Достоинства и недостатки систем водяного ,парового и воздушного отопления

1.Достоинства и недостатки систем водяного ,парового и воздушного отопления .Область их применения.

Для отопления зданий и сооружений в  настоящее время преимущественно  используют воду или атмосферный  воздух, гораздо реже водяной пар  или нагретые газы. В зависимости  от вида используемого в системе отопления теплоносителя их принято называть системами водяного, парового, воздушного или газового отопления.

Сопоставим  характерные свойства указанных  видов теплоносителя при использовании  их в системах отопления.

Газы, образующиеся при сжигании твёрдого, жидкого или газообразного органического топлива, имеют сравнительно высокую температуру и применимы в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удаётся ограничить температуру теплоотдающей поверхности отопительных приборов. Высокотемпературные продукты сгорания топлива могут выпускаться непосредственно в помещения или сооружения, но при этом ухудшается состояние их воздушной среды, что в большинстве случаев недопустимо. Удаление же продуктов сгорания наружу по каналам усложняет конструкцию и понижает КПД отопительной установки. При этом возникает необходимость решения экологических проблем, связанных с возможным загрязнением атмосферного воздуха продуктами сгорания вблизи отапливаемых объектов. Область использования горячих газов ограничена отопительными печами, газовыми излучателями и другими подобными местными отопительными установками.

В отличие от горячих газов вода, воздух и пар используются многократно  в режиме циркуляции и без загрязнения  окружающей здание среды.

Вода представляет собой жидкую, практически несжимаемую среду со значительной плотностью и теплоёмкостью. Вода изменяет плотность, объём и вязкость в зависимости от температуры, а температуру кипения - в зависимости от давления, способна поглощать (сорбировать) или выделять растворимые в ней газы при изменении температуры и давления.

Пар является легкоподвижной средой со сравнительно малой плотностью. Температура и плотность пара зависят от давления. Пар значительно изменяет объём и теплосодержание (энтальпию) при фазовом превращении.

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

Сравним эти три теплоносителя 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  использовании нагретого воздуха - теплоносителя с низкой теплоинерционностью - можно постоянно поддерживать равномерной температуру каждого отдельного помещения, быстро изменяя температуру подаваемого воздуха. При этом 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 отопительные приборы воды. При таком регулировании  температура помещений все же может несколько отклоняться  от заданной (на 1…2°C) вследствие тепловой инерции масс воды, труб и приборов.

При использовании пара температура  помещений неравномерна, что противоречит гигиеническим требованиям. Неравномерность  температуры возникает из-за несоответствия теплопередачи приборов при неизменной температуре пара (при постоянном давлении) изменяющимся теплопотерям помещения в течение отопительного сезона. В связи с этим приходится уменьшать количество подаваемого в приборы пара и даже периодически отключать их во избежание перегревания помещений при уменьшении их теплопотерь.

Другое  санитарно-гигиеническое требование - ограничение температуры наружной поверхности отопительных 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°C и интенсивно протекает на поверхности, имеющей  температуру более 80°C.

При использовании пара в качестве теплоносителя  температура поверхности большинства  отопительных приборов и труб постоянна  и близка или выше 100°C, т. е. превышает  гигиенический предел. При отоплении  горячей водой средняя температура  нагретых поверхностей, как правило, ниже, чем при применении пара. Кроме  того, температуру воды в системе  отопления понижают для снижения теплопередачи приборов при уменьшении теплопотерь помещений. Поэтому при теплоносителе воде средняя температура поверхности приборов в течение отопительного сезона практически не превышает гигиенического предела.

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.

Воздух  и вода до определённой 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 суровых условиях российской зимы в  некоторых случаях рекомендуется  использовать в системе отопления  специальный незамерзающий теплоноситель - антифриз. Антифризами являются водные растворы этиленгликоля и других гликолей, а также растворы некоторых неорганических солей. Любой антифриз является достаточно токсичным веществом, требующим особого с ним обращения. Его использование в системе отопления может привести к некоторым негативным последствиям (ускорение коррозионных процессов, снижение теплообмена, изменение гидравлических характеристик, завоздушивание и др.). В связи с этим, применение антифриза в качестве теплоносителя в каждом конкретном случае должно быть достаточно обоснованным.

Перечислим преимущества и недостатки основных теплоносителей для отопления.

При использовании воды обеспечивается достаточно равномерная температура помещений, можно ограничить температуру поверхности отопительных приборов, достигается бесшумность движения в теплопроводах. Недостатком является большое гидростатическое давление в системах. Тепловая инерция воды замедляет регулирование теплопередачи отопительных приборов.

При использовании пара достигается быстрое прогревание приборов и отапливаемых помещений. Гидростатическое давление пара в вертикальных трубах по сравнению с водой минимально. Однако пар как теплоноситель не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям, движение его в трубах сопровождается шумом.

При использовании воздуха можно обеспечить быстрое изменение или равномерность температуры помещений, избежать установки отопительных приборов, совмещать отопление с вентиляцией помещений, достигать бесшумности его движения в воздуховодах и каналах. Недостатками являются его малая теплоаккумулирующая способность, значительные площадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по их длине.

В настоящее время в России применяют  центральные системы в основном водяного и, значительно реже, парового отопления, местные и центральные  системы воздушного отопления, а  также печное отопление в сельской местности. Принципы конструирования  и расчета воздушного отопления, а также применяемое при этом оборудование полностью соответствуют тому, что рассмотрено ниже, в разделе 4.3. В связи с практически повсеместным применением в России водяного отопления именно ему и будет посвящен дальнейший обзор конструктивных особенностей этого вида инженерного оборудования зданий.

По температуре теплоносителя различаются водяные системы низкотемпературные с предельной температурой горячей воды tг< 70°C, среднетемпературные при tг 70-100°C и высокотемпературные при tг > 100°C. Максимальное значение температуры воды ограничено 150°C.

По способу создания циркуляции воды системы разделяются на системы с механическим побуждением циркуляции воды при помощи насоса (насосные) и с естественной циркуляцией (гравитационные), в которых используется свойство воды изменять свою плотность при изменении температуры. Насосные системы используются практически повсеместно. Область применения гравитационных систем в настоящее время ограничена их использованием для отопления жилых домов в сельской местности.

По положению труб, объединяющих отопительные приборы, системы делятся на вертикальные и горизонтальные (см. рис. 4.2.2, б, в).

В зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами системы бывают однотрубные и двухтрубные (рис. 4.2.3).

В каждом стояке (см. рис. 4.2.3, а) или ветви однотрубной системы отопительные приборы соединяются одной трубой, и вода протекает последовательно через все приборы. Если прибор разделен условно по вертикали на две части, в которых вода движется в противоположных направлениях и теплоноситель последовательно проходит сначала через все верхние части, а затем через все нижние части, то такая система носит название бифилярной (см. рис. 4.2.3, в).

В двухтрубной системе (см. рис. 4.2.3, б) каждый отопительный прибор присоединяется отдельно к двум трубам - подающей и обратной, и вода протекает через каждый прибор независимо от других приборов.

За  последнее время достаточно широко стала применяться коллекторная (веерная) схема соединения отопительных приборов (см. рис. 4.2.3, г). В этой схеме каждый из группы приборов присоединяется к общему коллектору.

Подвод  теплоносителя к коллекторам, а  также к отопительным приборам бифилярной системы, осуществляется, как правило, с помощью двухтрубного стояка (см. рис. 4.2.3, в, г).

Систему водяного отопления применяют с верхним и нижним расположением магистралей, с тупиковым или попутным движением воды в них.

При разработке систем отопления конкретного  здания составляют схемы систем. В схеме устанавливается взаимное расположение теплообменников (котлов), циркуляционных насосов, теплопроводов, отопительных приборов и других элементов в зависимости от размещения их в здании, т. е. закрепляется топология или структура системы

Сравним капитальные вложения в различные системы центрального отопления. В равных расчетных условиях в системе парового отопления, учитывая уменьшение площади поверхности отопительных приборов и площади сечения конденсатопроводов, расходуется меньше металла и первоначальная ее стоимость несколько ниже, чем системы водяного отопления. Стоимость устройства системы воздушного отопления близка к капитальным затратам на создание системы водяного отопления, а расход металла в связи с ограниченными размерами теплообменника и возможностью изготовления воздуховодов из бетона и подобных материалов часто оказывается даже ниже, чем в системе парового отопления.

По капитальным затратам преимущество имеет местная система воздушного отопления без воздуховодов или  с короткими воздуховодами с  подачей высокотемпературного первичного теплоносителя (воды или пара) в теплообменник. На второе место можно поставить систему парового отопления и на последнее — системы отопления водяную и центрально-воздушную с протяженными металлическими воздуховодами.

Однако выбор системы отопления  только по наименьшим капитальным затратам недопустим и экономически не может  считаться полноценным без учета  стоимости ее эксплуатации. Стоимость  эксплуатации зависит прежде всего от расхода топлива и долговечности системы отопления.

Расход топлива на отопление  при паровых и центрально-воздушных  системах превышает расход топлива  при водяном отоплении вследствие возрастания бесполезной попутной потери тепла. Срок службы паропроводов (до 10 лет) и особенно конденсатопроводов (около 4 лет) из-за интенсивной внутренней коррозии значительно меньше, чем теплопроводов водяного отопления (25—40 лет).

Воздуховоды из тонколистовой стали  также недолговечны, а неметаллические  воздуховоды требуют частого  ремонта в связи со сравнительно быстрым нарушением их плотности  при действии в различных температурных  условиях.

Таким образом, для выбора системы  по экономическим показателям необходимо определять общие, так называемые приведенные  затраты, учитывающие помимо капитальных  затрат еще и стоимость эксплуатации системы отопления. В стоимость  эксплуатации, кроме стоимости топлива  и текущего ремонта и амортизационных  расходов, входят также стоимость  расходуемой электроэнергии, заработная плата обслуживающего персонала  и некоторые другие затраты.

Экономические преимущества эксплуатации системы водяного отопления сокращают  приведенные затраты, которые могут  стать меньше приведенных затрат на систему парового отопления.

Технические показатели эксплуатации центральных систем отопления различны. Наибольшей надежностью действия, в  том числе тепловой, обладает система  водяного отопления, простая и удобная  в эксплуатации. Близко к ней подходит система местного воздушного отопления при водяном теплоснабжении, действие которой легко автоматизируется, хотя надежность ее и понижается в зависимости от увеличения числа победителей циркуляции воздуха — вентиляторов.

Менее надежна система парового отопления как более сложная  по конструкции и в обслуживании, имеющая сокращенный срок амортизации. Также понижена надежность системы  центрально-воздушного отопления из-за усложнения и возможного нарушения  распределения воздуха по помещениям. Все же решающими факторами в  последнем случае могут оказаться  попутное обеспечение вентиляции и  устранение отопительных приборов из помещений.

При системах водяного и центрально-воздушного отопления обеспечиваются высокие  гигиенические и акустические показатели, что, однако, связано с ограничением температуры и скорости движения теплоносителя, отражающимся на экономических  показателях систем. Применение паровой  и местной воздушной (при высокотемпературном  первичном теплоносителе) систем сопровождается понижением гигиенических и акустических показателей отопления.

Радиус действия систем различен: при воздушном отоплении он ограничен; при водяном отоплении допустима  значительная горизонтальная протяженность, но по вертикали он также ограничен  величиной гидростатического давления; при паровом отоплении возможна значительная протяженность не только горизонтальная, но и вертикальная.