Что залить в систему отопления частного дома

Теплоносители в системах отопления

Движущаяся среда в системе отопления — теплоноситель — аккумулирует теплоту и затем передает ее в обогреваемые помещения. Теплоносителем для отопления может быть подвижная, жидкая или газообразная среда, соответствующая требованиям, предъявляемым к системе отопления.

Для отопления зданий и сооружений в настоящее время преимущественно используют воду или атмосферный воздух, реже водяной пар или нагретые газы.

Сопоставим характерные свойства указанных видов теплоносителя при использовании их в системах отопления.

Газы, образующиеся при сжигании твердого, жидкого или газообразного органического топлива, имеют сравнительно высокую температуру и применимы в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности отопительных приборов. При транспортировании горячих газов имеют место значительные попутные теплопотери, обычно бесполезные для обогревания помещения.

Высокотемпературные продукты сгорания топлива могут выпускаться непосредственно в помещения или сооружения, но при этом ухудшается состояние их воздушной среды, что в большинстве случаев недопустимо. Удаление же продуктов сгорания наружу по каналам усложняет конструкцию и понижает КПД отопительной установки. При этом возникает необходимость решения экологических проблем, связанных с возможным загрязнением атмосферного воздуха продуктами сгорания вблизи отапливаемых объектов.

Область использования горячих газов ограничена отопительными печами, газовыми калориферами и другими подобными местными отопительными установками.

В отличие от горячих газов вода, воздух и пар используются многократно в режиме циркуляции и без загрязнения окружающей здание среды.

Вода представляет собой жидкую, практически несжимаемую среду со значительной плотностью и теплоемкостью. Вода изменяет плотность, объем и вязкость в зависимости от температуры, а температуру кипения — в зависимости от давления, способна сорбировать или выделять растворимые в ней газы при изменении температуры и давления.

Пар является легкоподвижной средой со сравнительно малой плотностью. Температура и плотность пара зависят от давления. Пар значительно изменяет объем и энтальпию при фазовом превращении.

Воздух также является легкоподвижной средой со сравнительно малыми вязкостью, плотностью и теплоемкостью, изменяющей плотность и объем в зависимости от температуры.

Сравним эти три теплоносителя по показателям, важным для выполнения требований, предъявляемых к системе отопления.

Одним из санитарно-гигиенических требований является поддержание в помещениях равномерной температуры. По этому показателю преимущество перед другими теплоносителями имеет воздух. При использовании нагретого воздуха — теплоносителя с низкой теплоинерцион- ностью — можно постоянно поддерживать равномерной температуру каждого отдельного помещения, быстро изменяя температуру подаваемого воздуха, т. е. проводя так называемое эксплуатационное регулирование. При этом одновременно с отоплением можно обеспечить вентиляцию помещений.

Применение в системах отопления горячей воды также позволяет поддерживать равномерную температуру помещений, что достигается регулированием температуры, подаваемой в отопительные приборы воды. При таком регулировании температура помещений все же может несколько отклоняться от заданной (на 1-2 °С) вследствие тепловой инерции масс воды, труб и приборов.

При использовании пара температура помещений неравномерна, что противоречит гигиеническим требованиям. Неравномерность температуры возникает из-за несоответствия теплопередачи приборов при неизменной температуре пара (при постоянном давлении) изменяющимся теплопотерям помещения в течение отопительного сезона. В связи с этим приходится уменьшать количество подаваемого в приборы пара и даже периодически отключать их во избежание перегревания помещений при уменьшении их теплопотерь.

Другое санитарно-гигиеническое требование — ограничение температуры наружной поверхности отопительных приборов — вызвано явлением разложения и сухой возгонки органической пыли на нагретой поверхности, сопровождающимся выделением вредных веществ, в частности окиси углерода. Разложение пыли начинается при температуре 65-70 °С и интенсивно протекает на поверхности, имеющей температуру более 80 °С.

При использовании пара в качестве теплоносителя температура поверхности большинства отопительных приборов и труб постоянна и близка или выше 100 °С, т. е. превышает гигиенический предел. При отоплении горячей водой средняя температура нагретых поверхностей, как правило, ниже, чем при применении пара. Кроме того, температуру воды в системе отопления понижают для снижения теплопередачи приборов при уменьшении теплопотерь помещений. Поэтому при теплоносителе воде средняя температура поверхности приборов в течение отопительного сезона практически не превышает гигиенического предела.

Важным экономическим показателем при применении различных теплоносителей является расход металла на теплопроводы и отопительные приборы.

Расход металла на теплопроводы возрастает с увеличением их поперечного сечения. Вычислим соотношение площади поперечного сечения теплопроводов, по которым подаются различные теплоносители для передачи в помещение одинакового количества теплоты. Примем, что для отопления используется вода, температура которой понижается с 150 до 70 °С, пар избыточным давлением 0,17 МПа (температура 130 °С) и воздух, охлаждающийся с 60 °С до температуры помещения (например, 15 °С). Результаты расчетов, а также характерные параметры теплоносителей (плотность, теплоемкость, удельная теплота конденсации пара) сведем в таблице.

Параметры	Теплоноситель
вода	пар	воздух
Температура, разность температуры, °С	150-71=80		60-15=45
Плотность, кг/		1,5	1,03
Удельная массовая теплоемкость, кДж/(кг*°С)	4,31	1,83	1,0
Удельная теплота конденсации, кДж/кг
Количество теплоты для отопле в объеме 1 теплоносителя, кДж			46,4
Скорость движения, м/с	1,5
Соотношение площади поперечного сечения теплопроводов		1,8

Видно, что площади поперечного сечения водоводов и паропроводов относительно близки, а сечение воздуховодов в сотни раз больше. Это объясняется, с одной стороны, значительной теплоаккумуляционной способностью воды и свойством пара выделять большое количество теплоты при конденсации, с другой стороны — малыми плотностью и теплоемкостью воздуха.

При сравнении расхода металла следует также учесть, что площадь поперечного сечения труб для отвода конденсата от приборов в паровой системе — конденсатопроводов значительно меньше площади сечения паропроводов, так как объем конденсата примерно в 1000 раз меньше объема той же массы пара.

Можно сделать вывод, что расход металла как на водоводы, так и на паро и конденсатопроводы будет значительно меньшим, чем на воздуховоды, даже если последние выполнить со значительно более тонкими стенками. Кроме того, при большой длине металлических воздуховодов малотеплоемкий теплоноситель (воздух) сильно охлаждается по пути движения. Этим объясняется, что при дальнем теплоснабжении в качестве теплоносителя используют не воздух, а воду или пар.

Расход металла на отопительные приборы, обогреваемые паром, меньше, чем на приборы, нагреваемые горячей водой, вследствие уменьшения площади приборов при более высоких значениях температуры нагревающей их среды. Конденсация пара в приборах происходит без изменения температуры насыщенного пара, а при охлаждении воды в приборах понижается средняя температура (например, до 110 °С при температуре воды, входящей в прибор, 150 °С и выходящей из прибора 70 °С). Так как площадь нагревательной поверхности приборов обратно пропорциональна температурному напору (разности между средней температурой поверхности прибора и температурой окружающего его воздуха), то при температуре пара 130 °С (см. табл. 1.1) площадь паровых приборов приблизительно (считая коэффициенты теплопередачи приборов равными и принимая температуру помещения — 20 °С) составит (110 — 20) / (130 — 20) = 0,82 площади водяных приборов.

В дополнение к известным эксплуатационным показателям следует отметить, что из-за высокой плотности воды (больше плотности пара в 600- 1500 раз и воздуха в 900 раз) в системах водяного отопления многоэтажных зданий может возникать разрушающее гидростатическое давление. В связи с этим в высотных зданиях в США применялись системы парового отопления.

Воздух и вода до определенной скорости движения могут перемещаться в теплопроводах бесшумно. Частичная конденсация пара вследствие попутных теплопотерь через стенки паропроводов и появления попутного конденсата вызывает шум (щелчки, стуки и удары) при движении пара.

В суровых условиях российской зимы в некоторых случаях рекоменуется использовать в системе отопления специальный незамерзающий теплоноситель — антифриз. Антифризами являются водные растворы эти- ленгликоля, пропиленгликоля и других гликолей, а также растворы некоторых неорганических солей. Любой антифриз является достаточно токсичным веществом, требующим особого с ним обращения. Его использование в системе отопления может привести к некоторым негативным последствиям (ускорение коррозионных процессов, снижение теплообмена, изменение гидравлических характеристик, завоздушивание и др.). В связи с этим, применение антифриза в качестве теплоносителя в каждом конкретном случае должно быть достаточно обоснованным.

В заключение перечислим преимущества и недостатки основных теплоносителей для отопления.

При использовании воды обеспечивается достаточно равномерная температура помещений, можно ограничить температуру поверхности отопительных приборов, сокращается по сравнению с другими теплоносителями площадь поперечного сечения труб, достигается бесшумность движения в теплопроводах. Недостатками применения воды являются значительный расход металла и большое гидростатическое давление в системах. Тепловая инерция воды замедляет регулирование теплопередачи приборов.

При использовании пара сравнительно сокращается расход металла за счет уменьшения площади приборов и поперечного сечения конденсато- проводов, достигается быстрое прогревание приборов и отапливаемых помещений. Гидростатическое давление пара в вертикальных трубах по сравнению с водой минимально. Однако пар как теплоноситель не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям, его температура высока и постоянна при данном давлении, что затрудняет регулирование теплопередачи приборов, движение его в трубах сопровождается шумом.

При использовании воздуха можно обеспечить быстрое изменение или равномерность температуры помещений, избежать установки отопительных приборов, совмещать отопление с вентиляцией помещений, достигать бесшумности его движения в воздуховодах и каналах. Недостатками являются его малая теплоаккумулирующая способность, значительные площадь поперечного сечения и расход металла на воздуховоды, относительно большое понижение температуры по их длине.

Как выбрать теплоноситель для систем отопления

На сегодняшний день бурными темпами развивается такая отрасль науки, как коммунальная гигиена. Особое место в этом разделе имеет обеспечение населения всеми современными системами коммуникаций, в том числе рациональным отоплением. Перед тем как пользоваться отопительной системой, необходимо тщательно выбирать теплоноситель, ведь от этого во многом будет зависеть эффективность обогрева дома или квартиры, долговечность труб и уют в доме.

Общая схема отопления дома.

Разводка отопления — важная часть строительства любого частного дома. Теплоноситель для системы отопления — это газообразная или жидкая среда, способная передвигаться по трубопроводам. Она выполняет функцию теплообмена, таким образом поддерживая оптимальные микроклиматические условия в помещении.

Теплоноситель может быть самым разнообразным: вода, антифриз, газ, пар или горячий воздух. В настоящее время в центральном отоплении применяется в качестве носителя тепла жидкость, в частности, вода или антифриз. Последний может быть представлен различными веществами на основе этиленгликоля, органических солей и так далее. Важно, что от вида носителя зависит не только качество и равномерность обогрева, но и воздействие на трубы и окружающую среду. Рассмотрим более подробно, как выбрать теплоноситель для систем отопления, особенности выбора.

Требования, предъявляемые к теплоносителю

Схема физических свойств теплоносителя.

Нужно отметить, что идеальный теплоноситель для систем отопления на сегодня отсутствует, несмотря на большой выбор. Каждый теплоноситель, какой бы он ни был, выполняет свою основную работу только при наличии определенных условий, в частности, при особом температурном режиме. Если выйти из данного диапазона, то теплоноситель потеряет свои ценные свойства. Вот почему так важно правильно организовать системы отопления. Теплоноситель должен переносить максимальный объем тепла за определенное время. Кроме того, на пути следования от нагревателя к потребителю потери тепла должны быть минимальными. Наиболее оптимален в этом плане такой теплоноситель, как вода, но и она имеет свои недостатки, которые будут рассмотрены ниже.

Большое значение для обеспечения эффективности систем отопления имеет вязкость носителя тепла. Она влияет на его прокачку в пределах всей системы. Таким образом, чем меньше вязкость, тем лучше. Очень большое значение имеет такое свойство, как антикоррозийное воздействие. Практически любой теплоноситель движется по системе трубопроводов. Чаще всего они сделаны из металла, то же касается и нагревательных приборов (котлов, радиаторов). Помимо всего этого, теплоноситель должен обладать такими важными характеристиками, как безопасность и безвредность. Сюда можно отнести степень токсичности, температуру возгорания. Большую роль для потребителей играет то, какой ценой обойдется им работа системы отопления. В силу этого носитель тепла должен быть экономичным.

Использование пара в качестве теплоносителя

Схема отопления с попутным движением теплоносителя.

В отличие от воды и антифриза, пар на сегодня не используется для отопления в центральных системах. Нередко он применяется в промышленности в автономных системах отопления. Такой теплоноситель, как пар, обладает одним ценным свойством — скрытой теплотой парообразования. Под ним подразумевается тепло, которое требуется для превращения 1 кг воды в пар. В процессе охлаждения в нагревательных приборах теплоноситель конденсируется и отдает тепло, необходимое на обогрев помещения, которое было потрачено на испарение воды. Каждый кубический м пара отдает примерно 312 ккал/м тепла. Очень важно еще одно его свойство, такое как способность изменять свой объем и тем самым снижать давление до параметров атмосферного.

Благодаря именно этому свойству пар как теплоноситель нашел широкое применение в технике. Но несмотря на свои достоинства, выбрать его для системы центрального отопления будет нерациональным. По санитарно-гигиеническим характеристикам, таким как способность к пригоранию, загрязнению окружающего воздуха, он просто не подходит. Пыль, оседая на приборах, температура которых достигает 100 градусов, пригорает и загрязняет продуктами распада окружающий воздух, что может негативно сказаться на здоровье жильцов.

Воздух как теплоноситель

Схема системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя.

В качестве основного элемента системы отопления можно выбрать воздух. Системы воздушного отопления могут применяться в частных домах, промышленности. Воздух, подаваемый в сеть трубопроводов, имеет температуру около 45-70 градусов. Установлено, что 1 куб.м воздуха с температурой 45°C способен отдать 8,3 ккал энергии, что очень мало. То есть такой носитель тепла, как горячий воздух, обладает наименьшими показателями теплоемкости. Это самый большой недостаток, который делает невозможным его использование для центральных систем отопления. Несмотря на этот недостаток, у него есть и положительные стороны.

Какой бы он ни был плохой проводник тепла, воздух очень подвижен. При нагревании меняется его удельный вес, он расширяется и хорошо проходит по воздуховодам. После обогрева помещения он охлаждается и возвращается более тяжелым по обратным каналам вниз. При выборе той или иной среды нужно строго придерживаться основных требований к идеальному носителю тепла. В данном случае воздух, какой бы он ни был, не удовлетворяет основным требованиям и потребительским свойствам, что ограничивает его использование в настоящее время.

Теплоноситель — вода

Из всех известных жидкостей, которые существуют на Земле, наивысшую теплоемкость имеет вода.

Схема работы солнечной водонагревательной установки.

Это наиболее подходящий вариант для систем центрального отопления. При нагревании воды до 90°C и охлаждении до 70°C в радиаторе выделяется порядка 20 ккал тепла. Для эффективности систем отопления роль играет и такое ее свойство, как плотность. Она составляет 917 кг/куб.м. Плотность способна уменьшаться при охлаждении или нагревании. Это единственная жидкая среда, способная расширяться как при высоких температурах, так и при охлаждении. Вода практически всегда безопасна по токсикологическим и экологическим характеристикам, в отличие от других видов носителей. При аварийных ситуациях отсутствует опасность для здоровья окружающих (за исключением прямого попадания на тело человека). Вследствие этого она удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям.

Есть еще одна положительная сторона ее применения, такая как простота восстановления первоначального объема ее при утечке или другой аварийной ситуации. Себестоимость воды невысока, в отличие от других теплоносителей. Вода отлично подходит для систем центрального отопления, но и она имеет некоторые недостатки, такие, например, как способность вызывать коррозию труб и нагревательных приборов. Природный состав воды характеризуется наличием солей и кислорода, который способствует появлению накипи, коррозии, что впоследствии снижает отдачу тепла. При коррозии и наличии накипи снижается и объем отопительных элементов. Для обеспечения должного химического состава воду умягчают такими способами, как кипячение, химическим и реагентным методом. Для систем отопления больше подходит дистиллированная вода, потому что в ней меньшее количество растворенных солей. Какой еще минус есть у воды? Этот теплоноситель способен замерзать при температуре ниже 0°C . В результате увеличивается ее объем, что может привести к разрушению систем отопления. Поэтому в холодный период года нельзя надолго оставлять такие системы отопления без работы.

Антифриз для системы отопления

Схема движения теплоносителей в пластинчатых теплообменниках.

Особое место для систем центрального отопления имеет такой теплоноситель, как антифриз. В отличие от воды, он обладает рядом преимуществ. Во-первых, он не замерзает даже при отрицательных температурах окружающей среды. Во-вторых, существует несколько разновидностей антифриза в зависимости от максимальной температуры замерзания. Первый тип (с максимальной температурой замерзания -65°C) можно разбавить водой до марки с температурой замерзания -30°C.

Выбирать антифриз, какой бы он ни был, нужно очень внимательно и осторожно. Запрещено использовать этот носитель тепла при системе отопления с двухконтурным котлом, так как в этом случае есть опасность попадания его в систему водоснабжения и возможность отравления потребителей воды. Антифриз нередко бывает токсичным.

Какой бы антифриз ни применялся, следует соблюдать некоторые правила при его использовании. В первую очередь для системы отопления нужно подбирать мощные радиаторы, так как антифриз хуже накапливает и отдает тепло, нежели вода. При наличии вязкого по своей консистенции антифриза может потребоваться насос для обеспечения быстрого его продвижения для отопления дома.

Схема системы с попутным движением теплоносителя.

Антифриз обладает повышенной текучестью, поэтому нужно с ответственностью подойти к организации соединений труб. Нельзя использовать оцинкованный трубопровод и антифриз совместно, так как наблюдается ряд химических реакций и изменяется состав вещества. Для системы отопления такого типа потребуется экспансомат (расширительный бак закрытого типа).

На сегодняшний день для бытовых нужд чаще всего применяются такие виды антифризов, как этиленгликоль и пропиленгликоль. Первый из них более ядовит и может стать причиной смерти при попадании внутрь в больших количествах. Теплоносители на его основе чувствительны к перегреванию, в результате чего он меняет свои физико-химические свойства, разлагается с образованием осадка и кислот. Осадок образует нагар при попадании на нагревательные приборы. Для систем отопления менее опасен антифриз на основе пропиленгликоля. Кроме того, он обладает некоторым смазывающим эффектом, чем облегчает работу насосов.

Категорически запрещено вводить антифриз в системы отопления в следующих случаях: при наличии ионных котлов (электрических), системы открытого типа, при использовании масляных красок, при двухконтурной системе отопления, при наличии цинковых соединений (покрытий), при температуре нагрева носителя более +70°C.

Таким образом, вода является самым удобным, безопасным и эффективным теплоносителем на сегодняшний день.