§ 10.7. Квартирная система воздушного отопления

Квартирным принято называть отопление группы помещений, предназначенных для проживания одной семьи и размещенных в индивидуальном жилом доме или, что реже, в отдельной квартире жилого многоквартирного дома. Квартирное воздушное отопление можно отнести к канальной системе местного воздушного отопления. Ее принципиальная схема близка к схеме, изображенной на рис. 10.1, в. Нагретый воздух подается в жилые комнаты, обеспечивая не только их отопление, но и, как правило, вентиляцию. Из жилых комнат воздух перетекает во вспомогательные помещения квартиры: в кухню, ванную и уборную, откуда он удаляется наружу с помощью системы вытяжной вентиляции. С це-лью экономии тепловой энергии в системе может использоваться частичная рециркуляция воздуха.

В качестве отопительно-вентиляционного агрегата квартирного воздушного отопления может быть использован подвесной (см. рис. 10.3, 5) или напольный (см. рис. 10.4) агре-гат. Подвесной агрегат можно разместить в подшивке под потолком коридора или любого другого вспомогательного помещения. Для размещения напольного агрегата потребуется выделение в квартире специального помещения.

Для транспортировки воздуха в квартире прокладываются воздуховод наружного воздуха с воздухозаборной решеткой, рециркуляционный и приточные воздуховоды с регулиру-ющим клапаном в каждой жилой комнате.

В жилые комнаты может подаваться только наружный воздух, воздух при частичной и полной рециркуляции (например, при отсутствии людей). При наличии хладоносителя данная система может также использоваться для летнего охлаждения воздуха комнат квартиры.

Часто, особенно для отопления малоэтажных зданий, применяют чисто рециркуляцион-ную квартирную систему воздушного отопления. Нагретый до 40...45 °С воздух выпуска-ется, как правило, в нижнюю зону комнат - на высоте 0,3...0,5 м от пола. Возможна также

308

подача воздуха, нагретого до более высокой температуры, на высоте 1,5 м от пола и под потолком помещений.

В рециркуляционной квартирной системе воздух может забираться из отапливаемых ком-нат, а также из прилегающих к комнатам коридоров. В первом случае обеспечивается бо-лее ровная температура помещений.

Преимуществами квартирного воздушного отопления являются независимое отопление отдельных квартир, малая тепловая инерция и простое регулирование.

К его недостаткам относится шум, возникающий при действии электровентилятора, осо-бенно ощутимый ночью, и необходимость разработки специальных мероприятий по зву-коизоляции.

§ 10.8. Рециркуляционные воздухонагреватели

Рециркуляционный воздухонагреватель с естественным движением воздуха - это отопительный прибор типа высокого конвектора, обогреваемый теплоносителем - водой (см. рис. 4.11). По способу отопления помещения, связанному с интенсивной циркуляцией воздуха при сосредоточенном его нагревании, рециркуляционный воздухонагреватель считают прибором местного водовоздушного отопления.

Рециркуляционные воздухонагреватели по тепловой мощности занимают промежуточное место между обычными отопительными приборами систем водяного и парового отопле-ния и отопительными агрегатами систем воздушного отопления. Их мощность составляет от 5 до 25 кВт. Применяют их для отопления отдельных помещений, не имеющих посто-янных рабочих мест у наружных ограждений и периодически используемых людьми, в первую очередь, для отопления лестничных клеток многоэтажных зданий.

В лестничной клетке, отапливаемой рециркуляционным воздухонагревателем, помещен-ным близ наружной входной двери (рис. 10.8, а) обеспечивается более ровная температура воздуха, чем при водяном отоплении приборами, расположенными на нескольких лест-ничных площадках. Этому способствует усиленное прогревание наружного воздуха, про-никающего через открываемую входную дверь.

Рис. 10.8. Применение рециркуляционного воздухонагревателя для отопления: а - лест-ничной клетки в многоэтажном здании; б - низкого помещения; в - высокого помещения

309

В общественных и вспомогательных помещениях (в вестибюлях, холлах, торговых залах, складах и т.п.), имеющих значительную площадь при ограниченной высоте и сообщаю-щихся с наружным воздухом, рециркуляционные воздухонагреватели устанавливают при входах (рис. 10.8, б). Они поддерживают равномерную температуру, вовлекая в циркуля-цию и нагревая как внутренний, так и холодный наружный воздух, поступающий в поме-щения.

Рециркуляционные воздухонагреватели применяют также для отопления помещений, окруженных по периметру постоянно отапливаемой частью здания и охлаждающихся в основном через покрытие (рис. 10.8, в). К таким помещениям относятся зрительные залы театров, концертные и другие залы, а также цехи.

Рециркуляционный воздухонагреватель состоит из двух элементов - нагревателя и канала. Нагреватель собирают из стандартных отопительных приборов - гладких или ребристых труб, радиаторов или калориферов. При равной площади, занимаемой в помещении, теп-ловая мощность рециркуляционных нагревателей с калориферами получается в несколько раз больше их тепловой мощности с другими нагревателями, что объясняется значитель-ной площадью теплоотдающей поверхности калориферов. Калориферы выбирают пла-стинчатого типа для уменьшения их аэродинамического сопротивления и многоходовые для увеличения скорости движения теплоносителя.

Канал высотой 1,5...3 м выполняют встроенным во внутреннюю стену (рис. 10.9, a), или приставным из неметаллических (рис. 10.9, б) и металлических (рис. 10.9, в) строительных материалов. Ширина канала равняется длине нагревателя, а его глубина определяется в зависимости от количества циркулирующего воздуха или ширины нагревателя (как на рис. 10.9,6).

Рис. 10.9. Конструкции рециркуляционных воздухонагревателей: а - со встроенным кана-

310

лом; б - приставной с каналом из строительных материалов; в - приставной металличе-ский; 1 - нагреватель; 2 - канал горячего воздуха; А_н - площадь нагревателя; А_к - площадь поперечного сечения канала

333

Достоинствами рециркуляционных воздухонагревателей являются:

• - создание сильного восходящего потока нагретого воздуха, вызывающего интен-сивную циркуляцию воздуха с выравниванием температуры по площади и высоте помещения;

• - простота устройства и эксплуатации, надежность действия без специального наблюдения;

• - пониженные стоимость (например, для отопления лестничной клетки в 1,5 раза по сравнению с радиаторным отоплением) и расход металла (в том же примере - по-чти в 2 раза) на отопительную установку;

• - количественное саморегулирование, характерное для системы отопления с есте-ственной циркуляцией воды (см. § 8.7).

Количественное саморегулирование в данном случае заключается в изменении количе-ства циркулирующего воздуха по мере изменения его температуры. Температура нагрето-го воздуха определяется температурой теплоносителя в нагревателе. Если этим теплоно-сителем является горячая вода, то изменение ее температуры (по графику регулирования в зависимости от температуры наружного воздуха) отражается в результате на интенсивно-сти циркуляции воздуха в помещении. При этом по мере изменения температуры наруж-ного воздуха усиливается теплопередача от теплоносителя к воздуху и возрастает крат-ность воздухообмена в помещении. Это ценное свойство улучшать прогревание помеще-ний при низкой температуре наружного воздуха отличает рециркуляционные воздухона-греватели от отопительных установок с искусственной циркуляцией воздуха.

Наряду с этими достоинствами, при отоплении рециркуляционными воздухонагревателя-ми возможно (если не проведены необходимые расчеты) перегревание верхней зоны и, как следствие, возрастание теплопотерь через покрытие помещения. В таком случае отме-чается пониженная температура воздуха в рабочей зоне помещения.

В качестве теплоносителя для рециркуляционных воздухонагревателей в первую очередь используется высокотемпературная вода. Увеличение разности температуры греющей во-ды и нагреваемого воздуха дает возможность сократить площадь поверхности нагревате-ля.

Рис. 10.10. Схемы присоединения воздухонагревателя к теплопроводам: а - последова-тельная схема; б - параллельная схема; 1 - воздухонагреватель; 2 - нормально закрытая за-

311

движка на обводной трубе; 3 - подающая магистраль основной системы отопления; 4 - ре-гулятор расхода воды

Нагреватели присоединяют к теплопроводам систем водяного отопления по различным схемам. Они могут быть присоединены как обычные отопительные приборы в пределах основной системы, но это приводит к значительному увеличению их площади вследствие уменьшения температуры теплоносителя. Поэтому, прежде всего, применяются другие схемы (рис. 10.10) соединения воздухонагревателей с системой отопления.

По первой из двух основных схем осуществляется последовательное соединение (пред-включение) воздухонагревателя с системой водяного отопления здания (рис. 10.10, а). Все количество высокотемпературной воды, необходимой для отопления здания, предвари-тельно пропускают через воздухонагреватель 1 (задвижка 2 нормально закрыта), и ее тем-пература понижается от t₁ до t₁'. Включение воздухонагревателя перед основной системой отопления позволяет максимально увеличить в нем температурный напор и скорость дви-жения воды, что способствует уменьшению его площади. Схему используют для присо-единения постоянно действующего нерегулируемого рециркуляционного воздухонагрева-теля.

Температура воды, выходящей из предвключенного нагревателя

где Q_{p в} - тепловая мощность рециркуляционного воздухонагревателя; G₁ - расход высоко-температурной воды на вводе в здание и в воздухонагревателе, определяемый по формуле

Q_c - тепловая мощность основной системы водяного отопления.

По второй из основных схем автоматически управляемый воздухонагреватель соединяют с системой водяного отопления здания параллельно (рис. 10.10, б). Регулирование и пол-ное выключение подачи воды в воздухонагреватель при этом не отражается на действии основной системы отопления, но площадь нагревателя возрастает вследствие понижения средней температуры и скорости движения воды. Расход греющей воды в таком воздухо-нагревателе определяется по формуле (4.3).

Теплоаэродинамический расчет рециркуляционного воздухонагревателя заключается в выборе размеров канала и площади нагревателя, достаточных для необходимой теплопе-редачи и создания усиленной циркуляции воздуха в помещении (не менее однократной по формуле (10.23)).

Зная тепловую нагрузку, расход и температуру греющей воды и задаваясь размерами ка-нала, можно найти температуру и скорость движения горячего воздуха в канале.

Температура горячего воздуха t_r, °C, в канале глубиной b при расчетной высоте h (см. рис. 10.9, б) определяется по формуле

скорость движения горячего воздуха v_г м/с,

312

где q₁ - тепловая мощность, кВт, приходящаяся на единицу длины нагревателя; β - коэф-фициент объемного расширения воздуха; Σξ - сумма коэффициентов местного сопротив-ления по пути движения воздуха в рециркуляционном воздухонагревателе.

В процессе конструирования рециркуляционного воздухонагревателя с выбором его раз-меров проводят аэродинамический расчет для уточнения расхода рециркулирующего воз-духа.

Аэродинамический расчет основан на равенстве естественного циркуляционного давле-ния, возникающего при нагревании воздуха, аэродинамическим потерям давления в ре-циркуляционном нагревателе

Равенство (10.29) аналогично выражению (7.5) для водяного отопления.

Естественное циркуляционное давление, создающее движение воздуха, находится в соот-ветствии с формулой (7.4)

Плотность воздуха в интервале температуры от 15 до 60 °С уменьшается в среднем на 0,0036 кг/м³ при увеличении температуры на 1 °С. Принимая это значение для расчета, с учетом формулы (10.1) получим

где G_от - расход рециркуляционного нагретого воздуха, кг/с, предназначенного для отоп-ления помещения.

Аэродинамические потери давления в рециркуляционном воздухонагревателе слагаются из потерь давления в канале и нагревателе:

Пренебрегая весьма малыми потерями давления, возникающими при трении о стенки ка-нала воздуха, движущегося с низкой массовой скоростью (v_c=l...l,5 кг/(с·м²)), найдем по-тери давления в канале

где А_к - площадь поперечного сечения канала, м².

Потери давления в нагревателе описываются зависимостью, устанавливаемой в результате обработки экспериментальных данных

313

где А_н - площадь живого сечения нагревателя по воздуху, м²; m, p - экспериментальные численные показатели.

Подставляя найденные выражения в равенство (10.29), получим уравнение для определе-ния расхода рециркуляционного нагретого воздуха

Последнее уравнение легко решается при р=2, в других случаях расход подбирается. Ре-шение уравнения (10.36) возможно также относительно высоты h, если задаться темпера-турой горячего воздуха и этим самым предопределить его расход.

Рассмотрим примеры расчета рециркуляционных воздухонагревателей для крупного по-мещения с нагревателем - калорифером и для лестничных клеток с нагревателем - ребри-стыми трубами.

Пример 10.8. Рассчитаем предвключенный рециркуляционный воздухонагреватель для поддержания в помещении объемом 630 м³ температуры t_B=18 °C, если тепловые мощно-сти нагревателя 15 кВт, основной системы отопления 225 кВт, расчетная температура теп-лоносителя воды t₁=150 °C, t₂=70 °C.

Расход греющей воды в воздухонагревателе находим по формуле (10.26)

Температуру воды, выходящей из воздухонагревателя, вычисляем по формуле (10.25)

Следовательно, средняя температура греющей воды в воздухонагревателе равняется

Задаемся температурой нагретого воздуха t_r=60 °C и массовой скоростью воздуха в канале vρ=l,2 кг/(с·м²). Тогда количество воздуха для отопления помещения по формуле (10.1) будет равно

Кратность воздухообмена в помещении при этом с учетом формул (10.3) и (10.23) соста-вит

т.е. является приемлемой для воздушного отопления.

Требуемая площадь поперечного сечения канала и живого сечения воздухонагревателя по воздуху при выбранной массовой скорости должна равняться

314

Выбираем по справочнику многоходовой пластинчатый калорифер типа КВС-П, имею-щий необходимую площадь живого сечения по воздуху А_н=0,3033 м², а именно калорифер КВС10-П площадью нагревательной поверхности 25,08 м² и длиной 1155 мм. Тогда глу-бина канала при его ширине 1155 мм (равной длине нагревателя) составит

Зная коэффициенты местного сопротивления при входе и выходе воздуха из канала (с по-воротом потока), составляющие ξ = 0,6 + 1,3 = 1,9, найдем потери давления в канале по формуле (10.33) при средней плотности воздуха ρ=1,13 кг/м³

Потери давления в воздухонагревателе вычислим по формуле вида (10.34), выбранной по справочнику для пластинчатого калорифера типа КВС-П

Правильность выбора площади нагревательной поверхности калорифера можно проверить по формуле (3.1).

Расчетную высоту канала (вертикальное расстояние между серединами калорифера и воз-духовыпускного отверстия) определим из формулы (10.31) при условии, выраженном ра-

венствами (10.29) и (10.32)

Температуру нагретого воздуха проверяем по формуле (10.27) при глубине канала b=0,26 м и расчетной высоте h=2,8 м, учитывая, что тепловая мощность нагревателя приходится на 1,155 м его длины

Температура получилась достаточно близкой к первоначально принятому значению t_г=60 °C. Сумма коэффициентов местного сопротивления рециркуляционного воздухонагрева-теля при расчете принята равной

Скорость движения нагретого воздуха в канале по формуле (10.28)

также близка к предварительно выбранной скорости. Следует отметить, что последние проверки (температуры и скорости) не являются обязательными.

338

315

Пример 10.9. Рассчитаем предвключенные рециркуляционные воздухонагреватели для отопления четырех лестничных клеток пятиэтажного жилого здания, если теплопотери здания, включая лестничные клетки, составляют 200 кВт, отдельно одной лестничной клетки 6,5 кВт, расчетная температура теплоносителя воды t₁=150 °C, t₂=70 °C, t_в=16 °C. Высота канала воздухонагревателя 1,5 м.

Рис. 10.11. Схема теплопроводов рециркуляционных воздухонагревателей для отопления лестничных клеток жилого здания с элеваторной системой водяного отопления (к приме-ру 10.9): 1 - 4 - рециркуляционные воздухонагреватели

Расход высокотемпературной воды на вводе в здание находим по формуле (10.26)

Выбираем попарно последовательное соединение теплопроводов воздухонагревателей по схеме, приведенной на рис. 10.11. Тогда температура воды, выходящей из воздухонагре-вателей 2 и 3, по формуле (10.25)

температура воды, выходящей из воздунагревателей 1 и 4

Принимаем в качестве нагревателей круглые ребристые трубы (наружный диаметр ребер 175 мм, диаметр канала для теплоносителя 70 мм) - см. рис. 4.7. Скорость движения воды в канале ребристых труб

Расчет проведем для воздухонагревателей 1 и 4 при пониженной температуре греющей воды. Задаваясь скоростью движения воздуха в живом сечении ребристой трубы v=l м/с, определяем по графику в специальной литературе [37, рис. 59] коэффициент теплопереда-чи k_пр=10,7 Вт/(м²·°С). Вычисляем требуемую площадь нагревательной поверхности реб-ристых труб

где Δt_cp находим по формуле (4.17) при t_cp.ад = 0,5(144,8 + 139,6) = 142,2 °С и t_cp,B3 = 0,5(50

+ 16) = 33 °С, принимая температуру нагретого воздуха t_r=50 °C.

316

Выбираем две ребристые трубы длиной по 1,5 м для установки в два яруса общей площа-дью 6 м². Получаем площадь живого сечения нагревателя по воздуху А_н=0,15 м², воздуш-ного канала А_к = 0,18-1,83 = 0,33 м² (ширина канала b = 0,175 + 0,005 = 0,18 м - см. рис.

10.9, б, длина 1,83 м с учетом калача).

Напишем, используя выражение (10.35), уравнение дня определения расхода циркулиру-ющего воздуха в воздухонагревателе с ребристыми трубами

где ξ_н - коэффициент местного сопротивления нагревателя, определяемый для ребристых труб в зависимости от числа ярусов п по эмпирической формуле

Подставляя в уравнение (10.36) значения ξ_к = 1 + 1,3 - 2,3 и ξ_р.т = 2,3-2 - 1,5 = 3,1, а также другие известные величины, найдем G_от=0,17 кг/с. Воздухообмен в лестничной клетке при этом получается близким к двухкратному.

Определим действительные значения скорости движения воздуха в живом сечении ребри-стой трубы

и температуры нагретого воздуха по формуле (10.4)

Фактическая тепловая мощность воздухонагревателей 1 и 4 при уточненном значении ко-эффициента теплопередачи k_пр=10,6 Вт/(м²·°С) составит

т.е. больше заданной на 5 %. Для воздухонагревателей 2 и 3 запас тепловой мощности увеличивается до 10 %.