ВОДЯНОЕ ОТОПЛЕНИЕ

Водяное отопление - обогревание здания или сооружения системой отопления, в которой в качестве теплоносителя используется вода. Водяное отопление в XVIII веке применялось для отопления оранжерей и теплиц, а с начале XIX века — и зданий. В России первая система водяного отопления была сооружена в Петербурге в 1834 году (П.Г. Соболевский, 1782—1841). В XIX веке водяное отопление устраивалось гравитационным — с естественной циркуляцией воды. В 50—60-х годах XIX века распространилось как более дешевое водяное отопление высокого давления по системе английского инженера Перкинса (патент 1831 год). Система состояла из замкнутых со всех сторон и заполненных водой вертикальных толстостенных трубок (внутренний диаметр 15, наружный 25 мм). Вода нагревалась в змеевике, помещенный в центральную печь. Такого же рода змеевики ("нагревательные спирали"), соединенные одной трубой (сейчас подобная связь отопительных приборов называют однотрубной системой водяного отопления), размещались в обогреваемых помещениях. В системе циркулировала вода под значительным давлением (до 7 МПа), нагреваемая до 260—300 С. Кроме змеевиков в помещениях использовались трубы отопительные — гладкие трубы большого диаметра, а затем и ребристые трубы — первые специальные отопительные приборы. Применялось также водяное отопление новышенного давления (до 0,8 МПа) по системе французкого инженера Л. Дювуара — горизонтального типа с отопительными приборами в виде чугунных цилиндрических печей со сквозным внутренним каналом (система подобного вида действует в одном из зданий в городе Нижнем Новгороде). С 70-х годах прошлого столетия с водяным отоплением высокого давления стало успешно конкурировать водяное отопление низкого давления, выполняемое заводом Сан-Талли в Петербурге по горизонтальной схеме с отопительными приборами из ребристых труб (фасонные соединительные части и арматура ввозились из Германии). В последней трети XIX века водяное отопление, низкого давления сооружалось в различных городах России Петербургским металлическим заводом (О.Е. Крель, 1838—1913 г.) в виде вертикальных и горизонтальных однотрубных систем водяного отопления. В 1875 году К. Лешевич впервые устроил квартирное водяное отопление низкого давления с вертикально плоскими стальными отопительными приборами, действующими самостоятельно или во время топки кухонного очага. В 80-х годах стало распространяться центральное водяное отопление с вертикальной прокладкой труб по однотрубной схеме с отопительными приборами в виде вертикальных оребренных тумб различной высоты и обходными ветками вдоль них (их называют замыкающими участками). На каждом отопительном приборе стали устанавливать регулирующие краны. В 90-х годах появилась двухтрубная система отопления (под влиянием законодателя германской отопительной техники Г. Ритшеля), где по одной из параллельно прокладываемых двух вертикальных труб в отопительные приборы подавалась нагретая вода, по другим — отводилась охлажденная. Единственным, кто продолжал применять однотрубное водяное отопление, был Петербургский металлический завод (теперь ЛМЗ). На нем по собственным проектам производились предварительная заготовка и сборка отдельных элементов, поэтому монтаж (также силами завода) отопительных установок в зданиях проводился в сокращенные сроки. Вертикальные трубы отопления прокладывались скрыто в стенах, ребристые трубы закрывались щитами и декоративными решетками.
Для начала 20 века характерно стремление к уменьшению первоначальное стоимости отопительных установок. Водяное отопление устраивается с открытой прокладкой вертикальных труб и открытой установкой отопительных приборов (около 1900 появились чугунные отопительные радиаторы). Применяются различные решения по повышению скорости движения воды для уменьшения диаметра труб. Побуждение циркуляции воды предлагалось осуществлять путем подмешивания к ней в подъемных трубах воздуха, пара, перегретой воды (А.К. Павловский, 1861 —1923гг. ). В.М. Чаплин (1859—1931гг. ) разработал и в 1903 году впервые применил в Москве пароводоводяное отопление с побуждением циркуляции воды пароструйным инжектором. Для отопления здания устанавливались 2 котла: паровой для получения пара под давлением 0,05—0,3 МПа (в зависимости от высоты здания) и водогрейный для нагревания воды до 100—150 С, которая, смешиваясь с охлажденной водой, поступала при пониженной температуре (не выше 90 С) для отопления помещений. Предложенное В.М. Чаплиным эжектирование охлаждение воды при подаче снаружи высокотемпературной повсеместно используется для центрального водяного отопления зданий. В 1905 году В.А. Яхимович (1875—1942гг. ) предложил и внедрил "трубчатые приборы с рубашкой из бетона" — паробетонные приборы панельно-лучистого отопления, основанного на заделке нагревательных элементов в толщу ограждающих конструкций помещений. В последующие 10 лет было выполнено свыше 100 таких отопительных установок. В те же годы появилось районное отопление — нескольких зданий стали снабжаться теплотой из одного центра, при этом в качестве теплоносителя "дальнего действия" использовался пар, в зданиях устанавливались пароводяные теплообменные аппараты (бойлеры) и оборудовалось водяное отопление естественной циркуляцией. Таким пароводяным отоплением, в частности в 1903 году было оборудовано 13 корпусов Петербургской детской больницы.
Начальное применения насосов в России для побуждения циркуляции воды с целью не только уменьшения диаметра труб, но и увеличения радиуса действия водяного отопления относится к 1909 году. Осторожное отношение к использованию насосов в водяном отоплении последовало после отрицательного выступления Г. Ритшеля на третьем Германском съезде по отоплению и вентиляции в 1901году . Насосное водяное отопление впервые было осуществлено в Михайловском театре в Петербурге. В двухтрубной системе водяного отопления каждый радиатор снабжался обходной веткой с переключательным трехходовым краном для пропуска воды при выключении радиатора. К 1912 году насосное водяное отопление было запроектировано Н.П. Мельниковым в нескольких крупных зданиях, в том числе в корпусах Института инженеров путей сообщения, где устраивалось впервые водо-водяное отопление с радиусом действия около 400 м при создаваемом насосом давлении 100 кПа. В здании Эрмитажа воздушное отопление системы Н.А. Аммосова было заменено водяным, рассчитанного на поддержание температуры в помещениях с колебанием в пределах 0,51>С. В общем же в России установок центрального водяного отопления было мало, и большинство их монтировалось в расчете на гравитационную (естественную) циркуляцию воды. Основная масса зданий, даже в столице, имела печное отопление. Область применения водяного отопления расширилась в 20-х годах: согласно выпущенному Народным комиссариатом труда ОСТ предлагалось оборудовать центральное водяное отопление все вновь возводимые жилые здания высотой более 3 этажей (в последующем более 2 отажей). Сначала водяное отопление выполнялось на базе местных отопительных котельных (в подвалах зданий), затем с развитием теплофикации — при теплоснабжении от ТЭЦ. Период до середины XX века характерен широким, кроме Ленинграда, применением двухтрубного распределения теплоносителя воды по отопительным приборам зданий. С развитием крупнопанельного строительства, в том числе бесчердачного, предпочтение при отоплении многоэтажных зданий стало отдаваться вертикально-однотрубному соединению отопительных приборов.
Вода как теплоноситель в системе отопления практически несжимаема, отличается значительной плотностью, теплоемкостью и вязкостью. Она изменяет свои плотность, объем и вязкость при изменении температуры, а температуру кипения в зависимости от давления; способна сорбировать и выделять газы при изменении температуры и давления. Применение в системе отопления нагретой воды позволяет поддерживать равномерную температуру помещений путем регулирования температуры подаваемой в оголительные приборы воды. Средняя температура поверхности приборов большинства систем водяного отопления в течение основного периода отопительного сезона не превышает 60—65 С и не вызывает разложения и сухой возгонки органической пыли, сопровождающихся выделением вредных для людей веществ, в частности оксида углерода. Недостатки применения воды в качестве теплоносителя — значительное давление гидростатическое в системе отопления; значительная тепловая инерция воды, задерживающая изменение температуры помещения при регулировании теплопередачи отопительных приборов; ограниченная скорость движения воды в теплопроводах в связи с шумовым пределом и большими потерями давления при ее циркуляции. Системы водяного отопления по способу создания циркуляции воды разделяются: с естественной циркуляцией (гравитационной) и с механическим побуждением циркуляции воды при помощи насосов (насосные). В гравитационной системе используется свойство воды изменять плотность при различной температуре. В замкнутой вертикальной системе с неравномерным распределением плотности под действием гравитационого поля Земли возникает естественное движение воды. В насосной системе используется насос для повышения разности давления, вызывающей циркуляцию, и в системе создается вынужденное движение воды. По температуре теплоносителя различаются системы низкотемпературные с предельной температурой горячей воды tr< 70 С, среднетемпературные при tr 70— 100°С и высокотемпературные npntr> 100 С. Максимальное значение температуры воды ограничено 150 С. По положению труб, объединяющих отопительные приборы по вертикали или горизонтали, системы водяного отопления делятся на вертикальные и горизонтальные, в зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами — на однотрубные и двухтрубные. В каждом стояке или ветви однотрубной системы водяного отопления приборы соединяются одной трубой, и вода протекает через них последовательно. Если каждый отопительный прибор, установленный в помещении, разделен на 2 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) системы отопления. В двухтрубной системе водяного отопления приборы отдельно присоединяются к 2 трубам — подающей и обратной, и вода протекает через каждый прибор независимо от других приборов. Длительное применение водяного отопления подтвердило гигиенические и технические его преимущества по сравнению с паровым отоплением. При водяном отоплении обеспечиваются относительно невысокая температуpa поверхности теплопроводов и отопительных приборов, равномерная температуpa помещений, большой срок службы, экономия теплоты, бесшумность действия, простота обслуживания и ремонта. Получило широкое распространение насосное водяное отопление, гравитационное применяется сравнительно редко.
В зависимости от источника теплоснабжения изменяются устройство, оборудование местного теплового пункта и принципиальная схема системы насосного водяного отопления. Воду, нагреваемую в котлах, перемещает циркуляционный насос, включенный в общую обратную магистраль, к которой присоединен также бак расширительный. Система заполняется водой из водопровода. При централизованном водяном теплоснабжении применяются 3 способа присоединения системы насосного водяного отопления к наружным теплопроводам. Независимая схема близка по своим элементам к схеме при местном теплоснабжении, лишь котлы заменяют теплообменниками и систему заполняют деаэрированной водой (лишенной растворенного воздуха) из наружной тепловой, сети, используя высокое давление в ней или специальный подпиточный насос, если это давление недостаточно высоко. Воду для заполнения системы, как правило, забирают из обратного наружного теплопровода. Возможна, однако, подача воды и из подающего теплопровода, если давление высокотемпературной воды (температуpa ti), передающееся при этом в систему, допустимо для всех ее элементов. При независимой схеме в системе отопления создается местный теплогидравлический режим при пониженной температуре tr греющей воды (tr< ti). Первичная вода после теплообменников должна иметь температуру выше температуры обратной воды в системе отопления (t2>to). Если, например, расчетная температуpa to равна 70°С, то для сокращения площади нагревательной поверхности теплообменников температуpa должна быть не ниже 75 С.
Независимую схему присоединения применяют, когда в системе не допускается повышение гидростатического давления (по условию прочности отопительных приборов) до давления, под которым находится вода в наружном обратном теплопроводе. Преимуществом независимой схемы присоединения системы водяного отопления кроме обеспечения теплогидравлического режима, индивидуального для каждого здания, является возможность сохранения циркуляции с использованием теплосодержания воды в течение некоторого времени, обычно достаточного для устранения аварийного повреждения наружных теплопроводов. Система водяного отопления при независимой схеме служит дольше, чем с местной котельной, вследствие уменьшения коррозионной активности воды и зарастания труб и приборов.
Зависимая схема присоединения системы отопления к наружным теплопроводам со смешением воды проще по конструкции и в обслуживании. Стоимость ее ниже стоимости независимой схемы благодаря исключению таких элементов, как теплообменник, расширительный бак и подниточный насос, функции которых выполняются централизованно на тепловой станции. Эту схему выбирают, когда в системе требуется температуpa воды tr ti и допускается повышение гидростатического давления до давления, под которым находится вода в наружном обратном теплопроводе. Смешение обратной воды из системы отопления с высокотемпературной водой из наружного теплопровода осуществляют при помощи смесительного аппарата — смесительного насоса или водоструйного элеватора. Насосная смесительная установка системы отопления имеет преимущество перед элеваторной — ее кпд выше; в случае аварийного повреждения наружных теплопроводов возможно, как и при независимой схеме присоединения, сохранение циркуляции воды в системе отопления. Смесительный насос можно применять в системах со значительным гидравлическим сопротивлением, тогда как при использовании элеваторной смесительной установки потери давления в системе должны быть сравнительно небольшими. Недостаток зависимой схемы присоединения со смешением — незащищенность системы от повышения в ней гидростатического давления, непосредственно передающегося через обратный теплопровод, до значения, опасного для целости отопительных приборов и арматуры.
Прямоточная схема применяется, когда в систему допускается подача высокотемпературной воды (tr- ti) при значительном гидростатическом давлении или при прямой подаче низкотемпературной воды. Недостаток зависимой прямоточной схемы присоединения — невозможность местного регулирования температуры горячей воды (tr) и зависимость теплового режима здания от "обезличенной" температуры воды в наружном подающем теплопроводе. Высота зданий, в которых используют высокотемпературную воду, ограничена вследствие необходимости сохранить в системе гидростатическое давление, достаточно высокое для предотвращения вскипания воды. При централизованном теплоснабжении с применением независимой и зависимых схем присоединения в системе отопления циркулирует деаэрированная вода. Это не только упрощает удаление воздуха из системы (фактически воздушные скопления удаляют только в пусковой период после монтажа или ремонта), но и увеличивает срок ее службы.
Система водяного отопления при местном и централизованном теплоснабжении применяется с верхним и нижним расположением магистралей, с тупиковым и попутным движением воды в них, с последовательным и параллельным (по направлению движения воды) соединением отопительных приборов. При проектировании систем отопления конкретных зданий составляют схемы систем, различным образом сочетая в каждой из них магистрали, стояки и ветви с отопительными приборами. Устанавливается взаимное расположение теплообменников (котлов), циркуляционных насосов, теплопроводов, отопительных приборов и других элементов в зависимости от размещения их в здании, то есть закрепляется топология системы. Схемы системы отопления в 50-70-х годах XX века существенно видоизменялись, причем общим явлением в стране было вытеснение ранее широко распространенных двухтрубных систем вертикальных однотрубными. При использовании последних вместо двухтрубных появилась возможность уменьшить длину и массу труб, унифицировать отдельные узлы и детали, устранить замеры в натуре, механизировать процессы заготовки деталей, осуществлять предварительную сборку и комплектацию узлов, а в результате — сократить затраты труда и сроки монтажа систем. Потери давления в однотрубных стояках и ветвях значительно превышают потери в двухтрубных стояках, при этом устанавливается устойчивый гидравлический режим однотрубных систем: заданное распределение теплоносителя по отопительным приборам сохраняется в течение всего отопительного сезона, то есть однотрубные системы менее подвержены разрегулированию, чем двухтрубные. Поэтому у приборов можно устанавливать регулирующие краны, предназначенные только для эксплуатационной регулирования. При сдаче смонтированных однотрубных систем в эксплуатацию не проводят пусконаладочного регулирования теплоотдачи отопительных приборов, как это делают при двухтрубных системах.
В системах водяного отопления используются неоцинкованные (черные) стальные шовные (сварные) трубы: водогазопроводные диаметром до 50 мм (легкие и обыкновенные), электросварные диаметром как до 50 мм, так и большего диаметра. Водогазопроводные легкие трубы заменяются обыкновенными (с большей толщиной стенок) при скрытой их прокладке и в местах, где предусматриваются резьбовые соединения вместо сварных (в основном при применении муфтовой арматуры и соединительных частей). Оцинкованные водогазопроводные трубы устанавливаются только в воздушных и дренажных линиях. Трубы в системах водяного отопления прокладываются в основном открыто, что проще, дешевле и позволяет использовать их поверхность как нагревательную с соответствующим сокращением площади отопительных приборов. Применяются различные приборные узлы как с трубной регулирующей арматурой, так и без нее. При установке конвекторов с воздушным клапаном регулирующая арматура используется только в двухтрубных системах водяного отопления (для пусконаладочного регулирования).
Размещение стояков в вертикальной системе водяного отопления зависит от положения магистралей и подводок к отопительным приборам и неотделимо от выбора вида этой системы. Горизонтальные ветви устанавливаются на уровне греющих труб в конвекторах или под отопительными приборами без уклона теплопровода системы отопления, если обеспечивается скорость движения воды в них более 0,25 м/с. Размещение магистралей связано с назначением и шириной здания, видом принятой системы отопления, применением в ней компенсаторов теплопроводов. Магистрали в технических помещениях, на чердаках и в подвалах прокладываются с уклоном, вызывающим перемещение воздуха к воздухосборникам (верхние магистрали) и самотечный спуск воды из труб для ремонта системы (нижние магистрали). Для выпуска воздуха в атмосферу в повышенных местах системы водяного отопления устанавливаются воздушные краны. Теплопроводы систем водяного отопления покрывают тепловой изоляцией в местах, где возможны замерзание теплоносителя (близ наружных дверей, ворот и других открываемых зимой проемов), воспламенение и взрыв газов и пыли, ожоги, а также в неотапливаемых и искусственно охлаждаемых помещениях. Толщина слоя тепловой изоляции должна обеспечивать кпд, близкий к 0,8. Для устранения в рабочих помещениях шума и вибраций, вызываемых работающими насосами, их фундаменты не связываются наглухо со строительными конструкциями машинных помещений. Каждый насос отделяется от теплопроводов двумя гибкими виброизолирующими вставками, под его основание помещаются виброизолирующие амортизаторы. Теплопроводы в местах пересечения стен и перекрытий помещений снабжаются амортизирующими прокладками; зазоры между трубами, прокладками и строительными конструкциями заделываются негорючей упругой мастикой.
Тепловой и гидравлический расчеты системы отопления основываются на известной ее тепловой мощности, складывающейся из тепловых нагрузок отдельных отопительных приборов, полученных в результате расчета теплопотерь помещений. Исходя из нормативно установленного значения температуры теплоносителя, отнесенного к расчетной температуре отопительного сезона, определяют его расход и проводят тепловой и гидравлические расчеты системы, включая подбор оборудования (теплообменников, расширительного бака, циркуляционных насосов, регулирующих клапанов и т.п.).
Трубы систем водяного отопления соединяются сваркой, на фланцах и резьбе (при наружном диаметре до 60 мм). В качестве уплотнителя фланцевых соединений применяются термостойкая резина и паронит, для уплотнения резьбовых соединений — лента из фторопластового уплотнителя или асбестовая прядь вместе с льняной прядью, пропитанная графитом, замешанный на олифе. Смонтированные системы водяного отопления подвергаются гидростатическому испытанию путем заполнения водой под избыточным давлением, превышающим на 25% рабочее, но не менее 0,2 МПа в самой нижней точке системы. Система водяного отопления признается выдержавшей испытание, если в течение 5 минут при отсутствии утечки воды падение созданного в ней давления не превысит 0,02 МПа, а при последующем ее пуске под рабочим давлением утечек воды также не наблюдается. Для систем панельного водяного отопления, как и для теплообменников, устанавливаются более жесткие требования. Перед сдачей смонтированной системы водяного отопления в эксплуатацию проводится пусконаладочное (монтажное) ее регулирование. Перспективным направлением применения водяного отопления можно считать расширение области его использования при комбинированном отоплении как с различным режимом работы, так и в сочетании с другими видами отопления, для низко температурного отопления — с утилизацией природной и сбросной теплоты.