Система отопления. 
Современные системы отопления в России

Общие характеристики

Отопление — это искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания заданного уровня температуры. Отапливают как жилые, так и нежилые помещения. Для первых важно создание теплового комфорта, необходимого для жизни людей. Для вторых имеет значение соответствие температуры воздуха в помещении его назначению. Например, в складских помещениях должны быть созданы такие условиях, которые бы обеспечили наилучшую сохранность находящихся в них вещей. Температура же воздуха в производственном цехе должна отвечать требованиям технологического процесса. отопление водогликолевый теплоснабжение энергосберегающий Применительно к жилым заданиям, речь идет в первую очередь об обогреве тех помещений, где жильцы собираются проводить большую часть времени на протяжении всего года или какой-то его части. То есть главная цель отопления — это создание комфортных условий проживания, которые зависят, во-первых, от температуры воздуха и, во-вторых, от характера распределения этой температуры внутри помещения. За поддержание температуры на должном уровне «отвечает» локальная система отопления. Однако не стоит забывать, что в создании микроклимата помещений участвует тепло, не только поставляемое по «жилам» (трубам или кабелям) отопительной системы, но также выделяемое человеческим организмом.

Первые отопительные устройства, вопреки тяжелым условиям жизни и благодаря изобретательности человека появились еще в древние времена, практически одновременно с возникновением первых жилищ в пещерах. Самым устаревшим видом искусственного обогрева было отопление путем сжигания топлива в очаге, возведенном непосредственно внутри пещеры. Очаг одновременно служил и для обогрева, и для приготовления пищи, и для нагрева воды, и даже в ритуальных целях. С тех пор было разработано множество конструкций очагов и печей, используемых в быту. Также были опробованы множество видов твердого топлива для обогрева жилища, к которым в 19 веке присоединились природный газ и продукты переработки нефти.

Наиболее распространенный в настоящий момент вид отопления на основе воды появился еще при рабовладельческом строе. Известно, что водяное отопление с успехом использовалось в Древнем Египте и послужило прототипом для создания знаменитых систем отопления в Римской империи и на территории современной Турции. Источником отопления в Древнем Египте служили городские бани: в полу банных помещений делались стоки для нагретой воды, уходящей в общий водосток города и обеспечивавшей египтян теплом. Отопительная система Древнего Египта — пример одной из первых центральных систем отопления. В 10 же веке до н, э. в городе Эфесе, расположенном на территории современной Турции, возникла система автономного водяного отопления, при которой жилые помещения отапливались посредством несложных трубопроводов и котлов, расположенных в подвалах каждого отдельного дома.

В настоящий момент различают централизованные и автономные (местные) системы отопления.

В системах централизованного отопления тепло вырабатывается за пределами отапливаемых зданий и затем поступает по длинным и разветвленным трубопроводам к целевым помещениям. Такой вид отопления характерен для городов, особенно отопления многоэтажных построек, нежилых помещений и промышленных предприятий.

В малоэтажных застройках и сельской местности централизованное отопление неприменимо из-за значительной удаленности потребителей от источника тепловой энергии. Поэтому здесь чаще всего используют системы автономного отопления, для которых характерно расположение генератора тепла в отапливаемом здании. В условиях местного отопления генератор тепла используется для обогрева одного здания и нередко представляет собой многофункциональное устройство, предназначенное не только для обогрева помещения, но также для нагрева воды.

На территории России водяное отопление — самый распространенный вид централизованного и автономного отопления. Собственно говоря, называть данный вид отопления «водяным» не совсем корректно, так как в качестве теплоносителя может быть использована не только вода, но и любая другая теплоемкая жидкость, отвечающая необходимым физико-техническим требованиям. Правильнее такое отопление назвать «традиционным», тем более что этот термин существует, и обусловлен он именно широтой распространения водяных отопительных систем.

В традиционной системе отопления нагретый до необходимой температуры жидкий теплоноситель, которым чаще всего является аэрированная вода, проходя по системе трубопроводов и отопительных приборов, отдает свое тепло воздуху в отапливаемом помещении. Причина популярности традиционного отопления объясняется совокупностью целого ряда достоинств:

• — дешевизна и экономичный расход материалов — для водяного теплопровода требуются трубы меньшего диаметра, чем для воздушного;
• — высокая теплоемкость теплоносителя — единица объема воды содержит большее количество тепла по сравнению с иными видами теплоносителей (например, теплоемкость воды в 4000 раз больше теплоемкости воздуха, нагретого до той же температуры);
• — создание комфортного температурного режима.

В последние годы, когда с наступлением холодов все мы становимся свидетелями, а то и участниками, многочисленных человеческих трагедий, причина которых — в неспособности системы централизованного отопления обеспечить людей необходимым теплом, вопрос об автономном отоплении становится неожиданно актуальным (даже в городских условиях). Годовая потребность в теплоте города Воронежа составляет более 6670 тыс. Гкал. И постоянно растет (см. таблицу 1.1.1).

Таблица 1.1.1 — Тепловые нагрузки города Воронеж за период 2003 — 2008 г.

Бюджетные средства, выделяемые на отопление, мягко говоря, недостаточны. Теплосети пребывают в плачевном состоянии (таблица 1.1.2). Потери полезного тепла достигают порядка 30% (для сравнения: на «благополучном Западе» эта цифра составляет всего 2%!).

Таблица 1.1.2 — Мероприятия по эксплуатации тепловых сетей г. Воронежа выполненные в 2006 — 2008 г.

Все это указывает на серьезный кризис централизованного отопления, выход из которого — в создании многочисленных независимых друг от друга систем отопления. Тем более, что этому способствует развивающееся бурными темпами коттеджное и малоэтажное строительство.

Однако, в отличие от прочих видов искусственного обогрева зданий, традиционное отопление трудоемко в установке и последующей эксплуатации. Во-первых, создание водяного трубопровода возможно только во время возведения или капитального ремонта здания, так как требует большого количества строительных работ. Во-вторых, бесперебойную работу отопительной системы обеспечивает беспрерывный нагрев теплоносителя, а это значит, что нужно постоянно следить за работой генератора тепла. В-третьих, дополнительные неудобства ожидают тех, кто покидает свои загородные дома на продолжительное время, особенно в холодное время года. Перед долгосрочным отбытием всю воду из системы отопления необходимо слить. В противном случае при отрицательных температурах вода замерзнет, что приведет к разрыву трубопровода. С другой стороны, отсутствие воды в системе традиционного отопления приводит к интенсивному развитию коррозионных процессов в трубопроводах, заполненных воздухом.

В условиях прямого электрического отопления, помещения обогревают без участия теплоносителя; электрическая энергия преобразуется непосредственно в тепловую.

Прямое электрическое отопление — наиболее перспективный в России, и самый популярный в Европе вид отопления. На данный момент прямое электрическое отопление на территории России заметно уступает традиционному и воздушному (главным образом, печному) отоплению. И тому есть весомые причины: сравнительная дороговизна электроэнергии и постоянные перебои с ее подачей, делающие использование электричества, как единственного источника тепла, неэффективным.

Действительно, на первый взгляд, кажется, что использование электрических отопительных систем требует больших финансовых затрат. Однако при более тщательном подсчете вырисовывается несколько иная картина, о которой более подробно пойдет речь ниже. Кроме того, прямое электрическое отопление имеет много существенных достоинств, среди которых:

• — легкость и удобство эксплуатации системы,
• — эффективная возможность регулирования подачи тепла,
• — небольшие габаритные размеры отопительных приборов, которые к тому же не требуют особого ухода,
• — высокая гигиеничность и экологические достоинства электрических обогревателей,
• — бесшумность отопительной системы, так как для ее работы не нужны циркуляционные насосы.

Следует обратить особое внимание на экологическую сторону использования прямого электрического отопления. Все виды топлива, за исключением электричества, в большей или меньшей степени загрязняют окружающую среду: при сжигании природного газа образуется жидкий конденсат, при сгорании дизельного топлива — целый букет летучих ядовитых веществ, а о вреде использования твердого топлива пишут целые трактаты. Особую проблему составляют утечки газа и жидкого топлива в неисправных отопительных системах, которые не только загрязняют окружающую среду, но и становятся серьезной угрозой для жизни обитателей дома. Все это незнакомо для тех жителей, чьи дома оборудованы прямыми электрическими системами отопления. В крайнем случае, их устаревшие электрообогреватели будут «сжигать» кислород.

В качестве теплоносителя в печной (воздушной) системе отопления выступает нагретый воздух (рисунок 1.1.1), который по трубам поступает в отапливаемые помещения. Данный вид отопления предполагает установку калориферов-теплообменников или возведение печей, в которых происходит нагрев окружающего воздуха. Нагретая изнутри поверхность теплогенератора, отдавая тепло воздуху, охлаждается снаружи. Поэтому теплоотдача прибора напрямую зависит от площади его нагревательной поверхности. Отопительные приборы могут работать от электросети или на топливе и не предполагают устройство канализации теплоносителя.

Рисунок 1.1.1 — Принцип печного отопления.

Современная отечественная и зарубежная промышленность выпускает теплогенераторы как с естественной, так и с принудительной тягой воздуха. В калориферах и печах с естественной тягой нагретого воздуха существует опасность перегрева разделяющей стенки теплообменника. Дабы избежать этого, лучше приобретать теплогенераторы с принудительной тягой воздуха, которые комплектуют вентилятором, стимулирующим движение воздушных потоков. Только тут возникает сразу две проблемы. Во-первых, купить теплообменники с принудительной тягой воздуха трудно, так как их выпускают в ограниченном количестве. Во-вторых, вентилятор имеет немалые размеры, да и шума от него будет предостаточно.

Сам по себе нагретый воздух (или газ) имеет ряд преимуществ перед прочими видами теплоносителей, как-то быстрота нагрева и его большая подвижность. Будучи нагретым, он приобретает меньший удельный вес и, расширяясь, легко перемещается вверх по каналам. Отдав часть своего тепла помещению и охладившись, он становится тяжелее и устремляется по обратным каналам вниз.

Тем не менее, некогда популярное в сельской местности, воздушное отопление все реже и реже используют для обогрева помещений, постепенно вытесняя прямым электрическим и традиционным отоплением. Это объясняется рядом недостатков, неизбежных спутников системы воздушного отопления:

• — громоздкими размерами теплогенератора (печи, камина и пр.);
• — низким коэффициентом теплоотдачи воздуха — нагревающая способность воздуха в десятки раз меньше, чем у воды, а это означает, что для обогрева помещения потребуется в несколько раз больше нагретого воздуха, чем воды;
• — трудностями в распределении нагретого воздуха по отапливаемым помещениям из-за незначительной величины возникающего напора воздуха;
• — низкими экологическими качествами;
• — дороговизной системы — раньше-то печи возводили своими руками, а теперь этого делать практически не умеют, да и нет в этом необходимости, так как при наличии денег генератор тепла можно купить.

Газовые отопительные системы активно применяются в обустройстве отопления зданий и сооружений, вблизи которых проложена газовая магистраль. Если подведены газовые коммуникации, то монтажные организации в большинстве случаев предложат использовать именно газовую систему отопления, поскольку она обладает определенными достоинствами.

Преимущества газовых систем отопления:

• — газ — самое дешевое топливо;
• — нет нужды в постоянном контроле над пламенем, так как газ подается беспрерывно. Если пламя по какой-то причине погаснет, датчик мгновенно известит систему электрического розжига, и горелка вновь зажжется.
• — КПД газовых отопительных систем очень высок, учитывая низкую стоимость топливного сырья;
• — газовые отопительные приборы позволяют отопить большие по площади помещения.

Недостатки газовых систем отопления:

• — для установки газового котельного оборудования необходимо согласование со службой Потребнадзора РФ. Для успешного результата согласования необходимо предоставление проекта котельной с фирмой осуществляющей пуско-наладочные работы и сервисное обслуживание, копии разрешения на проектные и монтажные работы выбранной организации, а также заключение трехстороннего договора об обязанностях и ответственности по оборудованию;
• — при решении о применении газового оборудования для отопления необходимо предусмотреть наличие дымохода, через который будут отводиться отработанные газы. Установка газовой котельной должна производиться в отдельном помещении с отдельным выходом на улицу и хорошим снабжением воздухом. Особенно это актуально при использовании оборудования с атмосферной горелкой;
• — понижение давления газа и износ горелки может стать причиной того, что отопительное оборудование начнет коптить, а его КПД значительно снизится;
• — в атмосферной горелке пламя открыто, что для некоторых людей является сдерживающим фактором из-за отсутствия должной безопасности;
• — необходимо применять газовое оборудование, адаптированное под российские условия. Давление газа может значительно изменяться. Достигнув определенного минимума, горелка неадаптированного импортного котла может начать сжигать себя, что станет причиной поломки газового котельного оборудования;
• — нужен монтаж автоматики, которая будет следить за утечками газа.

При отоплении жилых помещений главным является обеспечение максимального комфорта для жизни людей. Несоблюдение этого требования не может быть компенсировано даже дешевизной тепловой энергии. Основных критериев комфортности отопления два: характер циркуляции воздуха в помещении и температурный градиент (показатель приращения температуры в помещении на единицу высоты), который определяется выражением (1.1.1).

(1.1.1).

где М — молекулярная масса газа;

g — ускорение свободного падения;

Z — высота, отсчитываемая от нижней точки;

C_p — мольная изобарная теплоемкость газа;

T_z — температурное поле, вызванное сжатием нижних слоев газа весом верхних слоев в столбе газа.

Формула (1.1.1) дает температурный градиент для тропосферы Земли: минус 9,72 К/км. Наиболее благоприятной в помещениях считается температура воздуха 18 — 20? С, при этом важна равномерность распределения температур в помещении в горизонтальном и вертикальном направлениях. Чем ниже температурный градиент отопления, тем комфортнее находящимся в помещении людям. Иными словами, чем меньше разница температур у пола и под потолком, тем лучше микроклимат: И снова наименьшим температурным градиентом характеризуются лучистые отопительные приборы, обеспечивающие равномерный нагрев воздуха в помещении.

Таким образом, с точки зрения комфортных условий проживания, лучшим оказывается лучистое отопление.

Говоря о комфорте, не стоит забывать и о возможности регулирования температуры в отапливаемых помещениях. В условиях прямого электрического отопления температура воздуха в помещении в большей степени поддается контролю, нежели при прочих видах отопления. Кроме того, температура в одном помещении никак не зависит от температуры в другом помещении. В условиях же традиционного отопления регулировка температуры в одном помещении немедленно ведет за собой понижение или повышение температуры в других помещениях.

Важным критерием выбора отопительной системы является суммарная стоимость, которая складывается из следующих составляющих:

• — стоимости топлива;
• — стоимости отопительного оборудования;
• — стоимости труб, соединительных деталей и запорно-регулирующей арматуры;
• — стоимости монтажных работ;
• — стоимости ремонтно-профилактических работ.

Начнем с топлива. Источников тепловой энергии может быть четыре: газ, жидкое топливо, твердое топливо (уголь, древесина) и электричество. Самый дешевый вид топлива — природный газ; самый дорогой — дизельное топливо (таблица 1.1.3).

Таблица 1.1.3 — Сравнение систем отопления хорошо утепленного здания общей площадью 200 м² в ценах 2012 года.

Выбирая традиционную систему отопления, работающую на жидком топливе, необходимо оплачивать не только за само топливо, но также за его транспортировку, хранение (для этого необходимо оборудовать специальное помещение), создание подъездных путей для топливозаправщика и пр. Твердое топливо стоит дешевле, чем жидкое, но хлопот с ним не меньше, как и финансовых затрат. Электричество для освещения подводят бесплатно, однако для отопительных нужд потребуется доплата, которая будет больше стоимости газа, но меньше суммарных расходов на жидкое топливо.

Помимо сервисных услуг придется платить и за профилактические работы, так как со временем отопительное оборудование изнашивается, и эффективность отопительной системы снижается. Особенно негативно сказывается на работе системы отопления пониженное давление газа в российских магистралях. Это означает, что система традиционного отопления на основе газа быстрее выходит из строя и требует больше внимания, а значит, и денежных расходов. Некачественное жидкое топливо быстро приводит к износу топливного насоса, засорению форсунок, образованию кислотных и сернистых компонентов. Колебания напряжения и частоты в электрической сети и длительная работа на пониженном напряжении выводят из строя автоматику прямой электрической системы отопления.

Немалые средства потребует ремонт и замена отдельных узлов отопительной системы. При традиционном отоплении нередки аварийные протечки, взрывы котельного оборудования и другие «неприятности», которые в своем худшем варианте требуют не только замены испорченных приборов, но и серьезных демонтажных работ. Если же система была заполнена антифризом, то потребуются дополнительные затраты на восстановление или замену мебели и строительных конструкций, испорченных вытекшим теплоносителем. Вообще, сбои в работе традиционной системы отопления: могут привести к большим материальным затратам; так как выходит из строя вся система. При поломке же отдельного электрического обогревателя его просто отключают от сети и заменяют новым. Сложнее обстоят дела с повреждением электрических кабелей, но в данном случае все зависит от того, насколько грамотно они были проложены и соблюдаются ли требуемые условиях их эксплуатации.

Сравнение затрат на установку опопительной системы и эксплуатационные расходы на ее содержание приведены на рисунке 1.1.2, там же приведены суммарные эксплуатационные расходы на 10 лет с учётом 7 месячного отопительного сезона, при мощности отопительного прибора 20 кВт.

Рисунок 1.1.2 — Сравнение систем отопления.