Системы отопления и их возможности 

В. Д. Коркин, профессор Государственного института живописи, скульптуры и архитектуры им. И. Е. Репина, член президиума АВОК

Совсем недавно в США опубликован солидный труд по истории техники получения холода и теплоты - Heat & Cold [1]. Россия в нем упоминается только однажды, когда речь идет о типах отопительных печей, так или иначе распространенных в XYIII столетии. При этом, естественно, приоритет отдается Германии, Швеции, Голландии. И это при всем при том, что российские печники всегда славились изобретательностью и мастерством в конструировании и кладке печей, и именно в XYIII веке "Москва и Петербург становятся истинной школой для иностранцев в деле устроения дрова сберегающих отопительных печей".

В "Летописи" Российской академии наук за 1829 г. утверждается, что в "1736 г. начали строить в России кирпичные теперь употребляемые печи, изнутри топимые, которые под названием Русских распространились потом в Германии и Франции... Сии печи, в кои количество дров кладется вдруг, суть для северного климата самые лучшие" [2]. То же подтверждает и известный французский специалист того времени Жоли в своей книге "Трактат по отоплению и вентиляции" [3].

Иначе быть и не могло. Ведь отопительный период в большинстве регионов России составляет 7-8 месяцев, а зимние температуры наружного воздуха существенно ниже, нежели во многих странах Европы.

Заметим, что опыт российских специалистов в части проектирования, конструирования, методов и приемов монтажа отопительных систем всегда отличался передовыми идеями и конструкциями.

Первые примеры применения водяного пара для приготовления пищи и обогрева помещений в России приводятся в книге Н. А. Львова "Русская пиростатика", вышедшей в 1799 г. [4]. С начала XIX столетия пар находит все большее применение как для обогрева теплиц, так и отопления помещений.

Системы водяного отопления появляются в России в первой половине XIX столетия, и первая из них была сконструирована и реализована в 1834 г. горным инженером П.Г.Соболевским [5]. Система эта, в отличие от системы отопления высокого давления, предложенной в 1831 г. в Англии Перкенсом, была гравитационной.

Первая же установка централизованного нагревания воздуха в водо-воздушной системе отопления и вентиляции двух больших залов объемом более 3000 м³ была применена в здании Петербургской Академии художеств.

Размеры настоящей статьи не позволяют, к сожалению, подробно остановиться на исторических аспектах российской отопительной техники, но, что обязательно необходимо отметить, так это первую реализацию в России насосной системы водяного отопления. Автором проекта этой системы был Н. П. Мельников. Внедрена она была в 1909 г. в здании Михайловского театра в Петербурге. Схема этой системы с учетом интерьеров отапливаемых помещений - двухтрубная с нижней разводкой подающей и обратной магистралей.

Со времен Древнего Рима известна система радиационного обогревания бань - хьюпокауст (гипокауст). Она подробно описана у Витрувия, но редко находила использование в так называемых развитых странах по причинам как сложности устройства, так и понимания процессов, в ней происходящих. В России весьма квалифицированно системы лучистого отопления впервые были использованы в 1907 г. В. А. Яхимовичем в больнице железнодорожной станции Ртищево Саратовской губернии, а затем и в ряде других больничных, школьных и общественных зданий.

В советское время специалисты в области отопления проявили незаурядные качества в отношении соответствия систем типам, назначению и эксплуатационным режимам зданий и сооружений. Многие из них были учениками С. Б. Лукашевича, Н. П. Мельникова, Н. Н. Тетеревникова и др. и проявляли чудеса (и это очень хорошо) приспосабливаемости отопительного оборудования к условиям и практике, формировавшихся в результате любого технического направления, часто, к сожалению, связанного со сменой того или иного правительственного курса.

Если говорить о водяном отоплении, то его развитие и совершенствование всегда соответствовало тем или иным тенденциям строительного производства - от реконструкции существующих (часто старинных и незаурядных) зданий и сооружений до строительства новых, беспощадно ликвидирующих возможности любого отопительного ренессанса.

В 20-ые годы в отопительной практике наиболее распространенными были двухтрубные системы водяного отопления, во многом ориентированные на местные источники теплоты. Тогда системы централизованного теплоснабжения только формировались. В 1927 г. появилась первая установка совмещенной выработки теплоты и электрической энергии применительно к отоплению, так называемых "фонарных", бань в Ленинграде и снабжению электроэнергией близрасположенных зданий. Подобная установка в Москве была реализована в 1929 г. С тех пор определяющим направлением в обеспечении зданий и сооружений тепловой энергией стало централизованное теплоснабжение, и современные системы отопления зданий и сооружений, как правило водяные, в основном, ориентированы на получение теплоты от централизованных источников. На сегодня крупные города России обладают весьма развитыми системами централизованного теплоснабжения. В качестве теплоносителя, как правило, используется перегретая вода с параметрами 159-70 ^oС.

Наиболее распространенными в жилых и общественных зданиях являются системы водяного отопления. Схемы этих систем могут быть различными и во многом определяются конкретными условиями. Некоторые из них приведены на рис.1. Стояки в системах могут быть как однотрубными (см. рис.1), так и двухтрубными.

Надо отметить, что в нашей стране однотрубные системы отопления получили очень широкое распространение и стали основным типом отопительных систем в многоэтажных зданиях (особенно жилых).

Причин здесь несколько:

- более высокая, по сравнению с двухтрубными системами, гидравлическая и тепловая устойчивость;

- экономия металла при сравнительно невысокой цене на электрическую энергию (в недавнем прошлом), необходимую для циркуляции воды;

- простота монтажа и возможность унификации элементов систем;

- отсутствие индивидуального (поквартирного) учета расходования теплоты.

Первоначально однотрубные системы выполнялись только с верхней разводкой, причем разводящие трубопроводы горячей воды прокладывались, как правило, по чердакам зданий. Когда в массовом строительстве стали сооружаться бесчердачные кровли, ленинградскими специалистами (Д. В. Акопяном, И. Л. Ганесом, И. И. Каганом) были предложены и внедрены однотрубные системы с нижней разводкой (рис. 2). В таких системах стояки состоят из двух частей - восходящей и нисходящей (П-образные), к каждой из которых присоединяются нагревательные приборы. Воздух из системы выпускается через воздуховыпускные краны, установленные в пробках радиаторов или на подводках к приборам верхних этажей. Такая система получила название "ленинградской".

Унификация элементов однотрубных систем связана с принятием переменными перепадов температуры воды в стояках. Этот прием был еще в 1932 г. предложен А.И.Орловым, но широкое распространение получил в 50-60 годы благодаря работам Е. А. Белинкого [6]. Принцип этого расчета заключается в том, что перепады температуры и расходы теплоносителя в стояках не задаются заранее, а определяются гидравлическим расчетом из условия увязки перепадов давления во всех кольцах системы. При этом диаметры стояков принимаются, по-возможности, одинаковыми. Общий расход теплоносителя отвечает заданному перепаду температуры в системе.

Итак, ныне большинство жилых и общественных зданий в России оснащены водяными системами отопления, подавляющая часть которых - однотрубные.

С середины семидесятых годов в расчет отопительных систем, надо сказать, весьма трудоемкий, начинает внедряться вычислительная техника [7], и теперь даже трудно себе представить, как прежде обходились без компьютеров.

Когда речь идет об отоплении, как правило, подразумевается поддержание в помещениях, оснащенных отопительными системами, требуемого значения температуры воздуха. Довольно часто такое толкование отопления можно принять без дополнительных пояснений, хотя, как нам представляется, должно быть ближе определение, в котором температура воздуха t_в является только одним из параметров окружающей среды, характеризующих ее качество. Вторым параметром всегда выступает температура окружающих поверхностей t_r.

В принципе тепловой комфорт формируется не только этими двумя параметрами, но и рядом других факторов. Отопление, в известном смысле, отвечает за названные два параметра. Причем регулирование, то есть поддержание на требуемом уровне температуры t_r методами и средствами отопления возможно далеко не всегда. Чаще всего эта температура, особенно для жилых и общественных зданий, в которых отсутствуют развитые внутренние теплоотдающие поверхности, определяется теплотехническим расчетом ограждающих конструкций.

Известно, что в формулу для определения требуемого термического сопротивления ограждающих конструкций входит температура их внутренней поверхности, минимальное значение которой регламентируется нормами, исходя из гигиенических соображений. Однако, не следует думать, что принятое в расчете значение остается постоянным в течение отопительного периода. Оно переменчиво и определяется многими факторами, учет которых сделал бы задачу определения t_r трудноопределимой. Единственное, что может нас здесь утешить, это некоторая уверенность в том, что t_r не опустится ниже принятого значения в самые холодные дни года. Тут же заметим, что экономическая целесообразность при выборе и расчете ограждающих конструкций, принимаемая в отрыве от общей проблемы экономии тепловой энергии, привела к преобладанию в недавнем прошлом в массовом строительстве легких малоинерционных, зато относительно дешевых, ограждений, теплотехнические недостатки которых легли тяжелым бременем не только на тепловую мощность отопительных систем, но, что не менее важно, на методы и средства регулирования их теплопроизводительности.

После 1995 г. положение с выбором термического сопротивления ограждающих конструкций несколько улучшилось. Теперь его нормативная величина выросла примерно в два раза. Выросли и минимальные нормативные значения температуры внутренних поверхностей.

Выше нами довольно подробно рассмотрены системы водяного отопления. Теперь кратко остановимся на системах панельно-лучистого отопления. Панельными принято называть системы с регулируемой температурой внутренних поверхностей вертикальных ограждений. Лучистыми - системъ с греющими полом или потолком. Преимуществами этих систем являются:

- повышенный уровень комфорта в помещениях и более равномерное распределение температуры воздуха в объеме помещений (рис. 3);

- снижение металлоемкости систем;

- снижение расхода теплоты за счет более низких нормативных значений температуры внутреннего воздуха (на 2-3 ^oС ниже против принимаемой обычно);

- отсутствие трубопроводов и нагревательных приборов в помещениях;

- более широкие возможности в части перепланировки помещений.

В российской практике, однако, панельно-лучистые системы широкого распространения не получили. Причин здесь много, но выделим только две. Первая, на наш взгляд, связана, с одной стороны, с ограничением температуры греющей поверхности (пол - 24 ^oС, потолок - 30 ^oС, стены - 45-60 ^oС), а с другой - с невысокими значениями нормативного термического сопротивления ограждений. В таком случае размеры греющих поверхностей не всегда могли соответствовать компенсации тепловых потерь. Вторая причина - это невысокое качество трубопроводов и их соединений, выполняемых из материалов, разрешенных ранее к использованию в отопительных системах. Сегодня ограничения в части материалов отсутствуют, и, надо думать, область использования панельно-лучистого отопления расширится.

Системы парового и воздушного отопления не получили распространения в жилых и общественных зданиях, и мы на них останавливаться не будем.

В заключение кратко рассмотрим современные тенденции развития отопительных систем. Представляется, что, в первую очередь, это энергосбережение и индивидуальный учет расходования тепловой энергии. Первое направление связано с индивидуальным регулированием теплоотдачи нагревательных приборов и, таким образом, температуры воздуха в помещениях. Достигается такое регулирование установкой термостатов, конструктивное исполнение которых может быть различным, но всегда дающим возможность поддержания различного значения температуры воздуха в помещениях (ночной, дневной, дежурной и др.). Сюда же следует отнести и рекуперацию теплоты удаляемого воздуха, т.е. ее возврат в помещение. Для этих целей могут служить воздухо-воздушные теплообменники, в которых наружный воздух подогревается уходящим. Такие рекуператоры могут быть центральными или индивидуальными. При этом принятая у нас канальная, естественная, вытяжка должна быть заменена на принудительную приточно-вытяжную вентиляцию.

Индивидуальный (поквартирный) учет расхода теплоты ведет к преимущественному распространению двухтрубных, с поквартирным, присоединением систем с установкой счетчиков на вводе в каждую квартиру. В самой квартире система отопления может выполняться по любой схеме (вертикальной или горизонтальной, попутной или тупиковой, одно- или двухтрубной). Все зависит от конкретных условий: габаритов квартиры, ее этажности, размещения в объемно-планировочной структуре здания.

Литература

1. Barry Donaldson, Bernard Nagengast, Heat & Cold (Mastering the Great Indoor), Atlanta: ASHRAE, 1994.

2. "Летопись открытий и изобретений касательно домашнего и сельского хозяйства, искусства и сохранения здравия и жизни людей и животных", СПб: Имп. академия наук, 1829.

3. V.Ch.Joly, Traite pratique du chauffage, de la ventilation et des laux, Paris, 1869.

4. Н.А.Львов, Русская пиростатика, ч. II, СПб, 1799.

5. А.И.Орлов, Русская отопительно-вентиляционная техника, М.: Стройиздат, 1950.

6. Е.А.Белинкий, Расчет и эксплуатационный режим однотрубных систем водяного отопления, М.: Изд. МКХ РСФСР, 1952.

7. Э.Я.Гинцбург, Расчет отопительно-вентиляционных систем с помощью ЭВМ, М.: Стройиздат, 1979.

Тел. (812) 213-6232