Характеристика систем отопления. Тепловой режим отапливаемого здания. Теплообмен на нагретой и охлажденной поверхностях в помещении и на наружной поверхности ограждения здания.

Потребление энергии в нашей стране, как и во всем ми­ре, неуклонно возрастает и, прежде всего, для теплообеспечения зданий и сооружений. Известно, что на теплоснабже­ние гражданских и производственных зданий расходуется более одной трети всего добываемого органического топлива. Между тем добыча топлива обходится все дороже в связи с освоением глубоких месторождений в новых отдаленных районах. Поэтому при дальнейшем развитии народного хозяйства страны необходима экономия топлива.

Для экономии топлива, прежде всего, предусмотрено, как генеральное направление, дальнейшее развитие централи­зованного теплоснабжения на базе совместной выработки тепловой и электрической энергии (от ТЭЦ). В отдельных больших городах предусматривается централизованное теп­лоснабжение от атомных теплостанций (от ACT).

Основными среди теплозатрат на коммунально-бытовые нужды в зданиях (отопление, вентиляция, кондициониро­вание воздуха, горячее водоснабжение) являются затраты на отопление. Это объясняется условиями эксплуатации зданий в холодное время года на большей части территории страны, когда теплопотери через ограждающие конструкции зданий значительно превышают внутренние тепловыделе­ния. Приходится для поддержания необходимой темпера­туры внутреннего воздуха оборудовать здания отопитель­ными установками.

Следовательно, отоплениемназывается искусственное обогревание помещений здания с возмещением теплопотерь для поддержания в них температуры на заданном уровне, определяемом условиями теплового комфорта для находя­щихся людей и требованиями протекающего технологиче­ского процесса. Для этого предусматривают отопительную установку.

Отопление является отраслью строительной техники. Монтаж стационарной отопительной установки проводится в процессе возведения здания, ее элементы при проектиро­вании увязываются со строительными конструкциями и сочетаются с планировкой и интерьером помещений. Вме­сте с тем отопление — один из видов технологического оборудования зданий.

Функционирование отопления характеризуется опре­деленной периодичностью в течение года и изменчивостью использования мощности установки, зависящей, прежде всего, от метеорологических условий в холодное время года.

При понижении температуры наружного воздуха и уси­лении ветра должна увеличиваться, а при повышении тем­пературы наружного воздуха, воздействии солнечной ра­диации уменьшаться теплопередача от отопительных уста­новок в помещения, т. е. теплопередача от отопительных установок должна постоянно регулироваться. Изменение внешних воздействий сочетается с неравномерными теплопоступлениями от внутренних производственных и бытовых источников, что также вызывает необходимость регулиро­вания действия отопительных установок.

Для создания и поддержания теплового комфорта в по­мещениях зданий требуются технически совершенные и надежные отопительные установки. И чем суровее климат местности и выше требования к обеспечению благоприятных тепловых условий в здании, тем более мощными и гибкими должны быть эти установки.

Отопление зданий начинают при устойчивом (в течение 3 сут) понижении среднесуточной температуры наружного воздуха до 8 °С и ниже, заканчивают отопление при устойчи­вом повышении температуры наружного воздуха до 8 °С. Период отопления зданий в течение года называют отопи­тельным сезоном. Длительность отопительного сезона устанавливают па основании многолетних наблюдений как сред­нее число дней в году с устойчивой среднесуточной тем­пературой воздуха ≤8°С.

Суровость или мягкость зимы полнее выражается не дли­тельностью отопления зданий, а значением градусо-суток — произведением числа суток действия отопления на разность внутренней и наружной температуры, средней в течение этого периода времени. Состояние воздушной среды в помещениях в холодное время года определяется действием не только отопления, но и вентиляции. Отопление и вентиляция предназначены для поддержания в помещениях помимо необходимой тем­пературы определенных влажности, подвижности, давле­ния, газового состава и чистоты воздуха. Во многих про­изводственных и гражданских зданиях отопление и венти­ляция неотделимы, они совместно создают требуемые сани­тарно-гигиенические условия, что способствует снижению числа заболеваний людей, улучшению их самочувствия, повышению производительности труда и качества продук­ции.

В одно и то же время встречались технические устройст­ва отопления, стоящие и на самом низком и на достаточно высоком уровнях. Самый простой и древний способ отопле­ния путем сжигания топлива внутри помещения соседство­вал с центральными установками водяного и воздушного отопления. Так, в г. Эфесе, основанном в X в. до н. э. на территории современной Турции, для отопления уже в то время использовались системы трубок, в которые подава­лась горячая вода из закрытых котлов, находящихся в под­валах домов. Система воздушного отопления «Хюпокаустум» («снизу согретый»), созданная в Римской империи, подроб­но описана Витрувием (конец I в. до н. э.). Наружный воздух нагревался в подпольных каналах, предварительно прогретых горячими газами, и поступал в отапливаемые помещения. По такому же принципу обогревались помеще­ния замков в Германии в средние века.

В течение нескольких тысячелетий для отопления жи­лищ применялись глинобитные печи, топившиеся «по-черному» с отводом дыма в помещение и через него наружу. Во дворцах устраивалось центральное огневоздушное под­польное отопление, обнаруженное при раскопках на терри­тории Хакассии в Сибири, Древних Китая и Греции.

В России лишь в XV—XVI вв. печи в жилых помещени­ях были дополнены трубами и стали называться «белыми» или «русскими». Появилось воздушное отопление. Извест­но, что в XV в. такое отопление было устроено в Московском Кремле, а затем под названием «русская система» применялось в Германии и Австрии для отопления крупных зданий.

В XVIII в. в Англии и Франции были изобретены (хотя отдельные установки встречались и ранее) системы парового и водяного отопления. Они сначала применялись для отоп­ления оранжерей и теплиц, а потом с начала следующего столетия — и зданий. В России первая система парового отопления была осуществлена в Петербурге в 1816 г., водя­ного отопления — в 1834 г. (П. Г. Соболевский). В России паровое отопление высокого давления устраивалось исклю­чительно в производственных зданиях, что свидетельствует о понимании связанных с его применением недостатков. Позднее стали применять системы низкого давления. Водя­ное же отопление преимущественно распространялось в гражданском строительстве, в первую очередь — в боль­ницах.

Общие сведения об отоплении. Характеристика систем отопления

Отопление помещений может быть конвективным и лу­чистым.

К конвективномуотносят отопление, при котором тем­пература воздуха t_K поддерживается на более высоком уров­не, чем радиационная температура помещения t_R (t_K > t_R), понимая под радиационной усредненную температуру по­верхностей, обращенных в помещение, вычисленную отно­сительно человека, находящегося в середине помещения. Это широко распространенный способ отопления.

Лучистымсчитают отопление, при котором радиацион­ная температура помещения превышает температуру воз­духа ( t_R > t_K ), Лучистое отопление при несколько понижен­ной температуре воздуха (по сравнению с конвективным отоплением) более благоприятно для самочувствия людей в помещениях (например, до 18—20 °С вместо 20—22 °С в помещениях гражданских зданий).

Конвективное или лучистое отопление помещений осу­ществляется специальной технической установкой, назы­ваемой системой отопления. Система отопления— это со­вокупность конструктивных элементов со связями между ними, предназначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества теплоты в обогреваемые помеще­ния.

Основные конструктивные элементысистемы отопления (рис. 1.1):

1 —теплоисточник (теплообменник при централизованном теплоснабжении)—элемент для получения теплоты;

2—теплопроводы — элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;

3—отопительные приборы — элемент для теплопере­дачи в помещения.

Перенос по теплопроводам может осуществляться с по­мощью жидкой или газообразной рабочей среды. Жидкая (вода идругие жидкости) или газообразная (пар, воздух, газ) среда, перемещающаяся в системе отопления, назы­вается теплоносителем.

Система отопления для выполнения возложенной на нее задачи должна обладать определенной тепловой мощностью. Расчетная тепловая мощность системы выявляется в ре­зультате составления теплового баланса в обогреваемых помещениях при температуре наружного воздуха, называе­мой расчетной.

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

— санитарно-гигиенические — поддержание заданной температуры воздуха и внутренней поверхности огражде­ний во времени, в плане и по высоте помещений при до­пустимой подвижности воздуха; ограничение температуры поверхности отопительных приборов;

— экономические — невысокие капитальные вложе­ния с минимальным расходом металла; экономный расход тепловой энергии при эксплуатации;

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

— производственно-монтажные — минимальное число унифицированных узлов и деталей, механизация их изго­товления; сокращение трудовых затрат при монтаже;

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

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.