Теплоснабжение современных зданий осуществляется посредством комплекса санитарно-технических устройств.
Основной системой, обеспечивающей теплоснабжение зданий является система отопления. Однако современные ситемы вентиляции и кондиционирования также способны поддерживать необходимую температуру помещения и заданный температурно-влажностный режим.
В последнее время активно разрабатываются инновационные системы теплоснабжения, основанные на использовании энергии солнца, инфракрасного излучения и других энергосберегающих технологиях.
Основные составляющие традиционных систем отопления являются следующие:
· теплоисточник (генератор тепла) - элемент для получения теплоты;
· теплопроводы -элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;
· отопительные приборы - элемент для передачи теплоты в помещение.
Однако с некоторые современные системы отопления имеют специфические особенности строения и в их составе могут отсутствовать некоторые из вышеперечисленных элементов. Однако постоянным элементом во всех системах отопления является – теплогенератор (теплогенерирующие установки).
Теплогенерирующие установки или генераторы теплоты (теплогенераторы) являются основным оборудованием любой системы теплоснабжения.
Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего, видом используемого в нём топлива.
Традиционным видом топлива является твёрдое топливо (уголь, древесина и др.).
Наиболее доступным и дешёвым в настоящее время является природный газ. Газовые водогрейные котлы (рис….) оборудуются либо встроенной атмосферной горелкой (поступление воздуха для горения газа за счёт естественной тяги в дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание газовоздушной смеси).
По способу установки котлы бывают настенные и напольные.
Настенные котлы применяют для отопления небольших помещений, обычно до 200 кв. метров. Те и другие делятся на одно- и двухконтурные. Двухконтурный котёл одновременно обеспечивает отопление и горячую воду для бытовых нужд. Вода подогревается в бойлере или проточным способом, если потребности в ней невелики. Бойлер – это ёмкость для подогрева и хранения воды.
Он позволяет получить горячую воду в любой момент, однако занимает больше места и требует дополнительного расхода топлива для поддержания заданной температуры. Многие модели современных котлов имеют встроенный бойлер. Если предполагается значительный расход горячей воды (в доме несколько ванных комнат или душевых кабин) котёл можно доукомплектовать бойлером большего объёма. В этом случае сам котёл может быть одноконтурным. По способу удаления отработанных газов котлы бывают с естественной или принудительной тягой. В котлах с естественной тягой (или открытой камерой сгорания) воздух поступает непосредственно из помещения, а газы отходят в дымоход.
Если соорудить дымоход по каким-либо причинам невозможно, или котёл будет смонтирован в не предусмотренном для него месте, применяют котлы с закрытой камерой сгорания (с принудительной тягой). В конструкции такого котла имеется турбина (вентилятор), которая удаляет продукты горения из топки. В этом случае вместо большого традиционного дымохода устанавливают простой и недорогой коаксиальный дымоход – труба с вставленной в неё другой трубой меньшего диаметра.
Полученные таким способом два разделённых канала используются для подачи воздуха и для отвода газов. Котлы с закрытой камерой сгорания не сжигают кислород внутри помещения. Практически все современные котлы имеют регулируемую мощность горелки, позволяющую плавно менять температуру в зависимости от потребности, тем самым экономя топливо и продлевая ресурс теплообменника. Коэффициент полезного действия (КПД) газового котла превышает 90%.
При отсутствии газа в котлах используют жидкое топливо - дизельное топливо. Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость самой котельной за счёт появления в её схеме дополнительного оборудования (топливных баков, системы топливоподачи и т.д.), а также эксплуатационную стоимость вырабатываемой генератором теплоты.
Более простым по конструкции является электрический котёл. Он состоит из теплообменника со встроенными нагревательными элементами и устройства автоматики.
В качестве нагревательного элемента обычно применяются ТЭНы (трубчатые электронагреватели). Но известны также и электродные нагреватели.
В электродных котлах нагрев теплоносителя происходит за счёт его ионизации в замкнутой камере при прохождении через него электрического тока. Они значительно меньше по размеру и обладают всеми преимуществами электрических котлов. Однако для них целесообразно использовать специальный антифриз. Некоторые котлы имеют в составе циркуляционный насос, расширительный бачок и предохранительный клапан. Электрические котлы просты в монтаже и эксплуатации, не требуют отдельного помещения и дымохода. Работают бесшумно, экологичны и недороги. Основным их недостатком является высокий расход электроэнергии, для мощных моделей (более 10 кВт) необходима трёхфазная сеть 380 Вольт.
Электрические теплогенераторы не находят широкого применения в России, в основном, из-за высокого тарифа стоимости электроэнергии при её использовании на отопительные нужды, а также из-за часто ограниченного лимита расчётной электрической мощности, выделяемого индивидуальному застройщику. Подобные котлы с мощностью до 20…30 кВт чаще всего используются для отопления и горячего водоснабжения жилых или вспомогательных домов с небольшой площадью.
Инфракрасные плёночные нагреватели. У них в качестве нагревательного элемента используются тонкие графитовые плёнки. В настоящее время применяются в системах «тёплый пол».
Такой нагреватель представляет собой тонкий гибкий лист. Он может монтироваться непосредственно на деревянные поверхности. По разным оценкам, эффективность плёночного нагревателя до 15% выше чем у кабельного. Монтируется в основном на потолок и на стены. Это его основной режим работы, как лучевого источника тепла. Ввиду того, что его рабочая температура невысока, он пожаробезопасен и не сжигает кислород, но по стоимости дороже кабельного. При равных характеристиках с батарейной системой и электрокотлом, инфракрасные плёночные нагреватели дешевле в установке и более долговечны в эксплуатации. Однако, следует помнить, что на 1 кубический метр пространства помещения приходится ~5 Вт мощности такого нагревателя, чего может быть не достаточно для поддержания нужной температуры. Кроме плёночного нагревателя, к лучевым системам отопления относятся электрические инфракрасные нагреватели. Оборудованные рефлектором, такие приборы способны быстро прогреть находящиеся в помещении предметы. Даже находясь на улице в прохладную погоду, возле такого обогревателя будет тепло.
Но, из-за высокой температуры нагревательного элемента, такие аппараты сжигают кислород в помещении. Существует множество конструкций таких отопительных приборов: напольной, настенной и потолочной установки.
Теплогненераторы, работающие за счет энергии солнца-солнечный коллектор. В них процесс нагрева теплоносителя происходит за счет поглощения солнечного излучения. Мощность потока солнечного излучения, без учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 Ватт на квадратный метр. Однако в различных точках планеты интенсивность солнечного излучения будет разной, например в Европе, она может быть менее 100 Ватт на квадратный метр, поэтому возникает задача не только эффективно поглощать солнечную энергию, но и сохранять её. Удачным решением является конструкция солнечного вакуумного солнечного коллектора.
Это плоская панель со стеклянными трубками, внутри которых находятся медные трубки меньшего диаметра. Медные трубки покрыты специальной тёмной краской, выдерживающей высокую температуру (200 градусов по Цельсию и более) и способствующей лучшему поглощению солнечного излучения. По ним циркулирует теплоноситель. Внутри стеклянной трубки создают вакуум. Вакуум, не обладая теплопроводностью, препятствует конвективной передаче тепла от нагретой медной трубки в окружающее пространство. Такая конструкция работает как термос. Стеклянные трубки изготавливают из особо чистого и прозрачного стекла. У современных солнечных вакуумных коллекторов степень поглощения солнечной энергии достигает 98%. Срок службы более 15 лет. Летом они могут полностью обеспечить дом горячей водой. Способные работать зимой, такие устройства послужат весомым дополнением к основной системе отопления. В остальном такая система отопления (или горячего водоснабжения) по своей гидравлической схеме и работе автоматики похожа на батарейную.
Другой альтернативной системой отопления является применение теплового насоса. По сути, это холодильник с источником низкой температуры во внешней среде. Принцип работы основан на том, что хладагент испаряется в камере с низким давлением и температурой, а конденсируется в камере с высоким давлением и температурой. Таким образом осуществляется перенос тепла от холодного тела к нагретому за счёт работы теплового насоса. Без него такой процесс невозможен. Низкотемпературная камера охлаждается за счёт циркуляции незамерзающего теплоносителя в коллекторе, расположенном в грунте, в воде или на открытом пространстве. В камере с высоким давлением и температурой происходит передача тепла к теплоносителю системы отопления дома. Для работы такой системы нужна электроэнергия, питающая двигатель теплового насоса. При этом на каждый затраченный кВт электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2...4 кВт тепловой энергии. Залогом устойчивой работы такой системы отопления является постоянство температуры в коллекторе ("холодном теле"). Тепловые насосы позволяют значительно экономить электроэнергию или газ, однако требуют начальных вложений и трудозатрат в устройство коллектора. Например, если коллектор укладывать в грунте (на 0,5 метра ниже уровня промерзания), можно достичь тепловую мощность ~20 Вт на 1 метр трубопровода. Для скважин ~40 Вт, для коллектора, уложенного в воде ~30 Вт. Дополнительным преимуществом теплового насоса является возможность переключения с отопления зимой на охлаждение (кондиционирование) летом.
