Давление в системе отопления многоэтажного дома: Рабочее давление в системе отопления многоквартирного дома

нормы ГОСТ и СНиП, максимальное

Рабочее давление в системе отопления – один из наиболее значимых факторов, которые определяют возможность ее нормального функционирования.

Схема систем отопления с насосной циркуляцией.

От этой характеристики зависит как эффективность работы системы, так и долговечность и безопасность отопительного оборудования.

Данный параметр должен соответствовать определенным значениям, изложенным в нормативных документах. Если этот показатель отклоняется от нормы, то это может привести к проблемам в функционировании системы и даже полному разрушению ее составных элементов .

Давление в системе оказывает непосредственное влияние на ее работу. Напор теплоносителя обеспечивает его подачу в трубопровод. Постоянный напор в трубопроводе обеспечивает минимизацию теплопотерь во время транспортировки теплоносителя от нагревающего котла к радиаторам обогревания.

Характеристики системы отопления

В системе отопления существуют такие виды давления:

Схема закрытой системы отопления с принудительной циркуляцией.

1. Статическое – показатель, определяющий силу давления объема жидкости на радиаторы и трубы отопления изнутри, он зависит от высоты расположения оборудования.
2. Динамическое – возникающее в следствие движения теплоносителя.
3. Допустимое (максимальное) рабочее давление. Этот показатель указывает, при каком значении давления работа системы является безопасной.

Подавляющее большинство отопительных систем в нашей стране является закрытыми, а подача теплоносителя в них принудительная. В подобных случаях , при условии идеальной эксплуатации, оптимальным значение рабочего давления будет попадающим в интервал от 8 до 9,5 атмосфер. Если же в системе наблюдаются потери давления, то этот показатель может снизиться до 5-5,5 атмосфер.

Если вы планируете замену отопительного оборудования, то выбирать его учитывая максимальное значение давления, иначе это может привести к нарушению работы техники или даже к выходу ее из строя. Кроме того, выбор нового оборудования необходимо осуществлять исходя из того, какое давление в системе, так как различные материалы способны выдержать различную нагрузку. Панельные радиаторы выдерживают до 9 атмосфер, алюминиевые радиаторы – не более 6 атмосфер, а чугунные (наиболее прочные) способны перенести до 15 атмосфер без угрозы разрушения или выхода из строя. В любом случае при покупке нового оборудования для отопления лучше всего проконсультироваться с профессионалами.

Вернуться к оглавлению

Причины нестабильного давления

Схема элеваторного узла отопления.

Рабочее давление необходимо контролировать. Если вы проживаете в многоквартирном доме, то есть система отопления централизованная, то за давление в ней контролируется особыми службами. Если у вас установлено автономное отопление, то следить за эти показателем вам придется самостоятельно. Превышение максимального допустимого значения – опасно! Это может привести к аварийным ситуациям. В таком случае рекомендуется отключить отопление для диагностики неполадок. Наиболее распространенной причиной может быть недостаток теплоносителя. В таком случае вам достаточно просто добавить недостающий объем жидкости в котел. Но в некоторых случаях это может свидетельствовать о серьезных неисправностях. Если вы подозреваете такие неисправности отопления у себя, то обратитесь в специальные службы. Проводить ремонтные работы в таком случае самостоятельно небезопасно.

Если давление снижается, то это может привести к снижению эффективности обогрева – помещение не будет отапливаться должным образом. Нестабильность данного значения в системе отопления может быть первым признаком каких-либо неполадок в ее работе. Причины его снижения могут быть различными. Например, протечка на некоторых участках трубопровода или накипь на стенках отопительного оборудования.

Если вы столкнулись с первой из указанных проблем, то вам необходимо устранить протечку, тогда давление нормализуется. Для этого прежде всего нужно определить место протечки. В некоторых случаях определить место протечки можно визуально, тогда устранить ее будет не сложно. В противном случае вам потребуется проверить все стыки труб в трубопроводе. Если у вас нет непосредственного доступа к трубам, то у вас есть 2 пути: разбивать стены и пол, которые ограничивают доступ или прокладывать дополнительную ветку трубопровода, заблокировав старую.

Если вы столкнулись с накипью в системе, то вам потребуется промыть трубы и радиаторы специальной жидкостью, которая ее удалит. Чтобы избежать подобных проблем, используйте специальные жидкости, предназначенные для снижения жесткости воды.

Кроме того, прежде чем запустить работу системы в отопительный сезон, необходимо проводить пробный запуск, который подразумевает, что система будет работать с давлением, превышающим среднее в 1,5 раза. Тогда в холодный период у вас не возникнет никаких проблем с отоплением.

Какое максимальное значение в отопительной системе допустимо в вашем конкретном случае, вы можете узнать из нормативных документов. Эти значения регулируются нормами ГОСТ и СНиП и зависят от множества характеристик.

Важно помнить о том, что отклонение значения давления от нормы может не только свидетельствовать о наличии неполадок, но и угрожать вашей жизни.

Обогрев помещения – необходимая мера, которая обеспечит комфортное проживание вам и вашим близким в холодное время года. Обеспечение стабильной работы отопительной системы требует ответственного подхода и постоянного наблюдения за определенными показателями. Любые отклонения от нормы – это тревожный признак, который должен стать для вас поводом обратить внимание на исправность вашего отопительного оборудования. Любые поломки необходимо устранять как можно раньше, в противном случае вам грозит дорогостоящий ремонт, а в некоторых случаях они представляют опасность для вашей жизни.

статическое испытательное давление в городской системе отопления, зачем делать расчет при перед испытанием, фото и видео примеры

1. Зачем давление в системе
2. Виды рабочего давления в отопительной конструкции

Теплоснабжающая конструкция большого многоэтажного дома представляет собой сложный механизм, способный эффективно функционировать при условии соблюдения множества параметров элементов, входящих в него. Одним из них считается рабочее давление в системе отопления. От этого значения зависит не только качество передаваемого воздуху тепла, но также надежное и безопасное функционирование обогревательного оборудования. 

Давление в системе теплоснабжения многоэтажных зданий должно отвечать определенным требованиям и нормам, установленным и прописанным в СНиПах. При наличии отклонений от требуемых значений возможно возникновение серьезных проблем, вплоть до невозможности эксплуатировать отопительную систему. 

Зачем давление в системе

Виды рабочего давления в отопительной конструкции

1. Статическое давление системы отопления является показателем того, с каким усилием объем жидкости в зависимости от высоты воздействует на трубопроводы и радиаторы. При этом при проведении расчетов уровень напора на поверхности жидкости равен нулю.
2. Динамическое давление возникает в процессе движения жидкого теплоносителя по трубам. Оно воздействует на трубопровод и радиаторы изнутри.
3. Допустимое (максимальное) рабочее давление в системе отопления – это параметр нормального и безаварийного функционирования теплоснабжающей конструкции. 

Показатели нормального давления

Выбирая трубы и радиаторы для замены их в квартире, расположенной в многоэтажном доме, следует учитывать начальные показатели. Иначе отопительное оборудование будет работать нестабильно и даже возможно полное разрушение схемы теплоснабжения, которая стоит немалых денег. 

Как правило, достичь необходимых параметров по ГОСТу невозможно, поскольку на рабочие показатели оказывается влияние со стороны разных факторов:

1. Мощность оборудования, необходимого для подачи теплоносителя. Параметры давления в отопительной системе многоэтажки определяются на теплопунктах, где происходит нагрев теплоносителя для подачи через трубы в радиаторы.
2. Состояние оборудования. И на динамическое, и на статическое давление в теплоснабжающей конструкции непосредственно влияет уровень износа элементов котельной таких, как генераторы теплоты и насосов. Немаловажное значение имеет расстояние от дома до теплопункта.
3. Диаметр трубопроводов в квартире. Если при проведении ремонта своими руками владельцы квартиры установили трубы большего диаметра, чем на входном трубопроводе, то произойдет снижение параметров давления.
4. Расположение отдельной квартиры в многоэтажке. Безусловно, необходимое значение напора определяют, согласно нормам и требованиям, но на практике немало зависит от того, на каком этаже находится квартира и ее расстояние от общего стояка. Даже когда жилые комнаты располагаются недалеко от стояка, натиск теплоносителя в угловых помещениях всегда ниже, поскольку там часто имеется крайняя точка трубопроводов.
5. Степень износа труб и батарей. Когда элементы отопительной системы, расположенные в квартире, прослужили не один десяток лет, то некоторого снижения параметров оборудования и производительности не избежать. Когда имеют место подобные проблемы, желательно изначально произвести замену изношенных труб и радиаторов и тогда удастся избежать аварийных ситуаций. 

Испытательное давление

Используют давление при испытании системы отопления для того, чтобы протестировать работоспособность всех элементов теплоснабжающей конструкции в экстремальных условиях и выяснить, насколько эффективно будет передаваться тепло от котельной в многоэтажный дом. 

Проверка герметичности системы отопления

Проверку герметичности осуществляют в два этапа:

• испытание с использованием холодной воды. Трубопроводы и батареи в многоэтажном здании наполняют теплоносителем, не нагревая его, и замеряют показатели давления. При этом его значение в течение первых 30 минут не может составить менее стандартных 0,06 МПа. Через 2 часа потери не могут быть более 0,02 МПа. При отсутствии порывов отопительная система многоэтажки дальше будет функционировать без проблем;
• испытание с применением горячего теплоносителя. Отопительную систему тестируют до начала отопительного периода. Воду подают под определенным сдавливанием, его значение должно быть наиболее высоким для оборудования. 

Тестирование проводят перед началом запуска отопительного оборудования, иначе цена ошибки бывает слишком дорогостоящей, а, как известно, аварию устранить при минусовых температурах довольно сложно. 

Как правило, напор в трубопроводах отечественных многоэтажных зданий не превышает предельные нормы, но все же установка индивидуального манометра не будет лишней.

какой перепад необходим для обогрева жилой многоэтажки

Такой технический параметр, как рабочее давление в системе отопления в многоквартирном доме очень важен. Его несоблюдение влечет за собой сбои в функционировании обогревательного контура. Давайте остановимся подробнее на этом вопросе.

Какие факторы влияют на рабочее давление

На величину напора в системе отопления в многоквартирном доме влияют многие факторы. Одни из них напрямую, другие неявно способствуют отклонению давления от значения, регламентируемого нормами.

Это могут быть следующие обстоятельства:

1. Износ оборудования котельной. В многоквартирном доме напор создает оборудование теплосетей. Неисправность запорной арматуры, основных узлов приводит к уменьшению давления в контуре отопления.
2. Большое расстояние между многоквартирным домом и котельной;
3. Этажность квартиры и расположение ее по отношению к стояку.
4. Самовольная установка жильцами труб другого диаметра. Чтобы напор в стояках многоэтажного дома соответствовал требованиям нормативов, сечение труб рассчитывают еще на этапе проектирования. Если отдельные жильцы меняют трубопровод, это приводит к росту или снижению давления.
5. Степень износа батарей. По причине низкого качества теплоносителя на стенках радиаторов и труб откладываются примеси. В результате существенно сужается проходной диаметр, а производительность системы падает. Во избежание этого промывают стояки, выполняют замену старых батарей.
6. Завоздушенность радиаторов. После ремонтных работ и последующего заполнения трубопровода при напоре теплоносителя в системе многоэтажки меньшем требуемого значения, возникают воздушные пробки. Циркуляция теплоносителя на таких участках либо отсутствует, либо снижается. Воздух необходимо «стравливать».

Чтобы выявить и ликвидировать неисправности, при проведении испытаний напор повышают до 1,5 раз.

Используемый в системе теплоноситель холодный, что создает меньше проблем в случае протечек. Запас прочности у системы отопления многоэтажного жилого строения должен быть достаточно большим, чтобы выдержать неконтролируемые гидроудары.

Из этого видео вы узнаете, каким должно быть оптимальное давление в системе отопления многоэтажки:

какой перепад необходим для обогрева жилой многоэтажки

Такой технический параметр, как рабочее давление в системе отопления в многоквартирном доме очень важен. Его несоблюдение влечет за собой сбои в функционировании обогревательного контура. Давайте остановимся подробнее на этом вопросе.

Какие факторы влияют на рабочее давление

На величину напора в системе отопления в многоквартирном доме влияют многие факторы. Одни из них напрямую, другие неявно способствуют отклонению давления от значения, регламентируемого нормами.

Это могут быть следующие обстоятельства:

1. Износ оборудования котельной. В многоквартирном доме напор создает оборудование теплосетей. Неисправность запорной арматуры, основных узлов приводит к уменьшению давления в контуре отопления.
2. Большое расстояние между многоквартирным домом и котельной;
3. Этажность квартиры и расположение ее по отношению к стояку.
4. Самовольная установка жильцами труб другого диаметра. Чтобы напор в стояках многоэтажного дома соответствовал требованиям нормативов, сечение труб рассчитывают еще на этапе проектирования. Если отдельные жильцы меняют трубопровод, это приводит к росту или снижению давления.
5. Степень износа батарей. По причине низкого качества теплоносителя на стенках радиаторов и труб откладываются примеси. В результате существенно сужается проходной диаметр, а производительность системы падает. Во избежание этого промывают стояки, выполняют замену старых батарей.
6. Завоздушенность радиаторов. После ремонтных работ и последующего заполнения трубопровода при напоре теплоносителя в системе многоэтажки меньшем требуемого значения, возникают воздушные пробки. Циркуляция теплоносителя на таких участках либо отсутствует, либо снижается. Воздух необходимо «стравливать».

Чтобы выявить и ликвидировать неисправности, при проведении испытаний напор повышают до 1,5 раз.

Используемый в системе теплоноситель холодный, что создает меньше проблем в случае протечек. Запас прочности у системы отопления многоэтажного жилого строения должен быть достаточно большим, чтобы выдержать неконтролируемые гидроудары.

Из этого видео вы узнаете, каким должно быть оптимальное давление в системе отопления многоэтажки:

Нормативные требования к напору

Давление в системе отопления многоэтажки, бывает:

• рабочим;
• опрессовочным.

Первое из них — показатель стабильный, в наибольшей степени комфортный. На нем система работает значительную часть времени. К давлению второго вида относится увеличенная нагрузка, создаваемая на незначительное время при запуске системы отопления с целью проверки ее работоспособности.

Показатель рабочего давления складывается из двух типов давления — статического и динамического. Первое создает столб воды под влиянием гравитации. Чем выше этот столб, тем больше значение динамического давления. Этот напор в системе создают насосы, его еще называют избыточным. Оно не должно быть выше рабочего больше, чем на 20%.

В радиаторы многоквартирных домов вода при помощи насосного оборудования поступает наверх под напором и с определенной скоростью. Разница давлений между первым и последним этажом — максимум 10%. Существуют следующие нормативы:

• 9-этажное здание — от 5 до 7 Атм;
• выше 9 этажей — от 7 до 10 Атм.

Наблюдения показывают, что напор в системе отопления на подаче обычно равен 6, на обратке — 4 Атм. На теплотрассе перепад и в системе отопления — вещи разные. В подземных теплотрассах, идущих от котельной к потребителям, теплоноситель подают под напором в 12 Атм.

Если известно давление в трассе, можно посчитать минимальную высоту жилого здания, которое можно отопить, не применяя дополнительные насосы. Для этого 10 м умножают на напор обратки. При давлении обратки 4,5 кгс/см², соответствующему 45 м водяного столба, учитывая, что высота одного этажа равна 3 м, удастся отопить 15 этажей.

Как устранить перепады

В системе отопления многоэтажки горячий теплоноситель имеет температуру до 130⁰. Потребителям такие высокие температурные показатели не нужны. Снижая температуру сетевой воды, корректируют и давление в сети. Осуществляют это через элеваторный узел путем смешивания.

Находится он в подвале многоэтажного жилого здания. В нем происходит смешивание теплоносителя подачи и обратки.

Этот видеоматериал ознакомит с устройством и работой элеваторного узла:

На входе в элеватор имеются задвижки, они отсекают его от теплотрассы. Другие две задвижки изолируют его от дома. Манипуляции с температурой поступающей горячей воды выполняются посредством корректировки диаметра отверстия сопла, находящегося в смесительной камере элеватора. Струя нагретой воды из подачи впитывается в воду из обратного трубопровода. В отопительном контуре происходит повторный цикл.

В нестандартных ситуациях, когда отоплению многоквартирного дома грозит разморозка, увеличивают отверстия сопла или удаляют узел регулирования и подают теплоноситель прямо в квартиры.

Узкие места в вопросах с давлением в системе отопления в основном выявляют и устраняют специалисты. Они контролируют исправность оборудования, наличие протечек, занимаются их устранением. Чтобы давление в системе многоэтажной жилой постройки соответствовало нормам, нужно:

1. Применять для устройства стояков трубы сечением 2,5 – 3,3 см. На ответвлении к радиатору должен быть такой же диаметр.
2. Меняя какой-то участок, необходимо использовать трубу с таким же условным проходом.
3. В квартире нужно контролировать состояние радиаторов. Своевременно спускать воздух.

Точные диаметры стояков, разливов и подводки к батареям в многоэтажном доме определяют путем выполнения гидравлического расчета. В основном разливы системы отопления выполняют трубами с диаметром условного прохода от 50 до 80 мм. Роль стояков выполняют трубы ДУ20 – ДУ25.

Подвод к радиатору в квартире выполняют трубой такого же диаметра, как и стояк или немного тоньше.

Каждый владелец отдельной квартиры в многоэтажном доме не может изменить никаким образом давление теплоносителя в отопительной системе. Температурный комфорт зависит от обслуживающих служб и организаций, подающих тепло. Они же являются гарантом высокой эффективности отопительной техники, ее безопасной эксплуатации.

Возможно, вам также будет интересно прочитать про то, как выбрать тюнер для цифрового телевидения.

Система отопления многоквартирного дома

Системы централизованного отопления многоквартирных домов создавались в соответствии с проектами. Поэтому об отоплении квартиры и всего дома можно узнать буквально все, если отыскать проект и и разобраться в нем до последнего винтика.

Далее рассмотрим, какие обычно применяются решения по отоплению в многоквартирных домах, и как они влияют на качество отопления в квартирах. А также, как на практике решаются вопросы, связанные с ремонтом и эксплуатацией труб, батарей и всей системы централизованного отопления высотного многоквартирного дома

Почему интересует схема отопления многоэтажки

Система отопления многоэтажного дома может озаботить в нескольких случаях, например:

• При замене радиатора в квартире возникает вопрос, — как отключить стояк, какой радиатор можно поставить и как лучше…
• Если менять стояк, то какие трубы можно применить?
• Когда отопление работает плохо, закономерно спросить – почему? — может можно подрегулирвать, даже самостоятельно…
• Если есть желание вместе с другими жильцами организовать свою котельную, то как это сделать…
• При установке теплосчетчика, — в каком месте системы его врезать?

Но без санкции ЖЭКа никаких действий с централизованным отоплением. А совершаются такие действия, обычно только специалистами той же обслуживающей организации.

Какие схемы встречаются в многоквартирных домах

Проекты отоплений целых районов от центральной теплостанции всегда индивидуальны, и зависят от жилого фонда. Обычно на 1 микрорайон обустраивали одну котельную, но это не правило, строили и очень крупные ТЭС, и маленькие котельные.

Но разводки отопления по многоэтажкам, построенных в советское время, как правило, типовые. Применялись однотрубные схемы подключения радиаторов, где одной трубой являлся вертикальный стояк. Стояки, коих было на один дом много, подключались параллельно к запитывающей тепло-магистрали, и таким образом оказывались примерно в одинаковых гидравлических условиях.

Примерная схема вертикальной однотрубки приведена на рисунке.
Нужно обратить внимание, что на одной трубе – до 18 радиаторов.

Правильные схемы подключения радиаторов – с использованием паралельного байпаса.

Схема подключения радиатора в квартире при однотрубной разводке по дому.

Отключение одного радиатора (потек!) не затронет обогрев в других квартирах из-за наличия байпаса. Кроме того, балансировочный вентиль позволяет приглушать радиатор по желанию.

Но однотрубкам присущь известный недостаток — последние радиаторы в кольце прохладнее. Как с этим боролись?

Особенности отопления в многоквартирных домах

Чтобы радиаторы на последних этажах не оказались бы слишком холодными, должна быть задана по стояку высокая скорость теплоносителя, что выравнивает температуры на подаче и обратке. В централизованных системах отопления умели делать так, что температура по стояку оказывалась без существенной разницы для пользователей. И повышением площади радиаторов с выравниванием теплоотдачи никто не боролся.

• Для централизованной системы отопления характерна большая скорость теплоносителя, — до предела возникновения шума в трубах. Отсюда и большая мощность насосов и большой перепад давления.
• Вторая особенность – большое общее давление в системе. Заполнение велось с нижней точки, и чтобы поднять теплоноситель на 9-й этаж приходилось создавать соответствующее давление, вплоть до 12 атм.
• Следующая особенность – большая температура теплоносителя – плохая теплоизоляция, утечки тепла, бесхозность энергоресурса, зачастую позволяла решать коммунальщикам поставленные задачи «тепло в домах» путем просто накручивания расхода и взвинчивания температуры выше нормы, даже выше 100 град С при повышенном давлении.

Все это предъявляет свои требования к радиаторам и трубам.

Какие трубы и радиаторы применять в многоэтажном доме

Все многоэтажки в советское время оборудовались стальными трубами и чугунными радиаторами. Сейчас появился выбор. Другие виды труб и радиаторов практичней, дешевле, долговечней.

Но самостоятельно делать выбор, при замене радиатора в квартире, без соглосования с ЖЭКом недопустимо. Тем более разбирать стояк и менять трубы – это сделают только специалисты.

В основном Жэковские спецы впаивают пенопропилен РN30 25 мм (наружный диаметр) с алюминиевой армировкой, несмотря на то, что его предельная температура все равно +95 град, а в централи может быть и больше… Сейчас уже появились и PN25 c аналогичными характеристиками.

Возможно и применение металлопластиковых труб для подключения радиаторов в многоэтажном доме – по решению службы обслуживающей сеть. Применяемый диаметр – в основном 20 мм (наружный).

При замене радиатора, работники жека обязательно обяжут создать схему с отключением двумя кранами и байпасом параллельным радиатору.

При замене радиатора в квартире

• Модель, размеры (теплоотдача) радиатора согласовываются со специалистами обслуживающей организации.
• Отключается стояк, сливается жидкость.
• Обычно старые стальные трубы обрезаются, так как раскрутить резьбовые соединения не представляется возможным. Чаще радиаторы меняют вместе с трубами, типы применяемых труб также согласовываются с ЖЭКом.
• Радиатор навешивается на штатное крепление, снабжается заглушками, шаровыми кранами, краном Маевского.
• Радиатор подключается к стояку трубами по схеме с байпасом.

Почему на верхних этажах холодно

Если скорость теплоносителя поубавить, температуру также поубавить, то в домах будет холодно, особенно это скажется на верхних этажах, где радиаторы зачастую последние в кольце. Подобное происходит как по техническим причинами, вследствие зарастания труб, износа оборудования, так и по организационным.

Топливо нынче дорого, и не известно на каком уровне командования, его выделенное количество ополовинилось, но результат впечатляющий, – в топку попадает половина от положенного угля, мазута, газа. А специалистам теплосети предложено «выкручиваться» и перераспределять тепло, «изыскать методы». В результате часть насосов отключается, заменяется, котел приглушается, вентильки подзакручиваются, — создается искусственный «износ оборудования».

Еще вариант плохой работы отопления в многоэтажном доме — радиаторы не греют. В любом подвале многоэтажного дома возможны варианты регулировки, когда какой либо стояк будет греть плохо – схема весьма сложная. Проблема может заключаться в отсутствии достойных кадров в организации, в результате чего сеть просто не налажена.

Но выход из ситуации можно найти только в мытарствах по местным организациям. Или создания для небольшого дома своей котельной по согласованию с властями. Или переход на индивидуальное отопление в квартире.

Особенности в новостройках

В настоящее время все больше переходят на современные проекты отопления. Применяются двухтрубки в разводке, вследствие чего уменьшаются энергопотери на движении теплоносителя. Схема подключения радиатора в квартире с двухтрубной системой отопления.

Такие проекты сейчас предусматривают и другие материалы, вместо стали применяется PEX, в том числе и армированный алюминием. Радиаторы с минимальным давлением 16 атм, с нижней (сокрытой) подводкой.

Новейшее достижение – индивидуальная разводка по отдельной квартире. Стояки из двух труб предназначен для целой квартиры. По квартире разводка может быть выполнено как угодно, но обычно по проектам расположение стояков такое, что удобно сделать лучевую схему от центральных коллекторов, при этом трубы прокладываются под фальшивым полом.

Это дает возможность также под балконными блоками установить внутрипольные конвектора.
Также – индивидуальный теплосчетчик на квартиру.

Но в массивах старых застроек, при централизованной системе отопления многоквартирного дома сие не достижимо. Пользуются теми благами, которые наладил ЖЭК.

Вариант монтажа отопления в современной квартире многоэтажного дома

• Подключение к стояку центрального отопления (индивидуального котла) отопительной сети всей квартиры выполняется в одной точке, от которой идет разводка к радиаторам.
• Трубы размещаются в полу, конструкция которого позволяет это сделать. Применяются радиаторы с нижним подключением и внутрипольные конвекторы.
• Предпочтительнее лучевая схема включения радиаторов, при которой под полом размещаются только цельные отрезки труб, — от центрального коллектора к каждому отопительному прибору.
• В случае применения попутной, тупиковой схемы, все скрытые разветвления труб могут выполняться только обжимными несъемными фитингами, с помощью фирменного инструмента.
• Допускаются к скрытому монтажу фитинги и трубы только от одного производителя. Паянные трубы к скрытому монтажу не допускаются.

Какое должно быть давление в системе отопления — Отопительные системы

У хозяев квартир и частных домов, собственноручно занимающихся обслуживанием отопительных систем, очень часто возникает вопрос – какое давление в системе отопления считается нормальным и что делать, если оно «скачет» в ту или иную сторону? Разобраться в данных вопросах и подсказать верное решение в ситуациях с изменением давления и есть цель нашей статьи.

Немного теории

Чтобы хорошо понимать, что такое рабочее давление в системе отопления частного дома или многоэтажки и из чего оно складывается, приведем немного теоретической информации. Итак, рабочее (полное) давление – это сумма:

• статического (манометрического) давления теплоносителя;
• динамического напора, вызывающего его движение.

К статическому относится давление водного столба и расширения воды в результате ее нагревания. Если систему отопления с высшей точкой на уровне 5 м заполнить теплоносителем, то в низшей точке возникнет давление, равное 0.5 Бар (5 м водного столба). Как правило, внизу располагается тепловое оборудование, то есть, котел, чья водяная рубашка принимает на себя эту нагрузку. Исключение — давление воды в системе отопления многоквартирного дома с котельной, расположенной на крыше, тут наибольшую нагрузку несет самая нижняя часть трубопроводной сети.

Теперь нагреем теплоноситель, находящийся в состоянии покоя. В зависимости от температуры нагрева объем воды станет увеличиваться в соответствии с таблицей:

Когда система отопления открытая, то часть жидкости свободно перетечет в атмосферный расширительный бак и прироста давления в сети не будет. При закрытой схеме мембранная емкость тоже примет часть теплоносителя, но давление в трубах при этом вырастет. Самое высокое давление возникнет, если в сети задействовать циркуляционный насос, тогда к статическому прибавится динамический напор, развиваемый агрегатом. Энергия этого напора расходуется на принуждение воды к циркуляции и преодоления трения о стенки труб и местных сопротивлений.

Важно. Для настройки и контроля измерение давления всегда производится в самой нижней точке, возле котла, где оно самое высокое. Именно с этой целью в помещении котельной устанавливают манометры.

Давление в системе многоэтажного дома

Системы в зданиях повышенной этажности характеризуются высоким статическим давлением теплоносителя. Оно возрастает вместе с высотой дома, так как выше становится столб воды в трубах. Соответственно, для его преодоления используются мощные насосы с сухим ротором. Например, давление в отопительной системе многоэтажного дома, чья схема показана ниже, должно составлять не менее 5 Бар.

На преодоление подъема потребуется порядка 3 Бар и на трение с местными сопротивлениями – еще около 2 Бар с запасом. На манометрах, устанавливаемых в подвальных тепловых пунктах высотных зданий, можно увидеть значения от 4 до 7 Бар. Вообще, в системе центрального отопления, а точнее, в подающей магистрали, нередко поддерживается давление 12—15 Бар. Все зависит от протяженности трассы до ближайшей ТЭЦ.

Вывод. При централизованном теплоснабжении в условиях квартиры измерять, а тем более пытаться снизить максимальное давление в системе – бессмысленно. Даже если снять показания манометра в тепловом пункте, то это ничего не даст, в квартирах на разной высоте они все равно будут различаться. Все, что может волновать хозяина квартиры – это эффективность работы и срок службы радиаторов. В многоэтажках лучше не ставить чугунные батареи, они могут выдержать лишь около 6 Бар.

Давление в системе отопления частного дома

Все понятно, когда в доме смонтирована открытая система, сообщающаяся с атмосферой через расширительный бак. Даже если в ней задействован циркуляционный насос, то давление в расширительном баке будет идентично атмосферному, а манометр покажет 0 Бар. В трубопроводе сразу после насоса давление будет равным напору, что может развивать этот агрегат.

Все сложнее, если используется система отопления под давлением (закрытая). Статическая составляющая в ней искусственно увеличивается с целью повысить эффективность работы и исключить попадание воздуха в теплоноситель. Дабы глубоко не вдаваться в теорию, хотим сразу предложить упрощенный способ вычисления давления в закрытой системе. Нужно взять перепад высот между низшей и высшей точками отопительной сети в метрах и умножить его на 0.1. Получим статическое давление в Барах, а затем прибавим к нему еще 0.5 Бар, это и будет теоретически необходимое давление в системе.

В реальной жизни добавка 0.5 Бар может оказаться недостаточной. Поэтому принято считать, что в закрытой системе с холодным теплоносителем величина давления должна составлять 1.5 Бар, тогда во время работы оно вырастет до 1.8—2 Бар.

Важно. Чем выше удастся поднять давление, тем лучше для работы отопления. Но его величина ограничивается техническими характеристиками котельного оборудования. Большинство бытовых теплогенераторов рассчитано на максимальное давление 3 Бар, но есть и более «слабые» экземпляры с показателями 2 и даже 1.6 Бар. Поэтому при настройке надо добиться в холодной системе на 0.5 Бар ниже, чем указано в паспорте котла. Иначе постоянно будет срабатывать клапан сброса давления.

Как поднять или снизить давление в отопительной системе?

Иногда во время эксплуатации в сети возникает большой перепад давления, что приводит к ее неработоспособности. Зная причины, из-за чего это случается, можно найти и способ устранения:

• растрескивание мембраны расширительного бака. В одних моделях есть возможность поменять мембрану, в противном случае емкость меняется полностью;
• неверно выполнен расчет давления в расширительном баке отопительной системы или его вместительность. Она должна составлять десятую часть от объема теплоносителя во всей сети, а давление газа за мембраной бака – на 0.2 Бар ниже системного;
• сильное засорение грязевика;
• наличие воздушных пробок. Часто бывает, что снизить давление удается с помощью мероприятий по удалению воздуха либо заменив автоматический воздухоотводчик;
• потеря герметичности арматуры, отделяющей систему от водопровода подпитки. С той стороны напор сильнее и вода извне бесконтрольно пополняет отопительную сеть;
• выход из строя автоматики котла;

В свою очередь, падение давления в отопительной системе происходит по таким причинам:

• неплотность соединений, протечки;
• скрытая утечка в двухконтурном котле, когда вода уходит в сеть ГВС через неисправный клапан;
• трещина в теплообменнике котла;
• вышел из строя регулятор давления.

В действительности причин может быть множество и зачастую обнаружить их не так просто, надо иметь практический опыт. Если найти неисправность не удается, надо обращаться за помощью к специалисту, имеющему все необходимое оборудование.

Заключение

Напорные отопительные схемы не так просты, как может показаться. Хорошо, если оборудование и магистрали смонтированы на совесть, а после запуска и настройки в сети не поднимается и не падает давление. Другое дело, когда спустя несколько лет работы появляются подобные проблемы. Без датчика, обнаруживающего неплотности, подчас очень трудно отыскать небольшую течь. Вот почему так важно качественно собрать каждое соединение при монтаже.

давление в системе отопления в закрытой системе отопления

как заполнить водой закрытую систему отопления

чем заполнить систему отопления в частном доме

расчет количества теплоносителя для системы отопления

как заполнить систему отопления

Рабочее давление в системе отопления многоэтажного дома

Любая индивидуальная система отопления на газовом, электрическом или твердотопливном котле использует в качестве теплоносителя рабочую жидкость, которая должна обладать определенными характеристиками, в том числе – иметь соответствующее рабочее давление в отопительной системе частного дома. Значение напора теплоносителя определяет свойства и характеристики материалов, приборов и оборудования, которое будет использовано в системе. Потому рабочее давление в трубах отопления многоквартирного или частного дома влияет на стоимость монтажа отопительной системы в целом, на безопасную и длительную ее эксплуатацию, на графики ремонта и профилактического обслуживания оборудования и теплотрассы.

О параметрах напора жидкости хозяину дома или квартиры рекомендуется знать следующее:

1. Измеряется давление атмосферах (Атм), барах (Бар) или мегапаскалях (МПа),
2. В трубопроводе может быть напорное давление воды в системе отопления, а также статический напор, который есть всегда и независимо от того, это отопление многоквартирного дома или загородного жилья. Статическое давление в системе отопления будет присутствовать даже при выключенном котле, если рабочая жидкость не слита из магистрали,
3. Напорное (динамическое) давление в системе индивидуального или централизованного отопления создается при перемещении теплоносителя по контуру силой гравитации или при помощи циркуляционного насоса. Этот параметр воздействует на все элементы отопления,
4. Существует термин предельно максимальное или предельно допустимое давление. При превышении этого порога может произойти авария или выйти из строя какой-либо элемент системы,
5. Рубашка (теплообменник) котла является самым слабым звеном в трассе при перепадах напора жидкости в системе отопления. Среднее значение предельно допустимого давления в разных моделях котлов – около 3 Атм. Трубы, радиаторы, фитинги и запорная арматура могут выдержать гораздо более высокое давление, что также зависит и от материала изготовления, и от диаметра изделия, и от параметров его эксплуатации,

На среднее арифметическое значение показателя напора жидкости в отоплении многоквартирного или загородного дома влияют также длина магистрали, высота дома и количество этажей в нем, количество радиаторов, диаметр трассы, и многое другое. Рабочее и избыточное давление должны рассчитываться при проектировании системы с тем, чтобы по этим параметрам можно было подобрать оборудование и приборы для конкретной тепломагистрали.

Для малоэтажных зданий диапазон напора теплоносителя в подающем трубопрооде 1,5-2 Атм. Для высотных зданий параметры теплоносителя системы отопления по давлению лежат в диапазоне 2-4 Атм. Для любых отапливаемых объектов в трубопровод устанавливается контрольно-измерительная аппаратура, в том числе и манометр.

Зачем контролировать давление в системе отопления открытого и закрытого типа

Индивидуальные отопительные системы классифицируются по двум типам:

1. Открытая система отопления под напором, в которой через расширительный резервуар в трубы может попасть воздух, а теплоноситель перемещается по трубам благодаря циркуляционному насосу или естественной гравитации. В такой схеме установка манометра систему отопления обязательна,
2. Закрытая схема с повышенным напором в трубах, рабочая жидкость изолирована от воздуха.

Чтобы открытое отопление работало в пределах нормы, котел монтируется в самой низкой точке помещения, расширительная емкость – в самой высокой. Диаметр трубопровода на выходе теплового генератора должен быть больше, чем на входе. Обычно в таких схемах присутствует низкое давление, поэтому схему используют в малоэтажных домах.

В закрытой схеме в небольших домах хватает давления в системе отопления 1,5-2 Атм при небольшой протяженности теплотрассы и расчетным количеством обогревательных приборов (батарей, регистров или радиаторов). В домах этажностью более пяти этажей рекомендуется установить циркуляционный насос.

Производительность системы повышают именно включением насоса, мощность которого позволяет удлинять магистраль отопления на любое расстояние, а количество радиаторов – не ограничивать. В закрытой системе отопления радиаторы подключаются по любой схеме – последовательно или параллельно, с нижним, верхним или диагональным подключением. Также в закрытой системе отопления параметры давления таковы, что нагрузка на теплообменник котла всегда будет безопасной.

Контроль и регулировка давления в системе отопления централизованного или индивидуального обустройства производится стрелочными манометрами, не требующими подключения к электросети. В зависимости от показателей манометра, тепловое давление можно повысить или снизить.

Устанавливают манометры на трубе подачи и трубе обратного хода котла, на верхнем и нижнем уровнях магистрали, перед циркуляционным насосом и после насоса. Иногда дополнительные приборы для измерения давления врезают в разветвления трубопровода. Но простой контроль не позволяет решить проблему, как поднять давление в системе отопления или отрегулировать его в сторону уменьшения.

Причины роста избыточного давления

Иногда давление подаваемой рабочей жидкости возрастает, что видно по показаниям манометров, и этот избыток появляется вследствие следующих причин:

1. Температура рабочей жидкости увеличилась, и она расширилась,
2. Носитель тепла перестал перемещаться по трубам,
3. Перекрыт клапан или задвижка на участке трассы,
4. Труба засорилась или появился воздух, образовавший пробку,
5. При неплотно закрытом вентиле подачи в котел постоянно поступает холодная вода,
6. Не соблюден расчетный диаметр труб,
7. Насос слишком мощный или неправильно установлен.

После выяснения конкретной причины возникшей поломки ее устраняют, но так бывает не всегда. Иногда давление в центральной или индивидуальной системе отопления повышается скачкообразно, и это может быть вызвано закипанием рабочей жидкости в котле. Такое поэтому резкое повышение давления нужно срочно уменьшить, и для этого существует расширительный бак закрытого или открытого типа.

Расширительный резервуар не нужен в системе центрального отопления, но в индивидуальной схеме он обязателен. Мембранный резервуар это герметичный бак, состоящий из двух камер с резиновой перегородкой между ними. Одна камера служит для горячей рабочей жидкости, вторая для воздуха. При перегревании теплоносителя и росте давления резиновая мембрана смещается и расширяет объем камеры минимизирует возможный гидравлический удар от перепада давления.

Кроме расширительного бачка, при закипании или резком возрастании давления в системе по другой причине в трубы врезаются предохранительные и перепускные клапаны, чтобы снизить давление под напором. При повышении давления некоторый объем горячей воды сливается в канализацию, предохраняя трубы и котел от разрушения. Перепускные клапаны перенаправляют рабочую жидкость в малый контур, также защищая схему от перегрева и выхода из строя.

Жесткая вода сильно влияет на состояние внутренних стенок труб и запорной арматуры, так как отложения минеральных солей уменьшают диаметр изделий, тем самым повышая давление в системе и в радиаторах теплотрассы.

Поэтому лучшая профилактическая меры – водоподготовка, то есть, наполнение магистрали заранее подготовленной и обессоленной жидкостью. При заливке в котел обычной водопроводной воды его придется постоянно чистить, как и всю систему. Для этого используют как механические средства очистки, так и химические реагенты или специальное оборудование (гидродинамическую машину).

Почему падает давление в трубах

Давление может иметь сниженные показатели и уменьшаться плавно, постепенно, или резко, скачкообразно. У такого поведения контура могут быть две причины:

1. Теплообменник котла вышел из строя – протекает или забит,
2. Утечка воды в схеме монтажа трубопровода.

При поломке котла провести диагностику неисправности и отремонтировать агрегат не всегда можно своими руками, потому что причиной выхода котла из строя могут быть:

1. Грязь и засоры в емкости котла,
2. Микротрещины в корпусе или в рубашке теплообменника,
3. Высокая степень износа всех узлов схемы,
4. Заводские дефекты теплового генератора или дефекты расширительного резервуара,
5. Нарушения корпусов запорной арматуры.

Утечка в трубах или в котле – самая распространенная поломка, приводящая к снижению давления в разводке схемы. Местом протечки может быть плохая пайка полипропиленовых труб или некачественная сварка металлических изделий, неплотные сопряжения труб с радиаторами, и трещины в изношенных узлах и элементах магистрали, трещины в мембране расширительного резервуара, и так далее. При этом неисправность расширительного бачка обнаруживается легко и быстро, без помощи специалистов: нужно несильно нажать на нагнетающий золотник, и если из камеры потечет или начнет капать вода, то мембрану необходимо срочно менять.

Место протечки в трубах разводки найти сложнее, особенно, если магистраль смонтирована скрытно – в нишах стен или под полом. Первым делом проводят визуальный осмотр открытых видимых участков трассы: даже на сухом полу при небольших протечках могут остаться засохшие пятна от воды – это солевые отложения или ржавчина, если трубы металлические. При правильно организованной схеме разводки аварийный участок теплотрассы можно отключить без остановки всей системы (для этого существуют коллекторы или байпасы), и безопасно обнаружить и ликвидировать неисправность.

Если визуальный осмотр не дал никаких результатов, а также, если трасса теплопровода установлена скрытым способом, магистраль необходимо опрессовать. Это значит, что в систему необходимо подать теплоноситель под высоким, максимально возможным давлением, чтобы выявить места утечки теплоносителя. Своими силами опрессовку провести сложно, так как для этого потребуется специальное компрессорное оборудование и опыт.

Теоретически опрессовка проводится следующим образом: сначала фиксируется существующее давление в системе, затем из труб сливается вся рабочая жидкость, котел и обогревательные приборы (полотенцесушители, батареи, регистры или радиаторы) изолируются, а в контур при помощи компрессора подают воздух под давлением, на 20% выше от номинального. В «накачанном» состоянии трубы должны простоять 3-5 часов, после чего повторяют замер давления в магистрали. Если давление понизилось, ищут участок, где происходит утечка: открытые взгляду стыки и швы трубопровода смазывают раствором мыла, и, если воздух будет выходить, он будет выходить с шипением и образовывать пузырьки. Аварийный участок необходимо загерметизировать или же заменить новыми трубами.

Если давления нет в системе центрального отопления, то это может быть авария на стороне котельной, или же точно такая утечка в теплотрассе, как было описано выше.

Если давление в трубах скачет в течение нескольких дней или недель, то необходимо проверить все соединения, стыки, фитинги, на предмет их герметичности и работоспособности. Это такие узлы, как:

1. Манометры и воздухоотводчики,
2. Предохранительные и перепускные клапана,
3. Автоматические воздухоотводчики и другое автоматическое оборудования для контроля и регулировки давления.

Как работает мембранный расширительный бачок и как рассчитать его объем

Расширительный мембранный резервуар это герметичная металлическая или пластиковая емкость, которая поделена на две герметичных камеры резиновой мембраной. Камера для воды подключена к контуру отопления схемы трубной разводки. Водяная камера подключена к контуру отопления. В воздушной камере создается рабочее давление, и сколько бар необходимо поддерживать в этом отсеке расширительной емкости, зависит от конкретной схемы отопления, длины труб, количества радиаторов и характеристик котла.

Циркуляционный насос, врезанный в отопительный трубный контур, создает номинальное давление для рабочей жидкости. Кроме того, дополнительное давление появляется от нагрева теплоносителя. Объем воды, который появляется вследствие ее расширения и повышения давления, подается в водяную камеру расширительного резервуара. Так как при рабочем давлении в трубах оно будет всегда выше, чем в воздушном отсеке резервуара, резиновая мембрана выгибается, изменяя объем обеих камер. Поэтому повышенное давление в водяной камере уменьшается из-за того, что в воздушной камере давление увеличивается. Такая конструкция бачка помогает поддерживать показатель давления в трубах приблизительно на одном стабильном уровне. Излишки нагретой воды сливаются в канализацию дома или квартиры, давление стабилизируется.

Как рассчитать требуемый объем расширительной емкости мембранного типа, чтобы контур был стабильным, а сам бак не занимал много места:

Vb = Vс х Kt / F,

Где:

1. Vb рассчитываемый объем расширительного резервуара,
2. Vс общий объем рабочей жидкости в контуре,
3. F коэффициент эффективной работы расширительной емкости,
4. Kt коэффициент, который применяется при расширении объема нагревающейся рабочей жидкости. Этот коэффициент будет разным для обычной воды и для антифризов, и его значение берут из справочных таблиц.

Также объем мембранного резервуара можно определить следующими способами:

1. Снять показания водомера, чтобы узнать, сколько воды требуется на полное заполнение труб отопления,
2. Рассчитать и сложить результаты объемов всех узлов контура – рубашки отопительного котла, объема всех труб теплотрассы, объема радиаторов и системы «теплый пол», если она есть.
3. Если отопление монтируется в небольшом здании (садовый или дачный домик), то можно обойтись и без расчета, а применить простейшее правило: на 1 кВт тепловой мощности теплогенератора расходуется около 15 литров рабочей жидкости, которую заливают в систему.

Коэффициент F расширительного резервуара также рассчитывается по такой формуле:

F = (Pmax – Pb) / (Pmax + 1),

Где:

1. Pmax – максимально допустимое давление в рабочем контуре отопления. Pmax зависит от множества факторов, в том числе и от технических и эксплуатационных характеристик котла, а также от конструкции и параметров радиаторов и запорной арматуры в схеме,
2. Pb давление, которое должно, быть в системе в рабочем режиме воздушной камеры расширительного резервуара. Этот показатель обычно указывается в техническом паспорте изделия, так как рассчитывается еще при проектировании бака. Кроме того, бывают случаи, когда поднимать давление в воздушном отсеке расширительной емкости приходится самостоятельно. Для этого воздушная камера оборудуется специальным ниппелем. При таком устройстве мембранного резервуара подкачивать воздух и контролировать давление в бачке можно обычным автомобильным насосом со встроенным манометром.

Стандартное давление для небольших отопительных контуров отопления с ручной подкачкой насосом – 1-1,5 Атм. Зная этот параметр, можно использовать его в вышеприведенной формуле.

Выводы

При монтаже любой отопительной схемы помните, что нерабочая или часто ломающаяся схема – это дополнительные денежные и другие материальные расходы, это отсутствие комфортного микроклимата в доме, это угроза безопасности и здоровью проживающих в доме людей, поэтому соблюдение и поддержка номинального давления в трубах жизненно необходима.

Нормальное рабочее давление в системе отопления

Централизованные системы отопления, подающие тепло в квартиры многоэтажек — сложны технически, проектируются с учетом всех норм и требований, и монтируются профессионалами. И все же в процессе эксплуатации отопительной системы нередки накладки, одна из которых, не вызывающая аварий, но крайне неприятная — это холод в квартире, подключенной к центральному отоплению. Так или иначе все аварии и снижение эффективности системы связаны с давлением. Нормальное рабочее давление системы — залог полноценной циркуляции теплоносителя и обеспечение требуемой отдачи тепла в квартиру, но не менее важен факт, что только при постоянном нормальном давлении система будет работать безаварийно и надежно. Возможна ли проверка нормы давления, выяснения причин понижения и повышения фактического давления в системе? Эти вопросы начинают волновать владельцев квартир, обогреваемых централизованным отоплением, когда этот обогрев становится явно недостаточным для комфорта жизни.

Автономная отопительная система индивидуального дома требует полного контроля со стороны владельца, с этой целью в системы интегрирован блок контроля: самое простое — это обязательные манометры и термометры, датчики параметров и система сигнализации, но современные системы значительно ближе к автоматической регулировке. Контуры, в которых давление создается естественно — за счет разниц удельного веса нагретого и остывшего теплоносителя — для частных домов все еще не редкость, но более современные системы с циркуляционными насосами, или с принудительной циркуляцией, постепенно вытесняют старую схему, и одна из причин — возможности контроля системы.

Кратко о норме давления отопительной системы

Норму давления в системе подразделяют на рабочую и опрессовочную.

Централизованная система проверяется после завершения монтажа и/или ремонта и восстановления созданием давления теплоносителя, которое называется опрессовочным давлением. Кроме того, опрессовку проводят и перед очередным отопительным сезоном. Опрессовка — меры, включающие создание повышенного давления теплоносителя в системе на нормативный период времени. Система и каждый ее элемент должны эту повышенную нагрузку выдержать; результат проверки покажет, насколько отопление работоспособно; соединения контуров надежны; трубы и радиаторы целы; снижения проходимости нет. Возможность перепадов давления и гидравлических ударов при работе отопления возможна, и проверка опрессовочным давлением служит испытательным мероприятием.

Рабочее давление — это постоянное давление в системе весь отопительный период. Причем система испытывает и статическое и динамическое давление:

1. Статическая составляющая — это результат естественного напора теплоносителя, который поднимается по стоякам, и зависит от высоты здания, от его этажности.
2. Динамическое давление — это результат и «цель» работы системы; динамическую составляющую рабочего давления создают циркуляционные насосы.

Многоэтажные дома имеют сложные отопительные системы, часто с подпиткой снизу первых этажей при верхней разводке, или состоящие из двух и более поэтажных контуров. Верхняя разводка встречается чаще, при этом теплоноситель подается насосами на верхний этаж, и давление со скоростью потока при этом немалые. К примеру, отопление девятиэтажного дома проектируется по норме давления 0,5-0,7 МПа, или шесть и более атмосфер. Дома выше девяти этажей имеют центральные системы отопления, работающие с давлением свыше 8-9 атм. При этом показатель рабочего давления в трубопроводах первого и самого высокого этажа также нормируется, и разница не должна быть больше чем на 1/10. Аналогично разница величин давлений опрессовки не должна быть больше 1/5.

Понятно, что давление в подающем и обратном трубопроводах контура отопления многоэтажки значительно отличается — если на подачу идет давление в 6,0 атм, то обратка работает при давлении всего 4,0-4,5 атм. Но эти показатели — всего лишь статистика, на конкретную цифру влияют многие факторы, один из важнейших — пропускная способность системы. Например, у черных водогазопроводных труб, применяемых и сегодня наряду с современными металлопластиковыми, полиэтиленовыми и РРR-трубами, немало достоинств, но их коррозия крайне негативно влияет на чистоту внутренних проходов в магистралях и контурах, и соответственно — на рабочее давление системы в целом.

Причины перепадов давления в отопительной системе:

• Банальная и самая распространенная причина снижения давления, с которой трудно бороться — это известковые наслоения на стенках труб и приборов отопления и засоры теплоносителя.
• Циркуляционный насос или группа насосов — устарели, котельную давно пора переоборудовать: износ оборудования снижает КПД всего отопительного механизма. Возможен и форс-мажор, когда насосы выходят из строя и циркуляция замирает, или — как вариант, надолго отключена электроэнергия.
• Давление неминуемо упадет при разгерметизации системы, в результате утечки теплоносителя.
• Централизованные отопительные системы оборудуются элеваторными узлами, главная цель которых — распределить теплоноситель по стоякам. Если помещение элеватора холодное, и температура воздуха часто снижается до отрицательной, то реакция элеваторного узла возможна такая — повышение рабочего давления системы.
• Тот участок отопительной системы, что находится в квартире (по сути, цель всей работы обогрева) так же требует внимания и ответственности. Если трубы заменены самовольно и неграмотно, например, врезаны участки трубопровода с расширением или сужением сечения прохода, или на радиаторах установлены запорные вентили без байпасной перемычки (в квартире верхнего этажа было жарко по причине наличия схемы с верхней разводкой), или на существующий байпас был поставлен кран — все это вызовет реакцию системы, то есть снижение и (реже) повышение давления. Подобные действия неправомерны и смешны, но удивляет то, что до сих пор находятся люди, которые живя в многоквартирном доме предпринимают поистине удивительные меры, чтобы повысить свой комфорт. Один из анекдотов сантехника — установка в квартире нескольких батарей отопления с выводом для обогрева балкона; или монтаж прибора с заведомо завышенной тепловой мощностью; или — как минимум, добавление значительного числа секций на радиаторы.
• Воздух в отопительной системе — враг нормального давления и работы. Радиаторы должны быть снабжены воздухоотводчиками, воздух должен своевременно стравливаться, а обязанность хозяев — своевременная проверка и «сброс воздуха». Сейчас радиатор, не оборудованный даже элементарным, проверенным временем краном Маевского, сложно встретить и в старых домах, а новые системы обогрева высоток проектируются с автоматическими воздухоотводчиками, регулировочными (балансировочными) клапанами, или редукторами давления, и конечно, с терморегуляторами и счетчиками тепловой энергии.
• Очень важен теплоноситель, его вид и качество. При низком качестве и засорах очень возможна нестабильность давления.

Гидравлические удары — это реакция системы, предвидеть время и локализацию которой невозможно. Давление повышается местно и резко, но на краткое время. При покупке новых радиаторов следует уточнить все их параметры, и убедиться в имеющемся запасе прочности приборов. К примеру, если опрессовочное давление системы дома 10 атм ( эти данные общедомовые и в доступе), то радиатор рациональнее брать с характеристикой давления, равной 14-15 атм, то есть с запасом.

Еще один, «законный» перепад давления — это опрессовка. Когда проводятся подготовительные работы и систему готовят к отопительному сезону, то обязательно проверяют ее на повышенное нормативное опрессовочное давление. Выясняя уязвимость системы по участкам и отсутствие в ней слабых звеньев по теплу, до морозов — снимают глобальную проблему зимних ремонтов и отключений жилья от тепла. Так же будут перепады в результате испытательной нагрузки (и значительные — от 0,5 до 1,5 раза и более) в тех случаях, если систему проверяют после ремонта или модернизации.

Контролируют давление и температуру системы общедомовые КИПы (контрольно-измерительные приборы) теплового пункта, установленные в элеваторных узлах. Для квартиры контроль состояния личного участка теплораздачи возможен и приветствуется — специальные контрольные приборы монтируют по согласованию, обычно на входы теплоносителя в радиаторы.

Централизованное отопление. Меры против перепадов давления в индивидуальном тепловом пункте с элеваторным узлом

Основные мероприятия по стабилизации давления центрального домового отопления — задача управляющих компаний. Понятно, что от теплоэлектроцентрали в домовую котельную приходит теплоноситель с высокой температурой и под высоким давлением, в квартиру же подается теплоноситель со сниженными до безопасных параметрами, по нормативам. Все настройки производятся в тепловых пунктах, точнее в элеваторных узлах. В элеваторах магистральная горячая вода смешивается с остывшей водой из обратного трубопровода, для непрерывной подачи в отопительный контур. Кратко о конструкции элеваторного узла: состоит узел из смесительной камеры, имеющей сопло определенного размера, от этих размеров и зависит подача тепла в систему домового отопления. Кроме того, магистральный теплоноситель высокой температуры попадает в систему обогрева дома только после смешивания с «холодной» обраткой — эти операции также выполняются в элеваторе.

Работа теплосетей, устройство теплового пункта многоэтажного дома и элеваторного узла — сфера специалистов и для непрофессионала «темный лес», но принцип работы теплопункта и его упрощенная схема знакомы практически всем. Основные узлы, трубопроводы и детали:

• Подача и обратка центрального магистрального трубопровода.
• Для отключения внутридомовой системы от магистрального теплоносителя — задвижки, ручные и автоматические, работающие на электроприводах.
• Соединения — фланцы.
• Чтобы предотвратить засор циркулирующего в домовом контуре теплоносителя, включают в систему фильтры, или грязевики. Центральная магистраль имеет большее сечение труб, чем внутренняя теплосеть, и нерастворимый мусор и включения могут стать проблемой для трубопровода домовой сети. Система фильтров эту проблему решает.
• Для контроля давления — группы манометров, причем отдельно на магистральную трубу до элеватора, и отдельно — после элеватора (после раздачи). Разница показаний и дает значение уровня давления внутридомовой теплосети.
• Для контроля температуры — группы термометров, также установленные на подающий и возвратный трубопроводы.
• Собственно водоструйный элеваторный узел со смесительной камерой, для приведения параметров теплоносителя к нормативным для конкретного здания. Остывший теплоноситель направляется по трубе-перемычке из обратного трубопровода в смесительную камеру элеватора. чтобы отключить элеватор от внутридомового теплового контура, в случае необходимости профилактики или ремонта, имеется группа задвижек.
• Подающая и обратная трубы внутридомового теплового контура.

Основные проблемы недостатка, избытка и стабилизации рабочего давления должны решаться специалистами, для этого существуют плановые техосмотры и профилактика, замена КИПов в случае из повреждения или износа. Инновационные регулировочные системы в наше время внедряются стремительно, но, тем не менее, проверенные временем несложные и надежные элеваторы проектируются и строятся. Правильная регулировка элеваторных узлов и контроль их работы — основной метод стабилизации давления в отопительной системе, но владельцы квартир также могут повлиять на данный процесс, как негативно, так и очень грамотно и позитивно:

• По стандарту внутридомовая отопительная сеть имеет стояки с Ду (диаметр условного прохода) от 25 до 33 мм. И трубы отопления в квартире должны быть того же диаметра, что и подающий и обратный стояки. При ремонтах и врезках новых труб нельзя сужать или расширять сечение прохода на локальном участке — трубу следует приобретать точно такую же, как основной трубопровод.
• Регулярный осмотр всех труб внутриквартирной разводки, соединений с радиаторами, приборов контроля и их соединений — необходим.
• Удаление воздуха из отопительных приборов с теплоносителем. Для квартиры на верхнем этаже это крайне важно. Современный радиатор оснащен встроенным воздухоотводчиком, ручным или автоматическим, но если по какой-либо причине крана или вентиля для стравливания воздуха нет — его следует поставить, хотя бы самый бюджетный вариант кран Маевского.
• Гидравлические удары возможны и случаются, в основном при опрессовке и пробном пуске системы в порядке испытания перед отопительными сезонами. Если вмонтировать на подающий стояк при входе в квартиру редуктор давления, то негатив в виде резкого скачка давления и гидроудара, опасный для соединений труб и радиаторов, будет минимизирован.

Автономная система отопления для квартиры в многоэтажке — сложный технически, дорогостоящий, трудный и долгий в контексте узаконивания, но реально выгодный шаг; и опыт владельцев квартир это подтверждает. Главное преимущество автономных методов обогрева квартиры — оплачивать придется только то тепло, которое необходимо и подключено лично хозяевами, то есть по факту потребления. Важно и то, что холодным летом или весной при отключенной центральной системе можно жить в тепле и комфорте.

Регулировка и учет тепла реализуются, в числе прочих мер, и установкой дополнительного оборудования — счетчиков тепла, терморегуляторов на каждый радиатор и необходимых для корректной работы автоматических (динамических) балансировочных клапанов. Новое поколение клапанов с оптимальным сочетанием технических характеристик, надежности и цены, позволяет выполнить несложную наладку отопительной системы квартиры посредством монтажа балансировочных клапанов на каждом поэтажном коллекторе.

Далее — о контроле и стабилизации давления в автономных системах частных домов и квартир.

Система отопления, в основном многоэтажные дома

(57) Реферат:

границ | Проектирование массивных деревянных панелей в качестве теплообменников (динамическая изоляция)

1. Введение

На строительство зданий приходится 28% выбросов парниковых газов (ПГ), в то время как 11% выбросов связаны со строительной деятельностью, в основном с производством строительных материалов, таких как цемент и сталь (Международное энергетическое агентство и Программа ООН по окружающей среде, 2018 г. ).В ближайшие десятилетия рост и урбанизация мирового населения создаст огромный спрос на новые здания и инфраструктуру. Таким образом, «воплощенные» выбросы в строительном секторе должны резко возрасти, так же как и глобальные выбросы должны резко сократиться (Röck et al., 2020). Возможно ли превратить эту потенциальную угрозу для глобальной климатической системы в мощное средство смягчения последствий изменения климата?

1.1. Утилизация углерода

Существует растущая вероятность того, что для достижения климатических целей потребуются методы удаления углерода, также известные как «отрицательные выбросы».Ученые и практики начали анализировать потенциал новых зданий как глобального поглотителя углерода (Чуркина и др., 2020; Hoxha и др., 2020; Помпони и др., 2020). Существует ряд материалов, которые могут хранить C или CO ₂ , включая древесину, бетон, бамбук, коноплю и солому. Бетон традиционно является источником выбросов CO ₂ из-за интенсивного производственного процесса, но может реабсорбировать значительное количество углерода в течение длительного срока службы (Cao et al., 2020). Последние достижения в области производства — адаптация процесса отверждения для поглощения большего количества углерода или минерализация CO ₂ , полученного в дымоходе для использования в качестве заполнителя, — открывают возможности для использования углерода в бетонной промышленности помимо газирования в течение всего срока службы (Monkman and MacDonald, 2017; Habert et al., 2020). Между тем, биогенные материалы, такие как древесина и бамбук, растут путем фотосинтеза, улавливая углерод в своей биомассе. Собранные продукты биомассы могут обеспечивать отрицательные выбросы в течение жизненного цикла, если леса или посевы хорошо управляются и продукты являются достаточно долгоживущими по сравнению с их циклом роста биомассы (Guest et al., 2013; Levasseur et al., 2013). Композиты, такие как растительный бетон — бетоны, в которых в качестве связующих используются такие быстрорастущие культуры, как конопля или солома, — потенциально могут использовать влияние накопления как биогенного поглощения углерода, так и карбонизации (Pittau et al., 2018). Согласно недавнему анализу, древесина и бетон могут хранить ~ 0,5 Гт CO ₂ в год при условии надлежащей координации их производственных циклов (Hepburn et al., 2019). Эти потенциальные количества ставят новые здания в один ряд с другими лидерами в использовании атмосферного углерода в техносфере.

Если здания могут работать вместе с лесами в качестве глобального поглотителя углерода, то интеграция проектирования может многократно увеличить потенциал сокращения выбросов. Например, если массивные деревянные конструкции могут активно создавать внутренний климат, используя только низкопотенциальное тепло, потребность в дополнительных материалах и механических системах будет меньше. Показатель умножения сокращений выбросов ПГ за счет функционального замещения известен как «фактор замещения» (Smyth et al., 2018; Seppälä et al., 2019; Hurmekoski et al., 2020).Однако для того, чтобы использование CO ₂ полностью раскрыло свой потенциал, углеродсодержащие материалы должны делать больше, чем заменять обычные материалы по частям. Материалы должны выполнять как можно больше функций, чтобы они могли заменить целые системы с интенсивным выбросом вредных веществ.

1,2. Радикальная интеграция

Какие достижения в области материаловедения могут обеспечить такую ​​радикальную интеграцию? «Разработанные пористые среды» — это материалы, имеющие внутреннюю и внешнюю форму для обмена теплом и массой (Bejan et al., 2004). Подобно «Архитектурным материалам» (Estrin et al., 2019) и «Формоактивным структурам» (Wu et al., 2020), инновационный аспект заключается в том, как морфология материала управляет потоком энергии. Применение этих новых методов может стать ключом к совершенствованию строительных материалов, хранящих углерод. Не только для улучшения их структурных характеристик, но и для интеграции функций охлаждения и вентиляции, поэтому дополнительные материалы и механические системы не требуются.

Одним из примеров является проектирование массивных деревянных панелей в качестве теплообменников или «дышащих стен».«Принцип состоит в том, чтобы ввести воздушные каналы в твердое тело и оптимизировать их размер и расстояние, чтобы исходящая проводимость нагревала входящий воздух. Этот метод может сделать изоляцию и облицовочные материалы ненужными, помогая упростить системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Рисунок 1 объясняет концепцию теплообмена и принцип оптимизации геометрии. В недавнем исследовании использовались физические эксперименты для проверки корреляции для оптимизации теплообменных материалов (Craig and Grinham, 2017). Корреляция дизайна была первоначально разработана другими исследователями (Kim et al., 2007) для экстремальных температурных условий, но результаты исследования 2017 года показывают, что он работает и для строительных материалов в умеренных условиях. Этот документ является продолжением их работы. В нем рассматривается, как применить соотношение и принципы проектирования к массовым деревянным панелям. «Массовая древесина» относится к изделиям из инженерной древесины, ламинированным из более мелких плит на структурные компоненты, такие как клееные балки (клееный брус) или панели из поперечно-клееной древесины (CLT).

Рисунок 1 . Как оптимизировать размер и расстояние между каналами, чтобы спроектировать массивную деревянную панель в качестве теплообменника.Расчетные корреляции (уравнения 1–14) были первоначально разработаны для аэрокосмических приложений (Kim et al., 2007), но было показано, что они работают для строительных материалов (Craig and Grinham, 2017). Это исследование применяет их к массивной древесине.

1,3. Динамическая изоляция

Использование конструкционного материала в качестве теплообменника делает его разновидностью технологии динамической изоляции (DI). DI начинался как новая стратегия вентиляции сельскохозяйственных зданий в холодном климате. Инженеры описали, как всасывать свежий воздух через слой волокнистой изоляции, уменьшая потери проводимости и одновременно нагревая воздух (Bartussek, 1981).В начале девяностых исследователи установили DI в жилом доме в Японии и сообщили о 50% -ном сокращении потерь тепловой оболочки (Dalehaug et al., 1993). Вскоре последовали два значительных прогресса в теории DI. Была разработана простая аналитическая модель для описания устойчивого теплообмена в DI, когда известны температура внутренней поверхности или скорость поверхностной конвекции (Taylor et al., 1996, 1998; Taylor and Imbabi, 1997, 1999, 2000). Подробная аналитическая модель была также разработана, чтобы учесть эффекты аккумулирования тепла и показать влияние периодических изменений во внешней среде (Krarti, 1994).

В последние годы возобновился интерес к теории, измерению и проектированию систем DI. Группа из Миланского политехнического университета описала микроскопические эффекты теплообмена в волокнистой изоляции и разработала прибор для тестирования панелей с диэлектриком (Alongi and Mazzarella, 2015a, b). Они использовали устройство для проверки поведения теплообмена в установившихся и периодических условиях по сравнению с простыми и подробными аналитическими моделями (Alongi et al., 2017a, b, 2020). Группа из Университета Хуачжун разработала конечно-разностную модель и аппарат для тестирования DI (Wang et al., 2018; Zhang et al., 2019а, б). Их работа показывает, как уменьшить рост оболочки летом, вытесняя отработанный воздух через изоляцию. Многие сотрудники разработали стратегии управления DI и определили потенциальную экономию энергии для «переключаемых» значений U в различных контекстах (Park et al., 2015; Menyhart and Krarti, 2017; Shekar and Krarti, 2017; Rupp and Krarti, 2019). ; Даббаг и Крарти, 2020; Дехва и Крарти, 2020). Вместо использования пористого материала в качестве теплообменника они разработали перегородки, которые можно открывать или закрывать, чтобы контролировать конвекцию внутри герметичной панели.

1,4. Почему Вуд?

Было показано, как ввести воздушные каналы в стандартные строительные материалы и оптимизировать их для теплообмена (Craig and Grinham, 2017). Эта новая возможность предлагает другой способ строительства, более подходящий для задач удаления углерода. Вместо того, чтобы строить конструкцию и облицовывать ее слоями специальных материалов, возможно, удастся объединить все основные функции в одном материале. Но какой материал? Как уже говорилось, такие материалы, как древесина, бетон, бамбук, солома и конопля, могут накапливать углерод в глобальном масштабе (Hepburn et al., 2019; Чуркина и др., 2020). Древесина и бетон — единственные, которые сегодня широко используются в строительной отрасли, но в каждом случае необходимо преодолеть серьезные проблемы. Например, биогенные материалы должны быть достаточно долгоживущими по сравнению с ростом их биомассы, чтобы увеличивать накопление углерода в строительном секторе, не нанося ущерба лесам или запасам углерода насаждениям (Guest et al., 2013; Pingoud et al., 2018). Лесам требуются десятилетия, чтобы отрасти, в то время как для таких культур, как бамбук, конопля и солома, период ротации может составлять всего 1 год.Однако эти быстрорастущие материалы требуют более интенсивного производства и дополнительных материалов, чтобы превратить их в монолитный материал, пригодный для предлагаемого метода теплообмена. Между тем, бетон требует значительных изменений в процессах отверждения и производства, чтобы сократить выбросы от колыбели до ворот, но сохраняет карбонаты в течение десятилетий или столетий, в то время как биогенные материалы, такие как древесина, подвержены риску высвобождения в поздний срок.

Несмотря на препятствия, цепочки поставок и жизненные циклы продуктов для всех инженерных материалов нуждаются в коренном пересмотре, и в обеих областях необходимо провести важные исследования.Отрасли, вероятно, потребуются технологии как биогенного хранения углерода, так и технологии декарбонизации в бетонной промышленности, чтобы иметь шанс обратить вспять тенденцию к увеличению выбросов в ближайшие десятилетия. Основное внимание в этом исследовании уделяется древесине, поскольку она уже широко используется, а ее тепловые свойства делают ее идеально подходящей для предлагаемого метода теплообмена. На рисунке 2 сравнивается устойчивый теплообмен двух панелей, одной деревянной и одной бетонной. Оба они оптимальны, рассчитаны на одинаковую относительную скорость теплообмена.Однако бетонная панель нецелесообразна, потому что абсолютные требования к нагреву и тепловые потери слишком высоки. Причина в теплопроводности бетона, которая в 10 раз выше, чем у дерева (см. Рисунок 6 в разделе 4). Низкая теплопроводность древесины делает ее уникальной по сравнению с другими конструкционными материалами. Он не только может накапливать углерод и поддерживать здание, но также может соответствовать строгим стандартам по потерям проводимости без чрезмерной вентиляции или перегрева.

Рисунок 2 .Принцип теплообмена, показанный на рисунке 1, изображен в виде санки: U ₀ представляет потери тепла по базовой линии, U ₁ общий теплообмен, U ₂ приток тепла от вентиляции и U ₃ кондуктивные потери тепла. Древесина имеет более низкую теплопроводность, чем бетон, поэтому потери теплопроводности ( U ₃ ) можно уменьшить без чрезмерной вентиляции ( U ₂ ) или перегрева ( U ₁ ), что делает ее более подходящей. к этому приложению.

1,5. Граничные условия

Один давний вопрос в исследованиях DI с пористыми материалами — какие граничные условия использовать при моделировании. Полевые эксперименты показали, что температура на внутренней поверхности ниже прогнозируемой, что отрицательно сказывается на тепловом комфорте и экономии энергии (Dalehaug et al., 1993).

Как ведет себя конвективная пограничная пленка на внутренней поверхности? Этот вопрос важен для исследования DI, потому что пористые материалы должны получать тепло из комнаты, прежде чем они смогут обменять его с входящим воздухом.Используя визуализацию Шлирена, исследователи обнаружили, что пористые материалы теряют тепловой контакт с комнатным воздухом, когда входящий воздух поднимает граничную пленку с внутренней поверхности (Craig and Grinham, 2017). Они также обнаружили тонкие эффекты на внешней поверхности. Конвекционная теплопередача была увеличена в несколько раз, а тепло в граничной пленке засасывалось обратно в материал. Они пришли к выводу, что существует возможность рекуперации тепла на внешней поверхности, и что лучше всего нагревать внутреннюю поверхность путем прямого контакта.

Следуя этой рекомендации, тестовые панели в настоящем исследовании нагреваются непосредственно на внутренней поверхности. Не требуется много обогрева. Например, для примера деревянной панели на Рисунке 2 требуется только U1 = 2 (Вт / м2 · К), что находится в диапазоне стандартных полов с подогревом. В настоящем исследовании использовался электрический резистивный нагрев, поскольку это было практично с учетом имеющихся ресурсов. Специальная гидравлическая панель была изготовлена ​​для нагрева испытательных панелей в исследовании Шлирена. Стандартные капиллярные трубки также подходят для прямого контактного нагрева.Для будущих применений предпочтительны гидравлические контуры. Технологии обогрева или охлаждения, в которых используются большие теплообменные поверхности внутри помещений, называются излучающими системами или термоактивными поверхностями (TAS) (Moe, 2010; Rhee and Kim, 2015; Rhee et al., 2017). Большой TAS с водяным контуром, подключенным к тепловому насосу с низким подъемом, может использовать небольшие перепады температур от возобновляемых стоков и источников, таких как солнечная, геотермальная и инфракрасная область неба (Meggers et al., 2012 ; Лим, 2019).

1.6. Естественная вентиляция

Если гидронные поверхности идеально подходят для мономатериальных теплообменных оболочек, есть ли другие возможности для интеграции функций HVAC? Естественная вентиляция играет важную роль в минимизации инфраструктуры HVAC и ее выбросов в течение жизненного цикла (Kiamili et al., 2020). Значительные успехи были достигнуты в понимании жидкостной механики выталкивающей вентиляции, которая управляется теплом, а не ветром. Например, прорыв произошел в 2009 году, когда исследователи охарактеризовали автоматический механизм рекуперации тепла, известный как «естественное перемешивание» (Woods et al., 2009). Когда теплый воздух поднимается и выходит, свежий воздух заменяет его, попадая через то же отверстие. Выходящий воздух предварительно нагревает входящий воздух в состоянии динамического равновесия.

Некоторые исследователи изучили возможность сочетания DI с естественной вентиляцией (Etheridge and Zhang, 1998; Ascione et al., 2015; Park et al., 2016). Связь может быть усилена за счет использования мономатериалов, теплообменных оболочек (то есть «дышащих стен»). Используя эффект плавучести, все тепло- и воздухообмены можно контролировать с помощью встроенной гидравлической поверхности.На рисунке 3 показаны две возможности. С левой стороны плавучесть обеспечивает вентиляцию, но на выходе нет рекуперации тепла. Справа показана гипотеза о том, как восстановить вентиляцию на выходе с помощью двойной оболочки. В этой статье не рассматриваются естественные контуры рекуперации тепла. Тем не менее, он делает первый шаг, показывая, что возможно соединить дышащие стены с выталкивающей вентиляцией в идеальных условиях.

Рисунок 3 . Умозрительные схемы, подсказывающие, как соединить «дышащие стены» с вытяжной вентиляцией. (слева) Плавучесть обеспечивает вентиляцию, но нет рекуперации тепла на выходе. (справа) Гипотеза о том, как восстановить вентиляцию на выходе с помощью двойной оболочки.

1,7. Outlook

В данной статье представлены результаты трех экспериментов, которые характеризуют поведение массивных деревянных панелей, оптимизированных в качестве теплообменников. Предоставляется приложение, чтобы читатели могли самостоятельно оценить возможные варианты дизайна (Craig and Fortin, 2020). В первом эксперименте измеряется устойчивое состояние панели, подвергшейся ступенчатому изменению нагрева.Во втором эксперименте измеряются изменения теплообмена из-за изменения температуры. Последний эксперимент показывает, что можно втягивать вентиляцию через панели, используя тепловую плавучесть вместо вентилятора, при сохранении ожидаемой скорости теплообмена.

2. Теория

2.1. Устойчивый теплообмен

На рис. 1 показан принцип оптимизации параллельных каналов в твердом материале для «встречного» теплообмена. Для этого сценария были разработаны две численные корреляции (Kim et al., 2007). Обе корреляции были экспериментально подтверждены (Craig and Grinham, 2017). Первая корреляция дает оптимальное расстояние между каналами:

, где H _opt — оптимизированное расстояние между каналами, L — толщина панели, k — теплопроводность материала панели и k _a — теплопроводность воздух. Число Беджана, Be , определяется как:

, где Δ P — расчетное давление, μ — динамическая вязкость воздуха, а α — коэффициент температуропроводности воздуха.Пустотная доля панели Φ определяется как:

, где D — диаметр каналов. Геометрия показана на рисунке 4.

Рисунок 4 . Определение геометрии панели.

Вторая корреляция предсказывает общую (нормализованную) теплопередачу через оптимальную конструкцию:

Количество тепловых единиц, NTU , представляет собой отношение общего коэффициента теплопередачи при теплообмене, U ₁ , к базовому условию при отсутствии теплообмена U ₀ :

, где q1 ″ — тепловой поток на нагретой внутренней поверхности, T _s — температура нагретой внутренней поверхности, а T _e — температура наружного воздуха (который входит по каналам).Во время ощутимого устойчивого теплообмена поверхностный тепловой поток (q1 ″) частично передается входящему воздуху (q2 ″), а оставшаяся часть (q3 ″) теряется во внешнюю среду из-за теплопроводности:

Рисунок 2 иллюстрирует этот баланс теплообмена, который также может быть определен в терминах коэффициентов теплопередачи:

где:

и ε — эффективность теплообмена:

Эти определения ε и NTU действительны до тех пор, пока поверхностный тепловой поток (q1 ″) или температура поверхности ( T _s ) постоянны и однородны.Интегрированная гидроника может точно аппроксимировать оба граничных условия (Craig and Grinham, 2017). В любом случае ε эквивалентно относительному увеличению температуры поступающего воздуха:

, где T _i — температура входящего воздуха в момент, когда он выходит из каналов и попадает во внутреннее пространство. Обратите внимание, что при ε → 1, T _i → T _s .

Следуя соглашению в литературе по динамической изоляции, U ₃ в уравнении (10) может называться «динамическим значением U ». Однако важно подчеркнуть баланс, выраженный в уравнении (7) и проиллюстрированный на рисунке 2. То есть достижение низких значений для U ₃ не должно происходить за счет чрезмерной вентиляции ( U ₂ ) или перегрев ( U ₁ ). Расход воздуха на единицу площади панели определяется как:

и имеет единицы: м / с или м ³ / м ² / с .Наконец, есть важный предел размера, на который следует обратить внимание:

Уравнения (1) и (4) недействительны, если этот предел превышен. Панель слишком тонкая относительно расстояния между каналами. Физически недостаточно места для того, чтобы тепло могло изгибаться к каналам, как показано в правой части рисунка 1 (тепло распространяется только на более низкие температуры, поэтому « изгиб » потока более чем на 90 ° будет противоречить второму закону термодинамика).

Приведенные выше уравнения описывают устойчивый теплообмен в оптимизированных панелях.Каковы последствия проектирования для массивной древесины? На рисунке 5 показан снимок экрана приложения, которое можно загрузить бесплатно и которое решает приведенные выше уравнения, чтобы помочь оценить варианты оптимизации массовых деревянных панелей в качестве теплообменников (Craig and Fortin, 2020). В приложении есть четыре управляющих параметра. Дизайнеры могут выбирать значения для каждого параметра из указанного диапазона (эти диапазоны легко настроить, изменив исходный код):

• Теплопроводность к ( Вт / м · К ) основного материала.Диапазон 0,1 < k <0,4 был выбран для охвата большинства пород древесины хвойных и лиственных пород, независимо от ориентации волокон (см. Рисунок 6).

• Коэффициент теплопроводности, то есть U3 (Вт / м2 · К), «динамическое значение U ». Этот широкий диапазон был выбран для того, чтобы исследователи могли оценивать различные конструкции, выбирая между стандартами U в разных странах или высокопроизводительными стандартами, такими как Passivhaus .

• Коэффициент нагрева поверхности U1 (Вт / м2 · K) (который можно регулировать с помощью встроенного жидкостного нагрева).Диапазон 1 < U ₁ <4 намеренно занижен, как и у стандартных полов с подогревом. (Напомним, что иметь низкие потери проводимости бессмысленно, если для достижения этой цели требуется слишком много тепла)

• Расчетное давление △ P ( Па ), которое прикладывается к панели посредством всасывания. Диапазон 2 <△ P <8 был выбран потому, что эти давления можно поддерживать механически с помощью вентилятора или естественным образом с использованием тепловой плавучести (эффект суммирования).

Рисунок 5 . Скриншот приложения, написанного для партнера по этой статье, которое можно бесплатно загрузить здесь (Craig and Fortin, 2020). Он решает уравнения (1) — (14), показывающие, как оптимизировать массовые деревянные панели в качестве теплообменников.

Рисунок 6 . Измерения тепловых свойств сосны южной желтой: проводимость ( k) , коэффициент диффузии (α) и объемная теплоемкость (ρ c ). Измерения проводились на радиальных и поперечных образцах.Данные нанесены на график вместе с другими древесными и строительными материалами для справки. Образцы сосны были испытаны в комнатных условиях (T = 23 C и относительная влажность 49%).

В таблице 1 сравниваются три возможных проекта теплообменных массивных деревянных панелей, рассчитанных с помощью приложения. Во всех трех гипотетических случаях достигается одно и то же низкое «динамическое значение U », U3 = 0,2 Вт / м2 · К, что находится в диапазоне значений U , установленных строгими правилами энергоэффективности. Различия между вариантами дизайна связаны с панельным отоплением, которое изменяется с небольшими приращениями (U1 = 2,3,4 Вт / м2 · K).Панели становятся тоньше по мере увеличения нагрева поверхности ( L ≈ 23, 18, 15 см ). Обратите внимание, что эта толщина находится в диапазоне стандартных толщин для панелей CLT. Другое изменение касается расхода воздуха на единицу площади панели, который увеличивается ( u ≈ 10, 14, 16 l / с / м ² ) по мере того, как панели становятся тоньше. Эти показатели означают, что примерно один квадратный метр панели удовлетворяет потребности одного человека в вентиляции. Для контекста международные стандарты рекомендуют скорость вентиляции ~ 10 л / с на человека в офисной среде, хотя неблагоприятные последствия для здоровья или производительности были задокументированы, когда скорость вентиляции достигает 25 л / с на человека (Carrer et al., 2015).

Таблица 1 . Три примерных варианта деревянных теплообменных панелей, каждый из которых оптимизирован для U3 = 0,2 Вт / м2 · K.

Прилагаемое приложение показывает, что относительно высокая скорость вентиляции (5 < u <20 l / с / м ² ) необходима для обеспечения эффективности теплообмена (ε> 0,6), что приводит к низкому тепловыделению. -коэффициенты потерь (0,1

Поскольку панели требуют относительно высокой скорости вентиляции, они лучше всего подходят для относительно больших зданий с высокой посещаемостью. Рассмотрим кубическое здание квадратной длины x = 12 м . Он террасированный, поэтому видны только два фасада. Скорость вентиляции на единицу площади панели составляет u = 0,01 м ³ / с / м ² (т.е.е., 10 л / с / м ² ). Количество воздухообменов в час составляет N = 3, 600 · u · 2 x ² / x ³ = 7200 u / x . Если панели занимают 100% площади фасада, N = 6. Если панели занимают 50% площади фасада, N = 3 и так далее.

2.2. Переходный теплообмен

Работа деревянных панелей при устойчивом теплообмене является многообещающей, но сколько времени требуется для достижения устойчивого состояния и как суточные колебания внешней температуры влияют на теплообмен?

Модель 1994 года, описывающая переходное поведение динамической изоляции, недавно была проверена в контролируемых периодических условиях (Krarti, 1994; Alongi et al., 2020). Однако эта модель предназначена для теплообмена в одном пространственном измерении. Он подходит для волокнистых изоляционных материалов или изоляционных материалов с открытыми порами в противофлюсе, но не применяется к материалам, где поток проводимости изменяется в двух или трех пространственных измерениях, как показано на Рисунке 1. Основа принципа «дышащей стены», показанного на На рисунке 1 показано исследование, показывающее, как оптимизировать параллельные каналы для устойчивого теплообмена в экстремальных тепловых условиях (Kim et al., 2007). Эти исследователи расширили свою работу, оптимизировав древовидные каналы в установившемся состоянии, а затем охарактеризовав переходную реакцию на внезапное нагревание (Kim et al., 2008, 2009). Однако их переходный анализ применим только к древовидным каналам.

2.2.1. Время выхода на устойчивое состояние

Похоже, что в литературе нет модели для описания переходного встречного теплообмена в панели с параллельными каналами. Вместо этого тепловой отклик можно аппроксимировать как функцию числа Фурье:

, где α — коэффициент температуропроводности материала, t — время в секундах, а L _c — характерная длина, определяемая как отношение объема твердого тела к открытой площади поверхности, которая для геометрия, определенная на рисунке 4, составляет:

Число Фурье — это мера времени без единиц измерения.Это соотношение, где 1 означает, что тепло проникло на всю глубину объекта. Тепловая реакция «дышащей стены» на скачкообразное изменение температуры поверхности или теплового потока поверхности теперь может быть охарактеризована как:

, где NTU — расчетное значение в установившемся режиме, определенное уравнением (4), а a ₁ и a ₂ — эмпирические коэффициенты. Напомним, что трехмерная эволюция теплового потока через материал неизвестна.Следовательно, оба коэффициента действуют как поправочные коэффициенты для эффектов формы. На графике NTU ( t ) по сравнению с Fo , a ₁ контролирует положение кривой (и, следовательно, величину теплопередачи), тогда как a ₂ контролирует кривизну. Для калибровки стандартные аналитические растворы служат полезным ориентиром (Bart and Hanjalić, 2003; Incropera et al., 2007). Плоская стена — это сплошная стена, подверженная нагреву с обеих поверхностей.При поверхностном обогреве с постоянным тепловым потоком:

А при панельном обогреве с постоянной температурой:

, где a ₁ = 0 для обоих условий. Таким образом, мы предполагаем, что при ступенчатом изменении нагрева поверхности общий теплоперенос через «дышащую стену» будет развиваться аналогично плоской стенке той же характерной длины с небольшими различиями из-за формы. эффекты.

2.2.2. Периодический теплообмен

Что делать, если внешняя температура периодически меняется в течение суточного цикла? Когда применяется постоянная температура поверхности или поверхностный тепловой поток и по прошествии достаточного времени для получения квази установившегося состояния, общий (нормированный) теплоперенос должен периодически колебаться вокруг среднего установившегося значения.Поведение должно приближаться к полубесконечному твердому телу, но, опять же, с различиями из-за эффектов формы (Bart and Hanjalić, 2003; Incropera et al., 2007):

, где ω — угловая частота (2π / 86400). Здесь коэффициент a ₁ калибруется для величины колебаний. Мы предполагаем, что значение для a ₁ будет одинаковым в обоих уравнениях (17) и (20).

2.3. Теплообмен с вытяжной вентиляцией

Рассмотрим здание в левой части рисунка 3, работающее в устойчивом состоянии и без людей.Только встроенный TAS (термоактивная поверхность) обогревает комнату. Других явных тепловыделений или скрытых эффектов теплопередачи нет. Часть тепла от TAS передается в комнату, а остальное теряется в окружающую среду за счет теплопроводности:

, где q ₀ — общий нагрев с (обеих сторон) TAS, q _hx — общий теплообмен в комнату, а q _cl — это полная потеря проводимости через оболочку.Теплообмен от ТАС к помещению ( q _{h x} ) происходит двумя способами. Во-первых, за счет передачи поступающему воздуху через теплообменную панель. Во-вторых, при прямом контакте с комнатным воздухом через открытую поверхность:

Новые термины: A ₁ , h и T _ii — это общая площадь интегрированного TAS, средний коэффициент теплопередачи между нагретой поверхностью и воздухом в помещении, а также температура внутреннего воздуха соответственно.Для простоты предположим, что теплообмен внутри комнаты незначителен, а внутренний воздух хорошо перемешан.

Потери проводимости ( q _cl ) также происходят двумя способами. Во-первых, через заднюю часть теплообменных панелей, а во-вторых, через части ограждающей конструкции здания, не участвующие в теплообмене:

Термин UA — это полная проводимость ( Вт, / K ) ограждающей конструкции здания, которая не участвует в теплообмене.Тепло, содержащееся в вентиляционном потоке, теперь можно определить как:

, где ρ c _p — объемная теплоемкость воздуха, а Q — интенсивность вентиляции за счет разницы температур внутри / снаружи:

, где г, — сила тяжести Земли, Z — это изменение высоты между входом и выходом потока (например, от середины теплообменной панели до верха дымохода) и A ^* — общая эффективная вентиляционная площадь (Acred, 2014)

, который возникает из определения объемной скорости:

, где A ₁ и A ₂ — это физические площади входа и выхода, а c ₁ и c ₂ — соответствующие коэффициенты расхода соответственно.Для теплообменных панелей A ₁ — это общая площадь поверхности, а коэффициент расхода равен:

Переставив уравнение (13), перепад давления в теплообменнике можно определить как:

Для простоты предположим, что перепад давления по высоте панели одинаков. На рисунке 3 показано более реалистичное изменение давления из-за плавучести. Подстановка уравнения (29) в уравнение (28) дает:

Наконец, коэффициент расхода для выпускного отверстия, если предположить, что он имеет острую кромку, можно приблизительно оценить как (Acred, 2014)

Следующие уравнения описывают существенные особенности тепловой связи между «дышащими стенками» и вытяжной вентиляцией.Забегая вперед, в разделе 4.3 представлены результаты экспериментального устройства, предназначенного для демонстрации этой связи в действии. Теплообменная панель устанавливается горизонтально на уровне пола, поэтому давление по поверхности панели равномерное, а внутренний воздух хорошо перемешивается. Следует подчеркнуть, что это идеализированные обстоятельства. Возможна горизонтальная установка, но в будущем более вероятны вертикальные или наклонные оболочки. Если панель расположена вертикально, давление на ней будет изменяться с высотой, равно как и скорость и теплообмен.Внутренний воздух может расслаиваться ниже верхней части панели, в зависимости от высоты дымохода относительно верхней части панели. В этом случае будет отток через верхние каналы. Все эти эффекты были специально разработаны на основе эксперимента, описанного в 4.3, чтобы проверить основные элементы тепловой связи.

Аппарат высотой с комнату (для создания разумного давления в дымовой трубе) по своим пропорциям напоминает тонкий дымоход. Следовательно, вместо сжатия потока на выходе необходимо вычислить потери на трение на боковых стенках.После преобразования коэффициентов трения в коэффициенты расхода (Jones et al., 2016), если поток ламинарный, то:

, а если поток турбулентный, то:

, где число Рейнольдса потока:

3. Материалы и методы

Были спроектированы и выполнены эксперименты для проверки эффективности теплообмена в установившихся и переходных условиях, а также когда вентиляция приводится в действие плавучестью, а не вентилятором. Первый эксперимент измеряет теплообмен в установившемся режиме и время достижения установившегося состояния, когда панели подвергаются ступенчатому изменению нагрева.Второй эксперимент измеряет, как теплообмен периодически изменяется при ежедневных изменениях внешней температуры. В последнем эксперименте измеряется внутренняя температура и скорость потока внутри прокси-здания, когда вентиляция через испытательную панель приводится в действие тепловой плавучестью, а не вентилятором.

3.1. Тестовые панели

Были изготовлены две испытательные панели, одна из цельной древесины, другая из акрила. Для деревянного панно была выбрана южная желтая сосна. Акрил был выбран в качестве контроля, поскольку он имеет такие же тепловые свойства, что и древесина, за исключением того, что тепловые свойства изотропны, а не анизотропны, и он не впитывает влагу.Панели имели размеры 12 дюймов × 16 дюймов (30,48 × 40,64 см) с площадью теплообмена 12 дюймов × 12 дюймов (30,48 × 30,48 см) и толщиной 2 дюйма (5,08 см). Обе панели были оптимизированы для расчетного давления 3 Па. В таблице 2 приведены свойства каждой панели, и они показаны рядом на рисунке 7.

Таблица 2 . Параметры конструкции тестовой панели.

Рисунок 7 . Экспериментальная установка для вентиляции с вентилятором. Этот прибор использовался для первого и второго экспериментов (см. Раздел 3.2), измерение (1) стационарного поведения панели, подвергшейся ступенчатому изменению нагрева и (2) периодических изменений теплообмена из-за изменения внешней температуры.

3.1.1. Тепловые свойства

Свойства материала, необходимые для прогнозирования устойчивой и нестационарной проводимости, включают теплопроводность k ( Вт / м K ), температуропроводность α ( м ² / с ) и объемную теплоемкость ρ . c ( J / м ³ · K ).Для древесины эти свойства зависят от породы, направления и места измерения, а также от условий окружающей среды. Для измерения тепловых свойств южной желтой сосны использовали измерительное устройство (анализатор теплопроводности C-Therm) и метод источника переходной плоскости (ASTM D7984). Образцы были приготовлены из той же партии, что и испытательная панель, и разрезаны в радиальном и поперечном направлениях к волокнам. Было приготовлено по пять образцов каждого направления зерен, каждый испытан по десять раз.Результаты показаны на Рисунке 6 в сравнении с другими породами древесины и строительными материалами.

3.1.2. Датчики

FluxTeq Ultra 09 (85 × 95 мм) использовались для измерения теплового потока и температуры на обеих поверхностях тестовых панелей. «Внутренний» датчик теплового потока был помещен в выемку с выемкой так, чтобы TAS (см. Раздел 3.1.3) прилегал к поверхности заподлицо. Размер датчиков теплового потока определял расстояние между каналами в панелях. Температуру воздуха измеряли с помощью термопар Omega Type T.Температура T _e была измерена путем размещения наконечников двух термопар над центром двух каналов с последующим усреднением. Это измерение было близко сравнимо с измерением температуры вне испытательного бокса. Измерения регистрировались с использованием регистратора данных GL240. Небольшой канал сделал невозможным измерение T _и с помощью термопар. При размещении над каналом TAS воздействовал на термопару, и вставка термопары в канал блокировала поток.

3.1.3. Термоактивная поверхность

Поверхностный нагреватель, называемый здесь термически-активной поверхностью (TAS), был изготовлен с использованием нагревательных проводов электрического сопротивления. Матрица из 26 Ga нихрома 60 была установлена ​​на алюминиевом листе толщиной 0,063 дюйма, в котором просверлены отверстия, соответствующие каналам в испытательной панели. Проволочная решетка была намотана вокруг секций из ПТФЭ стержня 1/2 дюйма высотой 1/4 дюйма. Стержни были приклеены к алюминиевой пластине с шагом 1 дюйм для создания расстояния между проволоками 1/2 дюйма. Проволока была электрически изолирована от алюминия листом полиэфирной пленки с клейкой основой.Покрытая алюминием полиэфирная пленка была закреплена на проволочной решетке с помощью клея в аэрозольной упаковке. TAS был разделен на две параллельные цепи и был подключен к регулируемому источнику питания Extech 600 Вт.

3.2. Аппарат с вентиляторным приводом

Это устройство позволяло всасывать воздух через испытательную панель при постоянном давлении. Испытательная камера была сделана из деревянных рам, собранных с натянутым на них тонким прозрачным пластиковым листом (см. Рис. 7). Использовались тонкие листы, поэтому камера была герметичной, но не накапливала тепло.Стыки камеры были заделаны герметиком и слоем ленты. К одному концу коробки прикрепляли деревянную раму с непрерывным уплотнительным кольцом, которое прижималось к краю испытательной панели. Стержни с резьбой, по одному в каждом углу, проходили через панель. Для крепления панели к раме и сжатия прокладки использовались резиновые шайбы и гайки. На другом конце коробки был установлен кусок жесткой изоляционной панели размером 2 дюйма с отверстием для установки откалиброванного вентилятора серии RetroTec 5000. Вентилятор снижает давление внутри коробки, имитируя интерьер здания.Перепад давления контролировали и отслеживали с помощью расходомера RetroTec DM32 и набора трубок Пито. TAS наносили на поверхность панели, обращенную внутрь камеры, и управляли регулируемым источником питания Extech 600 Вт.

3.2.1. Устойчивый теплообмен, время до установившегося состояния

Испытания проводились при расчетном давлении (3 Па) и увеличивающемся приращении давления (5, 7, 9 Па). Устойчивое состояние было определено как точка, когда тепловой поток (q1 ″) достиг ± 5% от заданного теплового потока.Для каждого давления был проведен цикл из трех испытаний с использованием расчетного теплового потока (то есть теплового потока, оптимизированного для 3 Па). Затем был проведен еще один цикл из трех испытаний для каждого давления, на этот раз постепенно увеличивая тепловой поток, как если бы панель была оптимизирована для этого давления. Разница между обоими методами была незначительной, и результаты всех раундов были объединены для расчета стандартной ошибки.

3.2.2. Периодический теплообмен

В этом эксперименте использовалось то же оборудование, что и в стационарном эксперименте.Тест проводился на открытом воздухе в затененном месте. Постоянное давление ( P = 3 Па ) поддерживалось на протяжении всего эксперимента, который длился 5 дней. Также поддерживалась постоянная электрическая мощность TAS, так что средний тепловой поток находился в пределах ± 5% от расчетного теплового потока.

3.3. Аппарат с приводом от плавучести

Отдельная камера, выступающая в качестве прокси-здания, была изготовлена ​​для испытания муфты с вытяжной вентиляцией. Теплообменная панель была установлена ​​горизонтально на уровне пола, чтобы обеспечить равномерное давление на поверхности TAS и хорошее перемешивание внутреннего воздуха (как описано в разделе 2.3, если бы панель была вертикальной, давление на ней изменялось бы с высотой, как и скорость и теплообмен, и возник бы риск обратного потока, если бы внутренний воздух расслаивался; эти эффекты будут изучены в будущих исследованиях). Аппарат имел высоту 8 футов (2,44 м), высоту помещения, для создания приемлемого давления в дымовой трубе. Камера была тонкой с конусом, похожим на дымоход, чтобы избежать обменных потоков наверху. Камера была покрыта войлоком и жесткой изоляцией (см. Рис. 8). Испытательная панель была установлена ​​на дне камеры так, чтобы ТАС была обращена внутрь.Слой ленты был наложен на стык между камерой и панелью для создания герметичного уплотнения. Верхнее отверстие камеры было 2 на 2 дюйма (5 × 5 см). Вся сборка была установлена ​​на ножках, которые удерживали дно камеры 2 ′ (60 см) от земли. Термопары были расположены в тех же местах над каналами, что и эксперимент с вентилятором, и с равными интервалами внутри дымохода. Датчики перепада давления Sensirion SDP800 были прикреплены к трубке Пито для измерения скорости воздуха на выходе.Испытания проводились путем постепенного увеличения мощности нагрева ТАС. Перед проведением измерений панели позволили достичь установившегося состояния (определяемого в этом исследовании, когда тепловой поток достигает ± 5% от расчетного теплового потока).

Рисунок 8 . Экспериментальная установка для вентиляции, управляемой плавучестью. Этот прибор использовался в третьем эксперименте (см. Раздел 3.3), измеряя внутреннюю температуру и скорость потока в промежуточном здании, когда вентиляция через испытательную панель приводится в действие тепловой плавучестью, а не вентилятором.

4. Результаты и обсуждение

4.1. Устойчивый теплообмен

На рис. 9 показаны общие нормализованные результаты теплопередачи для обеих панелей. Черные пунктирные линии представляют уравнение (4), а заштрихованные маркеры показывают измерения при расчетном давлении, а именно 3 Па. Слева направо незатененные маркеры показывают измерения при нерасчетном давлении, а именно 5, 7 и 9. Па. Таблицы 3, 4 суммируют результаты в терминах U ₁ , NTU и ε.

Рисунок 9 .Измерения устойчивого теплообмена для акрила (слева) и сосны (справа). Данные нанесены на график относительно прогнозируемого теплообмена по уравнению (4) при расчетном (заполнено) и нерасчетном давлении (открыто). Вторичные пунктирные линии показывают новые корреляции (уравнения 35, 36) для теплообмена для всего диапазона давлений.

Таблица 3 . Замеры для устойчивого теплообмена, сосновая панель.

Таблица 4 . Замеры для устойчивого теплообмена, акриловая панель.

Обратите внимание, что «расчетное давление» — это давление, для которого оптимизирована данная панель. Уравнение (1) показывает, как оптимизировать геометрию панели при расчетном давлении. Уравнение (4) предсказывает общую (нормализованную) теплопередачу оптимизированной панели при расчетном давлении. Его можно использовать для прогнозирования производительности при гибком изменении технических характеристик (например, теплопроводности, толщины панели) после указания расчетного давления, как показано в прилагаемом приложении (Craig and Fortin, 2020).

Таблица 3 показывает, что нормализованная теплопередача при расчетном давлении составила NTU = 1,47 ± 0,05 для деревянной испытательной панели по сравнению с прогнозируемым значением NTU = 1,53 ± 0,03. Для «контрольной» тестовой панели согласие было еще более тесным (см. Таблицу 4). Точное соответствие между прогнозами и измерениями при расчетном давлении расширяет результаты недавней экспериментальной проверки (Craig and Grinham, 2017) и подчеркивает надежный характер исходных корреляций.Эти корреляции были разработаны для экстремальных тепловых условий (Kim et al., 2007), поэтому примечательно, что они так точно переносятся на строительные материалы в условиях окружающей среды. Анизотропия текстуры древесины не оказала существенного влияния на результаты при расчетном давлении, вызывая лишь небольшое снижение общей теплопередачи. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, существует ли способ использования текстуры древесины для повышения эффективности теплообмена.

Уравнение (4) предсказывает только теплопередачу при расчетном давлении.Поэтому неудивительно, что измерения при 5, 7 и 9 Па отклоняются от уравнения (4). Характеристики акриловой панели для всего диапазона давлений коррелировали следующим образом:

, а для сосновой панели:

Где NTU — полная теплопередача при расчетном давлении, определяемом уравнением (4). Коррелирующие коэффициенты и показатели в уравнениях (35) и (36) были найдены автоматически с помощью функции LinearModelFit в системе Mathematica.Коэффициент детерминации (R ² ) был> 0,999 для обеих моделей линейной подгонки. В следующих экспериментах уравнение (36) используется для прогнозирования устойчивой теплопередачи испытательной панели при нерасчетных давлениях (давлениях, для которых панель не была оптимизирована).

Уравнения (35) и (36) имеют разные наклоны (показатели степени). Поэтому кажется, что анизотропия действительно играет роль в ограничении общей теплопередачи при нерасчетных давлениях. Пологий наклон для NTU, как видно из уравнения (36), подразумевает значение U с двумя состояниями.То есть значение U , которое не сильно зависит от давления, но которое переключается между расчетными значениями U ₀ и U ₃ .

Общая теплопередача ( U ₁ , q1 ″, NTU) ведет себя так, как ожидалось. Однако таблицы 3, 4 показывают несоответствие между предсказаниями и измерениями ε. Какое объяснение? Он помогает рассмотреть методы измерения эффективности теплообмена, которых существует четыре. Первый метод — измерить его косвенно, измерив NTU:

Этот метод делает предположение о том, как ведет себя эффективность теплообмена, на основе стандартной теории теплообменников.Второй метод измеряет отношение исходящей проводимости к общей теплопередаче:

Это прямое измерение, которое использовалось в настоящем исследовании. Чтобы подтвердить это измерение, необходимо отслеживать теплообмен с вентиляционным потоком, который можно измерить напрямую двумя способами. Либо:

или:

Оба метода требуют точного измерения T _i , поскольку q2 ″ = u ρc (Ti-Te).Однако было невозможно измерить T _и с помощью существующего прибора. Малый диаметр каналов означал, что термопара либо блокировала канал, либо находилась под воздействием TAS (см. Раздел 3.1.2). Следовательно, хотя этот эксперимент подтверждает общую теплопередачу, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять, какая часть тепла передается входящей вентиляции. Вопреки здравому смыслу, тепло, исходящее от внешней поверхности, не может полностью передаваться окружающей среде.Оптическое отображение Шлирена показало, что во время всасывания конвекция на внешней поверхности усиливается, а граничная пленка втягивается в каналы (Craig and Grinham, 2017). Следовательно, более высокие, чем ожидалось, значения для q3 ″ и U ₃ могут быть признаком рекуперации тепла в действии, а не увеличения потерь. В дальнейших исследованиях для измерения T _и может быть использован метод, такой как ориентированный на фон Шлирен, так что измерения эффективности теплообмена могут быть триангулированы, а влияние рекуперации тепла внешней пленки может быть определенный.

4,2. Переходный теплообмен

4.2.1. Время выхода на устойчивое состояние

На рисунке 10 показано, как теплообмен развивается при ступенчатом изменении нагрева поверхности. Данные взяты из сосновой панели, усредненные по трем испытаниям при расчетном давлении (3 Па). Электрическая мощность, нагревающая поверхность, была постоянной на протяжении всего эксперимента. Левый график показывает общую теплопередачу ( NTU ( t )), правый график показывает эффективность теплообмена (ε). Оба графика отслеживают изменение числа Фурье, определяемого уравнением (15), относительного показателя того, как проводимость развивается внутри объекта с течением времени.Характерная длина панели составляла L _c = 0,021, рассчитанная с использованием уравнения (16). Эксперименты длились чуть более 240 мин. Следовательно, Fo = 1 означает ~ 1 час. Это также знаменует важный порог: время, когда тепло предположительно проникает на всю глубину объекта.

Рисунок 10 . Испытательная панель из сосны, время достижения устойчивого теплообмена в зависимости от числа Фурье. Fo = 1 составляет ~ 1 час. Измерения общего теплообмена (NTU) и эффективности теплообмена (ε) сравниваются с эталонными прогнозами для плоской стенки (уравнения 17–19).

На поверхности испытательной панели тепловой поток q1 ″ достигал ± 5% от прогнозируемой скорости через ~ 110 мин, когда Fo ~ 1,8. (После этого данные использовались для измерения устойчивого теплообмена, см. Раздел 4.1). Fo ~ 1.8 знаменует собой еще один важный момент, когда данные выходят за рамки тестов, обозначенных черными пунктирными линиями. Эти эталоны представляют собой передачу тепла через плоскую стенку той же характерной длины во время ступенчатого изменения нагрева, с постоянной температурой или постоянным тепловым потоком, приложенным к обеим поверхностям (см. Уравнения 17–19).Как и предполагалось, до достижения установившегося состояния теплопередача развивается аналогично плоской стенке той же характерной длины с небольшими различиями из-за эффектов формы. Данные для NTU ( t ) хорошо коррелируют с уравнением (17), когда:

и:

, когда уравнение (36) заменяет уравнение (4). Напомним, что a ₁ контролирует положение кривой, описываемой уравнением (17), а a ₂ контролирует кривизну.Необходимы дальнейшие исследования, чтобы установить, в какой степени эти коэффициенты формы для переходной проводимости изменяются в зависимости от размеров панели, если вообще изменяются. Физические эксперименты или анализ методом конечных элементов — подходящие способы решения этого вопроса.

Правый график показывает, как эффективность теплообмена изменяется со временем согласно двум методам ее измерения. Как уже говорилось, остается вопрос относительно фактической эффективности теплообмена и дополнительных измерений, необходимых для ее подтверждения.Кривая отклонения на правом графике фиг. 10 может отражать улучшенную теплопередачу на внешней поверхности из-за всасывания. Кроме того, рекуперация тепла на внешней поверхности из-за засасывания пограничной пленки в каналы может компенсировать отклонение между двумя кривыми. Короче говоря, хотя U ₃ и q3 ″ больше, чем ожидалось, значительная часть этого тепла, вероятно, рекуперируется, а не теряется во внешнюю среду.

4.2.2. Периодический теплообмен

Панель из сосны была испытана в тени на открытом воздухе с использованием того же устройства с вентилятором, что и в предыдущих экспериментах.Постоянное давление (3 Па) и постоянная электрическая мощность для нагрева применялись в течение 3 дней. Цель эксперимента состояла в том, чтобы увидеть, будет ли общая (нормализованная) теплопередача периодически изменяться около установившегося значения, как предсказывается уравнением (20). На рисунке 11 показаны результаты. График (a) показывает изменение температур ( T _e , T _s , T _s — T _e ) во времени, пока график (б) показано изменение коэффициентов теплопередачи ( U ₁ , U ₃ ).Обратите внимание, что базовое значение U составляет U ₀ = k / L = 2,95 (см. Таблицу 2).

Рисунок 11 . Периодический теплообмен в уличных условиях для испытательной панели из сосны. (A) Температуры. (B) Коэффициенты теплопередачи. (C) Полная (нормализованная) теплопередача. (D) Эффективность теплообмена.

Графики (a) и (b) включены для справки, но графики (c) и (d) представляют собой результаты, представляющие общий интерес, поскольку шаблоны для NTU (t) и ε должны быть воспроизведены в разных климатических условиях с разными дизайнами панелей. .Общая (нормализованная) теплопередача действительно вела себя так, как предсказано уравнением (20), несмотря на воздействие легкого бриза и нормальных изменений внешней температуры (то есть изменений, которые не были идеально синусоидальными). Уравнение (20) включает коэффициент a ₁ , который учитывает эффекты формы и калибрует величину теплопередачи. Здесь использовалось значение a ₁ , определенное в предыдущем эксперименте, уравнение (41). Тот факт, что a ₁ одинаковы в обоих экспериментах, предполагает, что это допустимый коэффициент формы для переходной проводимости (Bart and Hanjalić, 2003).Если это правда, это не изменится существенно, если размеры панели будут отличаться (хотя и оптимизированы).

Предыдущие два эксперимента выявили несоответствие между двумя методами измерения ε (см. Таблицу 3 и Рисунок 10B). Это несоответствие усиливается на Рисунке 11D. Сигнал данных от метода измерения 2 (уравнение 38) ниже и более изменчив, чем метод измерения 1 (уравнение 37). На рисунке 11 метод измерения 2, показанный на графике (d), накладывает сигналы для U ₁ и U ₃ , показанных на графике (b).Напомним, что более высокие, чем ожидалось, значения для U ₃ не обязательно приводят к большим потерям. Как обсуждалось, необходимы дальнейшие исследования для измерения теплопередачи к вентиляционному потоку (уравнения 39 и 40), чтобы можно было полностью определить граничные эффекты на внешней поверхности и их влияние на ε.

4.3. Теплообмен с вытяжной вентиляцией

Отдельная камера, выступающая в качестве прокси-здания, была изготовлена ​​для испытания сцепки с выталкивающей вентиляцией в установившемся режиме.На рисунке 12 представлены результаты. График (а) показывает относительную температуру внутри помещения ( T _ii — T _e ) как функцию общего нагрева от TAS ( q ₀ ). График (b) показывает скорость выталкивающей вентиляции (Q), а также как функцию общего нагрева от TAS. На графиках показаны две прогнозируемые кривые, представляющие ламинарный (синий) или полностью турбулентный (красный) поток. Эти прогнозы были сделаны путем численного решения системы уравнений из раздела 2.3, где уравнения (32) и (33) оценивают коэффициент расхода дымохода в соответствии с любым режимом потока.

Рисунок 12 . Испытательная панель из сосны, теплообменник сцепления с вытяжной вентиляцией. (A) Температура внутри помещения (относительно наружного воздуха) и (B) расход вентиляции в зависимости от увеличения тепловложения.

По мере увеличения обогрева ( q ₀ ), также увеличивается скорость выталкивающей вентиляции (Q) и средняя температура внутри ( T _ii ).Большинство точек попадают в заштрихованную область, подтверждая теорию, описанную в разделе 2.3. Эти результаты являются дополнительным подтверждением того, что ожидаемые скорости теплообмена имеют место.

Обратите внимание, что погрешность измерения температуры больше, чем для вентиляции. Скорость вентиляции измерялась в самом узком месте дымохода, чуть ниже его вершины, где поток сходился перед выходом. Измерения температуры проводились в нескольких точках вверх по дымоходу и усреднялись.Изменение температуры с высотой было незначительным, но датчики действительно испытывали турбулентность.

Этот эксперимент демонстрирует, что можно втягивать вентиляцию через панели, используя тепловую плавучесть вместо вентилятора, при сохранении ожидаемых скоростей теплообмена и давления. Следует подчеркнуть, что это идеализированные обстоятельства. Возможна горизонтальная установка, но в будущем более вероятны вертикальные или наклонные оболочки. Если бы панель была вертикальной, давление на ней изменялось бы с высотой, равно как и скорость и теплообмен.Внутренний воздух может расслаиваться ниже верхней части панели (в зависимости от высоты дымохода относительно верхней части панели). В этом случае был бы отток через верхние каналы. Все эти эффекты были специально разработаны вне эксперимента, чтобы подтвердить основные элементы тепловой связи. Требуются дальнейшие исследования, чтобы определить, что происходит, когда панели расположены вертикально (или наклонно), а не горизонтально. Также необходимы дальнейшие исследования, чтобы увидеть, есть ли способы естественной рекуперации тепла из вентиляции.В правой части рисунка 3 показана одна возможная конфигурация.

5. Заключение

Общая тема заключается в том, как радикально упростить проектирование деревянных зданий, чтобы снизить объемные и эксплуатационные выбросы углерода и облегчить хранение углерода в глобальном масштабе. Наше исследование было сосредоточено на том, как оптимизировать каналы в массивных деревянных панелях, чтобы они обменивались теплом с входящим воздухом. Анализ и эксперименты показывают, что можно достичь низких тепловых потерь (0,1 0,6), что, в свою очередь, требует относительно высокой скорости вентиляции (5

Мы предоставили приложение, чтобы коллеги-исследователи могли оценить влияние различных параметров на оптимальную геометрию и теоретические характеристики деревянных панелей при устойчивом теплообмене. Можно быстро увидеть, как теплопроводность, расчетное давление, внутренний тепловой поток и целевое значение U влияют на эффективность теплообмена и скорость вентиляции, а также на толщину панели, размер и расстояние между каналами. .

Мы провели эксперимент, чтобы проверить общую теплопередачу при установившемся теплообмене, измерить эффективность теплообмена и изолировать влияние анизотропии из-за структуры волокон в древесине. Нормализованная теплопередача при расчетном давлении составила NTU = 1,47 ± 0,05 по сравнению с прогнозируемым значением NTU = 1,53 ± 0,03. Следовательно, анизотропия древесины не оказала существенного влияния на общую теплопередачу при расчетном давлении. Расчетный теплообмен при расчетном давлении составил ε = 0.78 ± 0,01 по сравнению с косвенным измерением ε = 0,62 ± 0,02. В будущих экспериментах потребуется изолировать эффекты внешнего пограничного слоя, чтобы правильно измерить эффективность теплообмена.

Затем мы использовали те же экспериментальные данные, чтобы охарактеризовать переходную реакцию испытательной панели на скачкообразное изменение температуры. Мы обнаружили, что общая теплопередача происходит через плоскую стенку эквивалентной характеристической толщины, переходя в стационарное состояние, когда Fo ≈ 2.Затем мы протестировали устройство на открытом воздухе, чтобы охарактеризовать теплопередачу в ответ на естественные колебания внешней температуры, применяя постоянный нагрев поверхности и давление. Общая теплопередача периодически изменялась около среднего значения — расчетного значения в установившемся режиме. Простая модель, описывающая периодические колебания, которая включала эмпирический коэффициент формы, полученный в эксперименте со ступенчатым изменением, учитывала теплопередачу с точностью до R ² = 0,9953 ± 0,0023.

Наконец, мы показали, что возможно соединить дышащие стены с вытяжной вентиляцией.Образец для испытаний устанавливали горизонтально на дне дымохода. Аппарат был сконструирован таким образом, чтобы воздух в помещении оставался хорошо перемешанным. Хотя это представляло идеализированные условия, это позволило нам подтвердить ключевые отношения тепловой связи, как выражено системой уравнений в разделе 2.3. Измерения внутренней температуры и скорости вентиляции находились в пределах прогнозируемых значений в зависимости от ламинарного или турбулентного потока. Согласно этим результатам, скорость теплообмена через панель произошла, как и ожидалось.