10374
.pdf30
1.1.5.Системы воздушного отопления
Всистемах воздушного отопления используется атмосферный воздух. Воздушное отопление имеет много общего с другими видами централизованного отопления. И воздушное, и водяное отопление основаны на передаче теплоты в отапливаемые помещения от охлаждающегося теплоносителя.
Вцентральных системах воздушного отопления, как и в системах водяного и парового отопления, имеются теплогенератор (центральная установка для нагревания воздуха) и теплопроводы (каналы или воздуховоды для перемещения теплоносителя).
Воздух для отопления обычно является вторичным теплоносителем, так как нагревается в калориферах другим, первичным теплоносителем – горячей водой или паром. Таким образом, системы воздушного отопления фактически становятся комбинированными – водовоздушными или паровоздушными. Для нагревания воздуха используют также другие отопительные приборы
ииные теплоисточники. В системах воздушного отопления воздух, нагретый до температуры более высокой, чем температура воздуха в помещениях, отдает избыток теплоты и, охладившись, возвращается для повторного нагревания. Этот процесс может осуществляться двумя способами:
нагретый воздух, попадая в обогреваемое помещение, смешивается с окружающим воздухом и охлаждается до температуры этого воздуха;
нагретый воздух не попадает в обогреваемое помещение, а перемещается в окружающих помещение каналах, нагревая их стенки.
Известно одно из достоинств применяемой центральной системы воздушного отопления – отсутствие отопительных приборов в обогреваемых помещениях. Однако если радиус действия системы воздушного отопления сужается до одного помещения, то воздухонагреватель может устанавливаться непосредственно в этом помещении, и тогда система становится местной. Отличие от системы водяного отопления в этом случае будет в том, что тепловая мощность воздухонагревателя значительно больше мощности одного обычного отопительного прибора, и в помещении создается интенсивная циркуляция воздуха.
Местной делают систему воздушного отопления, если в помещении отсутствует центральная система приточной вентиляции, а также при незначительном объеме приточного воздуха, подаваемого в течение часа (менее половины объема помещения). Для воздушного отопления характерно повышение санитарно-гигиенических показателей воздушной среды помещения. Могут быть обеспечены подвижность воздуха, благоприятная для нормального самочувствия людей, равномерность температуры помещения, а также смена, очистка и увлажнение воздуха. При устройстве местной системы воздушного отопления достигается экономия металла.
Вместе с тем воздушное отопление не лишено существенных недостатков. Как известно, площади поперечных сечений и поверхности воздуховодов из-за малой теплоаккумулирующей способности воздуха во много раз превышают сечения и поверхности водяных и паровых теплопроводов. В сети значительной протяженности воздух заметно охлаждается, несмотря на то, что воздуховоды покрывают тепловой изоляцией. По этим причинам применение центральных систем воздушного отопления в сравнении с другими системами может оказываться экономически нецелесообразным.
Возможность совмещения воздушного отопления с приточной вентиляцией в холодный период, с охлаждением помещений в летний период сближает воздушное отопление с вентиляцией и кондиционированием воздуха, и предопределяет дополнительное рассмотрение общих вопросов при изучении соответствующих дисциплин.
Схемы систем воздушного отопления
На рисунке 1.26 даны принципиальные схемы местных систем воздушного отопления. Чисто отопительные системы с полной рециркуляцией теплоносителя воздуха могут быть бесканальными (рис. 1.26, а) и канальными (рис. 1.26, б).
При бесканальной системе внутренний воздух, имеющий температуру tв, нагревается
31
первичным теплоносителем в калорифере до температуры tг и перемещается вентилятором в обогреваемое помещение.
Наличие вертикального канала для горячего воздуха обусловливает возникновение естественного давления, обеспечивающего циркуляцию внутреннего воздуха через калорифер и подачу его в помещение. Эти две схемы применяют для местного воздушного отопления помещений, не нуждающихся в искусственной приточной вентиляции.
Для местного воздушного отопления помещения одновременно с его приточно-вытяжной вентиляцией используют две другие схемы (рис. 1.26, в, г).
Рис. 1.26. Принципиальные схемы местных систем воздушного отопления: а, б – полностью рециркуляционные; в – частично рециркуляционная; г – прямоточная; 1 – отопительный агрегат; 2 – рабочая (обслуживаемая) зона; 3 – канал с нагретым воздухом; 4 – теплообменник (калорифер); 5 - наружный воздухозабор; 6 – рециркулирующий воздух; 7 – вытяжная вентиляция
По схеме на рисунке 1.26, в часть воздуха забирается снаружи, другая часть внутреннего воздуха подмешивается к наружному (осуществляется частичная рециркуляция воздуха). Смешанный воздух догревается в калорифере и подается вентилятором в помещение. Помещение обогревается всем поступающим в него воздухом, а вентилируется только той его частью, которая забирается снаружи. Эта часть воздуха удаляется из помещения в таком же количестве в атмосферу с помощью системы вытяжной вентиляции.
Схема на рисунке 1.26, г – прямоточная. Наружный воздух в количестве, необходимом для вентиляции помещения, дополнительно нагревается для отопления, а после охлаждения до температуры помещения удаляется в таком же количестве в атмосферу.
Центральная система воздушного отопления – канальная. Воздух нагревается до необходимой температуры в тепловом центре здания и подается в помещения через воздухораспределители. Принципиальные схемы центральной системы приведены на рисунке
1.27.
В схеме на рисунке 1.27, а нагретый воздух по специальным каналам распределяется по помещениям, а охладившийся воздух по другим каналам возвращается для повторного нагревания в теплообменнике – калорифере. Совершается, как и в схеме на рисунке 1.26, а, полная рециркуляция воздуха без вентиляции помещений. Теплопередача в калорифере
32
соответствует теплопотерям помещений, т.е. схема является чисто отопительной.
Схема на рисунке 1.27, б с частичной рециркуляцией по действию не отличается от схемы на рисунке 1.26, в. На рисунке 1.27, в изображена прямоточная схема центральной системы воздушного отопления, аналогичная схеме на рисунке 1.26, г. В схемах на рис. 1.26, а, б и 1.27, а теплозатраты на нагревание воздуха определяются только теплопотерями помещений.
В схемах на рисунках 1.26, в и 1.27, б они возрастают в результате предварительного нагревания части воздуха от температуры наружного воздуха tн до температуры tв.
Рис. 1.27. Принципиальные схемы центральных систем воздушного отопления: а – полностью рециркуляционная; б – частично рециркуляционная; в – прямоточная; г – рекуперативная; 1 – теплообменник (калорифер); 2 – канал (воздуховод) с нагретым воздухом и воздухораспределителем на конце; 3 – канал (воздуховод) системы вытяжной вентиляции; 4 – вентилятор; 5 – наружный воздухозабор с каналом (воздуховодом); 6 – воздухо-воздушный теплообменник; 7 – рабочая (обслуживаемая) зона
В схемах на рисунках 1.26, г и 1.27, в теплозатраты наибольшие, так как весь воздух необходимо нагреть сначала от температуры tн до tв, а потом перегреть до температуры tг (тепловая энергия расходуется и на отопление, и на полную вентиляцию помещений).
Рециркуляционная система воздушного отопления отличается меньшими первоначальными вложениями и эксплуатационными затратами. Система может применяться, если в помещении допускается рециркуляция воздуха, а температура поверхности нагревательных элементов соответствует требованиям гигиены, пожаро- и взрывобезопасности этого помещения. Радиус действия центральной системы с естественной циркуляцией (без вентилятора) ограничен 8…10 м, считая по горизонтальному пути от теплового пункта до наиболее удаленного вертикального канала. Объясняется это незначительностью действующего естественного циркуляционного давления, составляющего даже при значительной температуре нагретого воздуха всего лишь около 2 Па на каждый метр высоты канала.
33
Система воздушного отопления с частичной рециркуляцией устраивается с механическим побуждением движения воздуха и является наиболее гибкой. Она может действовать в различных режимах: в помещениях, помимо частичной, может осуществляться полная замена или полная рециркуляция воздуха. При этих трех режимах система работает как отопительно-вентиляционная, чисто вентиляционная и чисто отопительная. Все зависит от того, забирается ли в каком количестве воздух снаружи и до какой температуры нагревается воздух в калорифере.
Прямоточная система воздушного отопления отличается самыми высокими эксплуатационными затратами. Ее применяют, когда требуется вентиляция помещений в объеме не меньшем, чем объем воздуха для отопления (например, в помещениях категории А и Б, где выделяются взрывоопасные и пожароопасные вещества, а также вредные для здоровья людей или обладающие неприятным запахом). Для уменьшения теплозатрат в прямоточной системе при сохранении ее основного преимущества – полной вентиляции помещений – используют схему с рекуперацией (рис. 1.27, г), где применен дополнительный воздухо-воздушный теплообменник, позволяющий использовать (утилизировать) часть теплоты удаляемого из помещения воздуха для предварительного нагревания наружного воздуха.
34
1.2 Теплоснабжение. Современные автоматизированные тепловые пункты
1.2.1 Присоединение абонентов
Выбор схемы присоединения абонента к тепловой сети осуществляют, прежде всего, по параметрам теплоносителя на вводе в здание: давление в подающей и обратной магистралях, диапазон колебаний этих давлений, расчетный график температур в сети; а также в зависимости от характеристик внутренних систем потребителей.
Преобразование характеристик теплоносителя до расчетных (требуемых) значений осуществляют в тепловых пунктах [5].
Присоединение абонентов
Схемы присоединения систем отопления разделяют на зависимые без смешения воды,
зависимые со смешением воды и независимые.
Зависимое присоединение, при котором теплоноситель из теплосети без снижения температуры (без смешения) подают потребителю, является наиболее простым и удобным в эксплуатации. Применяют его при совпадении температур теплоносителя в системе отопления tг и в системе теплоснабжения Т1, как правило, не превышающих 95...105 °С. Такое присоединение зачастую реализуют в системах теплоснабжения от групповой котельной установки, предназначенной для зданий промпредприятия либо небольшого населенного пункта.
Большинство существующий зданий присоединены по зависимым схемам со смешением теплоносителя до температуры tг < Т1 (рис. 1.28).
Ранее для смешения воды применялись водоструйные элеваторы (рис. 1.28, а, б): нерегулируемые (рис. 1.28, а) и регулируемые (рис. 1.28, б) для однотрубных систем отопления. Применение для двухтрубных современных систем насосной схемы (рис. 1.28, в) является неэффективным, т.к. не учитываются колебания давления в тепловой сети.
а) б) в)
Рис. 1.28. Не применяемые при новом строительстве [6] зависимые схемы со смешением воды
Отказ от применения гидроэлеваторов обусловлен следующим: гидроэлеватор работает при постоянном гидравлическом режиме, а терморегуляторы во внутренней системе отопления создают переменный гидравлический режим.
Принципиальные схемы различных автоматизированных тепловых пунктов представлены на рис. 1.29.
35
а) |
б) |
в) |
г) д) е)
Рис. 1.29. Принципиальные схемы автоматизированных тепловых пунктов: а), г) – с применением трехходовых клапанов; б), в), д), е) – с применением двухходовых клапанов
Применение циркуляционных насосов в схеме присоединения абонента позволяет применять наиболее энергосберегающие автоматизированные решения по регулированию внутренних систем отопления, учитывая погодные факторы по датчику температуры наружного воздуха, тепловые характеристики здания и теплогидравлические характеристики систем. Появляется возможность не только качественного, но и качественно-количественного регулирования системы отопления практически в любом диапазоне, учитывая специфику теплового режима здания и помещения при одновременном сокращении потребляемого теплоносителя.
В настоящее время в тепловых пунктах применяются бесфундаментные бесшумные насосы, которые могут ступенчато или плавно регулировать свою производительность, и следовательно, применение циркуляционных насосов позволяет количественно-качественно регулировать систему отопления в целом.
Независимое присоединение системы отопления применяют для создания местного теплогидравлического режима при tг < Т1. Гидравлическое разделение теплосети от системы отопления осуществляют поверхностным теплообменником. Данное решение применимо при превышении давления в теплосети над допустимым давлением для системы отопления, и наоборот, когда статическое давление системы превышает допустимый предел для теплосети.
Преимуществом независимого подключения является:
1)независимость от гидравлического режима тепловой сети;
2)уменьшение инерционности тепловой сети за счет своевременного реагирования на изменение погодных условий;
3)снижение затрат на водоподготовку в котельной.
Принципиальные схемы независимого подключения абонентов представлены на рис. 1.30.
36
Рис. 1.30. Принципиальные схемы автоматизированных тепловых пунктов с независимым присоединяем абонентов: а), б) – с одним теплообменником; в), г) – с применением резервного теплообменника
В качестве выводов следует отметить следующее.
1)Осуществить полную автоматизацию системы отопления можно только с циркуляционным насосом.
2)Нерегулируемый и регулируемый гидроэлеватор не создает достаточного располагаемого давления ни для двухтрубной, ни для однотрубной системы отопления с терморегуляторами у отопительных приборов и автоматическими регуляторами гидравлических параметров на стояках либо приборных ветках.
3)Независимое подключение системы отопления является идеальным решением для обеспечения ее автоматизации.
Присоединение систем отопления с учетом распределения давления в тепловой сети
Применение конкретного абонентского ввода зависит от гидравлических параметров теплоносителя в трубопроводах тепловой сети, а распределение давления в них зависит от гидравлического режима.
Динамический режим характеризуют движением теплоносителя за счет разности давления, создаваемого сетевыми насосами; статический – отсутствием движения. Оба режима являются определяющими в выборе схемы подключения абонента и отображаются на графике давления (пьезометрическом графике, представленном на рис. 1.31).
37
Рис. 1.31. Пьезометрический график. Характерное расположение абонентов относительно графика давления теплоносителя в трубопроводах теплосети: 1 – линия давления в подающей магистрали; 2 – линия давления в обратной магистрали; 3 – линия статического давления в трубопроводах теплосети; I…IV – номер абонента
Главным требованием современных ИТП является необходимость применения регуляторов давления на подающем трубопроводе и установка теплосчетчиков.
На регулятор давления возлагают следующие задачи:
-защиту теплосети от гидравлического разрегулирования;
-нивелирование у абонента колебаний давления теплоносителя в теплосети;
-поддержание внешнего авторитета регулятора теплового потока системы отопления либо регулятора температуры системы горячего водоснабжения на высоком уровне;
-ограничение совместно с регулятором теплового потока (температуры) максимального расхода теплоносителя.
Клапаны, применяемые для регулирования, изготавливают с различными расходными характеристиками. Основная задача в применении клапана с той или иной расходной характеристикой – получение пропорционального регулирования расхода теплоносителя относительно регулируемого параметра. Для регулятора теплового потока (регулятора температуры) – относительно температуры теплоносителя. Поскольку температура теплоносителя линейно зависит от коэффициента смешения, то и конечная задача клапана состоит в обеспечении линейного регулирования расхода.
Для клапана с линейной расходной характеристикой необходимо как можно меньше привнести искажения в эту характеристику, т. е. внешний авторитет клапана следует обеспечить близким к единице. Это означает, что для регулятора температуры (рис. 1.32) требуется создать постоянство перепада давления при помощи регулятора давления (рис. 1.33) и потерять весь этот
38
перепад давления на регуляторе температуры. Для этого на регулируемом участке не должно быть никаких элементов со значительными местными сопротивлениями. В противном случае, например, на лимитной диафрагме, установленной между регулятором давления и регулятором температуры, теряется часть перепада давления регулируемого участка, уменьшая внешний авторитет регулятора температуры и искажая линейность его регулирования. Если все же принято решение об установке лимитной диафрагмы между регулятором давления и регулятором температуры, то следует применять клапан для регулятора температуры с логарифмической расходной характеристикой, либо ей подобной.
Рис. 1.32. Общий вид регулятора температуры типа AVTB (Danfoss) [7]
Рис. 1.33. Общий вид регулятора давления типа AVD (Danfoss) [7]
Рассмотрим присоединение систем отопления абонентов I…IV с учетом распределения давления в тепловой сети согласно рис. 1.31.
Подключение абонента I
Исходя из необходимости обеспечения минимального автоматического оснащения теплового пункта, присоединение абонента «I» (рис. 1.31) по зависимой схеме является наиболее простым. Система отопления при таких исходных данных теплосети не подвержена опорожнению и поэтому не требует дополнительного предохраняющего оборудования. Принципиальная схема теплового пункта показана на рис. 1.34. Рассмотрим функциональность основного оборудования.
1 – отключающая арматура. На вводах в тепловые пункты (кроме индивидуальных тепловых пунктов, связанных с центральными тепловыми пунктами без подкачивающих насосов) должна предусматриваться стальная запорная арматура: специальные шаровые краны либо поворотные заслонки.
2 – грязевик; 3 – фильтр. По требованиям эксплуатации большинства автоматического оборудования необходимо применять качественный теплоноситель. С такой задачей не справляются традиционные грязевики гравитационного осаждения твердых частичек. Поэтому за грязевиком устанавливают сетчатый фильтр, если он конструктивно не вмонтирован в грязевик. Применение фильтров со встроенными спускными краниками упрощает их прочистку – без изъятия сетки – и опорожнение обслуживаемых узлов и участков в нижних точках, как, например, возле насоса. Место установки грязевиков указано в СП 124.13330.2012 [8] – на подводящем трубопроводе при вводе в тепловой пункт; на обратном трубопроводе перед регулирующими устройствами и приборами учета расходов воды и тепловых потоков – не более
39