на его транспортировку.

В процессе подвода и отвода теплоты должны быть обеспечены максимальные значения коэффициента теплоотдачи. Выполнение этого требования позволяет уменьшить площадь поверхности теплообменных аппаратов, а, в конечном счете, снизить их стоимость и эксплуатационные расходы. Теплоноситель должен позволять производить доставку теплоты на необходимом температурном уровне. Соблюдение этого требования необходимо для достижения рабочей температуры в потребителе теплоты. Теплоноситель должен позволять регулировать уровень температуры. Выполнение этого условия дает возможность регулировать температурный режим потребителя теплоты. Рабочее давление теплоносителя по возможности должно быть близко к атмосферному. Это позволяет уменьшить толщину стенок трубопроводов, теплообменных аппаратов, упростить конструкцию уплотнительных устройств, Теплоноситель должен быть термостойким, т.е. не разлагаться при рабочих температурах. Теплоноситель должен иметь низкую химическую активность. Выполнение этого условия позволяет при изготовлении трубопроводов использовать дешевые конструкционные материалы. Теплоноситель должен быть нетоксичен. Единственными нетоксичными теплоносителями являются вода, водяной пар и воздух. Теплоноситель должен быть сравнительно дешевым и доступным. Выполнение этого требования дает возможность снизить капитальные затраты и эксплуатационные расходы [1].

Исходя из перечисленных критериев сопоставим основные свойства воды и воздуха, характерные при использовании их в качестве теплоносителей в системах отопления.

Наибольшее распространение в качестве теплоносителей в системах отопления имеют вода и воздух. Они используются многократно и без загрязнения окружающей здания среды.

Вода представляет собой практически несжимаемую жидкую среду с большой плотностью и теплоемкостью. Вода изменяет плотность, объем и вязкость в зависимости от температуры, а температуру кипения в зависимости от давления, способна сорбировать и выделять газы при изменении температуры и давления.

Воздух также является легкоподвижной средой со сравнительно малыми вязкостью, плотностью и теплоемкостью, изменяющей плотность и объем в зависимости от температуры..

Сравним эти теплоносители по показателям, важным для выполнения требований, предъявляемых к системе отопления.

Одним из санитарно – гигиенических требований является поддержание в помещениях равномерной температуры. По этому показателю преимущество перед другими теплоносителями имеет воздух. При использование горячего воздуха, малотеплоинерционного теплоносителя, можно постоянно поддерживать равномерной ­температуру каждого отдельного помещения, быстро изменяя температуру подаваемого воздуха, т. е. проводя так называемое эксплуатационное регулирование. Одновременно с отоплением можно обеспечить вентиляцию помещений.

Применение в системах отопления горячей воды также позволяет поддерживать равномерную температуру помещений, что достигается регулированием температуры пода­ваемой в приборы воды. При таком регулировании температура помещений все же может несколько отклоняться от заданной (на 1 – ­2°С) вследствие тепловой инерции масс воды, труб и приборов.

Другое санитарно – гигиеническое требование ограничение температуры поверхности приборов ­ вызвано явлением разложения и сухой возгонки органической пыли на нагретой поверхности, сопровождающимся выделением вредных веществ в частности окиси углерода. Разложение пыли начинается при температуре 65 – ­70 °С и интенсивно протекает па поверхности, имеющей температуру более 80 °С.

При отоплении горячей водой средняя температура нагревательной поверхности, как правило, ниже, чем при применении пара. Кроме того, температуру воды в системе отопления планомерно понижают для снижения теплопередачи приборов по мере уменьшения теплопотерь помещений. Поэтому если теплоноситель вода, то средняя температура поверхности приборов в течение отопительного сезона практически не превышает гигиенического предела.

Важным эконмическим показателем при применении различных теплоносителей является расход металла на теплопроводы и отопительные приборы.

В дополнение к известным эксплуатационным показателям следует отметить, что из-за высокой плотности воды (больше плотности пара в 600–1500 раз и воздуха в 900 раз) в системах водяного отопления многоэтажных зданий может возникать разрушающее гид­ростатическое давление. В связи с этим в высотных зданиях в США применялись системы парового отопления.

Воздух и вода до определенной скорости движения могут перемещаться в теплопроводах бесшумно. Частичная конденсация пара вследствие попутных теплопотерь через стенки паропроводов и появления попутного конденсата вызывает шум (щелчки, стуки и удары) при движении пара.

В заключение перечислим преимущества и недостатки рассмотренных теплоносителей для отопления.

К преимуществам воды как теплоносителя следует отнести ее высокую плотность ρ = 1 кг/м³, удельную теплоемкость c = 4,19 кДж/(кг · К), сравнительно низкую вязкость, высокие значения коэффициента теплоотдачи, низкую химическую активность, не токсичность, дешевизну и доступность, возможность регулирования уровня температуры, так же при использовании воды обеспечивается довольно равномерная температура помещений, можно ограничить температуру поверхности отопительных приборов, сокраща­ется, по сравнению с другими теплоносителями, площадь поперечного сечения труб, достигается бесшумность движения в трубах. Недостатками применения воды являются значительный расход металла и большое гидростатическое давление в системах; тепловая инерция воды замедляет регулирование теплопередачи приборов Недостатками воды является ограниченный верхний уровень температуры. Подогрев воды осуществляется в специальных водогрейных котлах, в нагревательных установках, ТЭЦ и котельных. Горячую воду, как правило, транспортируют по трубопроводам на расстояния до 20 км. При этом снижение температуры воды в хорошо теплоизолированном трубопроводе не превышает 1°С на 1 км. К недостаткам воды как теплоносителя являются значительный расход металла и большое гидростатическое давление в системах; тепловая инерция воды замедляет регулирование теплопередачи приборов.

При использовании воздуха можно обеспечить быстрое изменение или равномерность температуры помещений, избежать установки отопительных приборов, совмещать отопление с вентиляцией помещений, достигать бесшумности eгo движения в каналах, так же преимуществами воздуха являются нетоксичность и доступность. Недостатками являются низкие плотность и удельная теплоемкость с = 1кДж/(кг·K), низкие значения коэффициента теплоотдачи, значительные площадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по длине воздуховодов. Перечисленные недостатки затрудняют процесс теплообмена, а также ограничивают расстояние возможной транспортировки воздуха [2].

Так как в модернизируемой системе отопления теплоносителем является вода, то ниже остановимся на рассмотрении особенностей водяных систем отопления.

1.1.3 Водяные системы отопления и воздушные завесы. При водяном отоплении циркулирующая нагретая вода охлаждается в отопительных приборах и возвращается в тепловой пункт для последующего нагрева.

Системы водяного отопления по способу движения теплоносителя разделяются на системы с естественной циркуляцией (гравитационные) и с механическим побуждением циркуляции воды при помощи насосов (насосные). В гравитационной системе (рисунке 1.3, а) используется свойство воды изменять свою плотность при различной температуре. В замкнутой вертикальной системе с неравномерным распределением плотности под действием гравитационного поля Земли возникает естественное движение воды.

В насосной системе (рисунке 1.3, б) используется насос с механическим приводом для повышения разности давления, вызывающей циркуляцию, и в системе создается вынужденное движение воды.

1 – теплообменник; 2 – подающий теплопровод (Т1); 3 – расширительный бак; 4 – отопительный прибор; 5 – обратный теплопровод (Т2); 6 – циркуляционный насос; 7 – устройство для выпуска воздуха из системы.

Рисунок 1.3 - Принципиальные схемы водяного отопления с естественной циркуляцией (гравитационная) (а) и с механическим побуждением циркуляции воды (насосная) (б)

По температуре теплоносителя различаются системы низкотемпературные с предельной температурой горячей воды t_Г < 70°С, среднетемпературные при t_Г от 70 до 100°С и высокотемпературные при t_Г > 100°С. Максимальное значение температуры воды ограничено в настоящее время 150°С.

По положению труб, объединяющих отопительные приборы по вертикали или горизонтали, системы делятся на вертикальные и горизонтальные.

В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами бывают системы однотрубные и двухтрубные. В каждом стояке или ветви однотрубной системы приборы соединяются к одному стояку, и вода протекает последовательно через все приборы. Если каждый отопительный прибор, установленный в помещении, разделен на две равные части (“а” и “б”), в которых вода движется в противоположных направлениях и теплоноситель последо­вательно проходит сначала через все части “а”, а затем через все части “б”, то такая однотрубная система носит название бифилярной (двухпоточной).

В двухтрубной системе приборы параллельно присоединяются к двум трубам ­ подающей и обратной, и вода проте­кает через каждый прибор независимо от других приборов.

Тепловая завеса – это подвесное оборудование, которое используется для создания температурного барьера между улицей и помещением при помощи мощного потока теплого воздуха. Как правило, конструкции монтируются над дверными проемами и препятствуют попаданию в помещение холодного воздуха, пыли и насекомых.

В теплое время года завесы без источника тепла создают заграждение наружному воздуху в проемах кондиционируемых помещений и холодильных камер.

Теплоносителем в завесе может быть электричество или горячая вода. Устроена завеса очень просто – в металлическом или пластиковом корпусе размещаются змеевики из труб в случае водяного теплоносителя и мощный вентилятор, напор которого должен быть таким, чтобы перекрывать величину дверного проема. Также завеса может комплектоваться пультом управления (встроенным или выносным) и термостатом [3].

Существуют также завесы без источника тепла предназначены для создания чисто воздушных завес в проемах больших размеров, в промышленных зданиях, депо и ангарах. Кроме того, воздушные завесы без источника тепла – идеальная защита холодильных камер и кондиционируемых помещений.

Завесы без нагревательных элементов могут использоваться для разделения смежных производственных помещений, соединенных открытыми проемами, с различным внутренним климатом.

Наконец, завесы такого типа могут найти применение для ограждения источников вредных выделений (совместно с вытяжкой вентиляцией).

На основе завес без источника тепла можно создавать оригинальное решение экономичной защиты проемов отапливаемого помещения в зимнее время.

Воздушные или воздушно-тепловые за­весы устанавливают:

1. У ворот, открывающихся чаще 5 раз или не менее чем на 40 мин в смену, распо­ложенных в районах с расчетной темпе­ратурой наружного воздуха для холод­ного периода года - 15°С и ниже (пара­метры Б), если исключена возможность устройства тамбуров или шлюзов.

2. У ворот или технологических проемов при любых наружных температурах и лю­бой продолжительности открывания при соответствующем обосновании.

3. В там­бурах и шлюзах у входных дверей вести­бюлей общественных зданий и вспомога­тельных зданий промышленных пред­приятий.

4. В тамбурах и шлюзах у входных дверей общественных и производст­венных зданий и помещений, оборудован­ных системами кондиционирования воз­духа [4].

Завесы должны обеспечить во время открывания ворот в поме­щениях температуру на рабочих местах не ниже 14°С при легкой работе, 12°С — при средней и 8°С — при тяжелой работе. При отсутствии вблизи ворот рабочих мест допускается понижение температуры до 5°С, в вестибюлях общественных зданий — до 12°С.

Температуру воздуха завесы, как правило, принимают не выше 50°С. Скорость выхода воздуха из устройств завесы не более 25 м/с (в производственных зданиях).

Типы воздушных завес. Воздушные завесы устраиваются с пода­чей воздушной (шиберирующей) струи: а) снизу вверх; б) сверху вниз; в) сбоку ворот. По режиму работы завесы делят на перио­дически и постоянно действующие.

Рисунок 1.5 – Схемы воздушных завес с различными местами воздухозабора и температура подаваемого воздуха а) снизу вверх; б) сверху вниз; в) сбоку ворот

Принцип работы завес. Воздушная завеса — это результат взаимодействия двух потоков: воздушной струи и набегающего на нее горизонтального потока воздуха. Воздушная струя, не препятствуя движению людей и транспорта, как правило, сущест­венно уменьшает количество прони­кающего в помещение наружного возду­ха. При этом воздушная завеса может, быть устроена по месту воздухозабора и температуры подаваемого воздуха (рис.1.5): а — с забором внутреннего воздуха с температурой t_в и подогревом его перед подачей в завесу до t_з; б - с забором внутреннего воздуха и подачей его в завесу без подогрева ( t_з = t_в); в — с забором наружного воздуха и подогревом его перед подачей в завесу ( t_з > t_в); г — с забором, наружного воздуха и подачей его в завесу без подогрева ( t_з = t_в).

По варианту а устраиваются завесы, если необходимо сохранить неизменными параметры микроклимата производ­ственных помещений, обычно если в по­следних вблизи ворот расположены ра­бочие места. По варианту б устраивают­ся завесы, если допустимо понижение температуры в зоне ворот или при устройстве завес в проемах внутрен­них стен, разделяющих два помещения.

По варианту в воздушные завесы могут быть использованы, в качестве агрегата приточной вентиляции, в этом случае воздушная завеса может работать постоянно; по варианту г воздушная завеса как бы преграждает полностью доступ наружного воздуха в помещение.

Следует отметить, что воздушные завесы в зависимости от местных условий устраиваются с подачей воздуха, через горизон­тальную щель, расположенную внизу проема; с подачей воздуха через горизонтальную щель, расположенную вверху проема; как правило, с боковой подачей воздуха через вертикальные щели по обеим сторонам проема.

При устройстве завесы с боковой подачей воздуха следует обеспечить усиленную подачу воздуха в нижнюю часть проема (в нижнюю треть по высоте ворот). С этой целью нижнюю часть щели следует делать шире верхней. По эффекту действия лучшими являются двусторонние боковые завесы. При их действии не наблю­дается уменьшения температуры воздуха в районе ворот в момент прохождения транспорта [5].