Воздушное отопление: системы и оборудование

За и против

К настоящему времени генераторы горячего воздуха нашли широкое применение в системах отопления промышленных и коммерческих объектов: цехов, мастерских, спорткомплексов, гостиниц, сельскохозяйственных сооружений и других помещений относительно большого объема. Используются они и в индивидуальном жилье – загородных коттеджах, дачах.

Одна из главных особенностей систем воздушного отопления заключается в отсутствии промежуточного теплоносителя. Это имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Во-первых, снимается проблема «размораживания» системы при ее длительном отключении в зимний период.

Кроме того, из-за высокой скорости обращения горячего воздуха инерционность воздушной системы значительно ниже, чем водяной, где котел сначала нагревает теплоноситель, затем металлические трубы и радиаторы, и только потом – воздух помещения. Воздушная система не требует постоянной работы и контроля, ее можно включать без предварительной подготовки – тогда, когда это необходимо. В теплый сезон система воздушного отопления может работать в режиме вентиляции – большинство современных воздухонагревателей имеют соответствующую функцию, которая при выключенной горелке обеспечивает циркуляцию воздуха в системе за счет работы вентилятора.

В ряде случаев система воздушного отопления может иметь более простое устройство, по сравнению с традиционной водяной, из-за отсутствия специальной котельной, трубопроводных систем, радиаторов, насосов и сложной автоматики управления.

Основные недостатки воздушного отопления связаны с перемещением в обогреваемом помещении значительных объемов воздуха. Это снижает комфортность, приводит в движение пыль и способствует распространению бактерий по всему объему отапливаемого или вентилируемого помещения. Следует также учитывать, что воздушные каналы имеют большую, чем внутренние трубопроводы систем водяного отопления, площадь поперечного сечения, поэтому для их монтажа требуются технологические отверстия в стенах большего размера. Это одна из тех проблем, которые необходимо учитывать при выборе отопительной системы.

Вне зависимости от типа системы воздушного отопления обогрев помещения происходит по принципу циркуляции в помещении масс воздуха – конвекцией. Горячий воздух отдает избыточное тепло окружающей среде и, остыв, опускается вниз. Поэтому подавать нагретый воздух следует в нижнюю или среднюю область помещения. В противном случае могут произойти образование высокотемпературной зоны под потолком (тепловая подушка) и увеличение теплопотерь через крышу. Для возврата поднимающегося теплого воздуха обратно в рабочую зону и для удержания его в ней могут применяться дестратификаторы – специальные вентиляторы, размещаемые под потолком (рис. 1).

Предлагаются и другие решения. Например, конструкция многорядного трубчатого теплообменника подвесных воздухонагревателей Eolo итальянской компании Systema, обеспечивает неравномерный нагрев воздуха. При этом, как показано на рис. 2, слой воздуха с меньшей температурой подается в помещение поверх горячего и «прижимает» его книзу, направляя в рабочую зону.

Для систем воздушного отопления особенно важна тепловая герметичность здания. При хорошей теплоизоляции даже крупное сооружение может отапливаться воздухонагревателем относительно небольшой мощности. В тех случаях, когда на объекте имеются все условия, организация системы воздушного отопления снизит затраты на закупку оборудования, его установку и последующую эксплуатацию, а также уменьшит время монтажа (по сравнению с водяной).

Классификация систем

По своему устройству системы воздушного отопления подразделяются на центральные (или канальные) и местные (локальные). В первом случае нагретый воздух от теплогенератора, который может располагаться в вентиляционной камере, подается в помещения объекта по специальным каналам (воздуховодам). Воздуховоды могут использоваться также и для вентиляции.

При локальном обогреве отдельных помещений применяют местные системы на основе автономных напольных или подвесных теплогенераторов, каждый из которых подает теплый воздух непосредственно в окружающее его пространство. Воздухонагреватели таких систем характеризуются меньшим расходом воздуха и потребляют меньше электроэнергии для работы вентилятора. Кроме того, организация автоматической системы управления воздухонагревателями в децентрализованных системах позволяет повысить эффективность отопления за счет более рационального зонального обогрева: воздух подогревается именно там, где это необходимо.

Там же, где температура уже достигла установленного значения, горелки приборов выключаются. В специализированных СМИ распространено мнение, что стоимость децентрализованных систем воздушного отопления выше, чем канальных. Однако разница в стоимости таких систем индивидуальна для каждого объекта и зависит от стоимости системы распределительных воздуховодов при централизованном обогреве. По характеру воздухообмена различают рециркуляционные системы воздушного отопления, системы с частичной рециркуляцией и приточные. Самые недорогие и простые в устройстве среди них – рециркуляционные. Они работают без притока наружного воздуха, используя для обогрева только внутренний воздух помещения. Такие системы могут быть канальными и бесканальными.

Рециркуляционные системы бывают только отопительными (без функции вентилирования). Область применения таких систем ограничена: их нельзя использовать в помещениях, для внутреннего воздуха которых характерны высокие концентрации вредных примесей, пожаро- и взрывоопасных веществ. Кроме того, помещение должно удовлетворять повышенным гигиеническим требованиям.

Системы с частичной рециркуляцией используют для обогрева помещения как приточный, так и внутренний воздух. Соотношение приточного и рециркуляционного воздуха в системе может меняться в зависимости от технологических или санитарных требований.

При этом необходимо предусмотреть систему вытяжной вентиляции, обеспечивающей вывод из помещения излишков воздуха.

К недостаткам систем с частичной рециркуляцией относится неизбежность теплопотерь с уходящим воздухом. Для их снижения применяют специальные рекуператоры тепла, как правило, на основе пластинчатых либо роторных теплообменников: удаляемый воздух отдает тепло приточному, повышая общую энергоэффективность системы. Системы с частичной рециркуляцией могут быть отопительными, вентиляционными или отопительно-вентиляционными.

В том случае, когда помещение требует интенсивной вентиляции, используют приточную систему воздушного отопления, которая нагревает подаваемый внутрь уличный воздух. Если для помещения характерна повышенная концентрация вредных или опасных веществ, то может применяться только такой тип воздушного обогрева.

Как и в предыдущем случае, для повышения эффективности системы могут использоваться рекуператоры тепла.

Воздухонагреватели

По способу монтажа различают напольные и подвесные генераторы горячего воздуха. Первые выпускаются в вертикальной или горизонтальной компоновках.

В зависимости от способа нагрева воздуха теплогенераторы могут быть рекуперативными или прямого нагрева. В последних отсутствует дымоудаление: продукты сгорания смешиваются с подаваемым в помещение воздухом. Принцип действия такого воздухонагревателя показан на рис. 3.

Примером теплогенератора прямого нагрева может служить газовый аппарат марки STV (Франция, Россия). Наружный воздух забирается через жалюзи, проходит фильтры очистки и подается в горелочный блок. Затем, смешанный с продуктами сгорания и нагретый до нужной температуры, он нагнетается радиальным вентилятором в воздушный канал или свободно рассеивается в помещении.

Горелочный блок теплогенератора собирается из разного числа секций, исходя из требуемой мощности. Минимальная мощность каждой секции – 10 кВт, максимальная – 250 кВт при скорости воздуха от 5 до 24 м/с. Диапазон мощности типоряда STV – от 75 кВт до 21 МВт. Область применения установок – обогрев помещений с высоким (более 1,5) коэффициентом воздухообмена.

В воздухонагревателях прямого нагрева отсутствуют теплообменники и системы дымоудаления, что снижает стоимость установок и повышает их тепловую эффективность практически до 100 %. Вместе с тем выброс продуктов сгорания непосредственно в помещение ужесточает экологические требования к горелкам, используемым в аппаратах такого типа. Следует также учитывать, что, несмотря на высокий КПД прибора, общая эффективность системы может снизиться из-за интенсивной вентиляции и связанных с ней теплопотерь.

При использовании установок прямого нагрева необходимо следить, чтобы концентрация вредных веществ не превысила ПДК. Работа воздухонагревателей прямого нагрева допускается только при наличии притока свежего воздуха во избежание падения концентрации кислорода в помещении.

В рекуперативных воздухонагревателях тепло передается воздуху посредством теплообменника, через который проходят дымовые газы перед выводом их наружу. Установки этого типа могут работать как в рециркуляционном, так и в приточном режимах. Их можно размещать непосредственно в помещениях (категории не выше «Г» по СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений») или в отдельной вентиляционной камере. Тепловая эффективность рекуперативных воздухонагревателей напрямую зависит от КПД теплообменника (как правило, от 88 до 95 %). Их тепловая мощность может составлять от нескольких киловатт до нескольких мегаватт.

На рис. 4 показан принцип действия рекуперативного теплогенератора ApenGroup PKA-N (TECNOCLIMA TC-E, TE, ENERGY). Исходный воздух 1 подается радиальным вентилятором 2 через вентиляционную решетку 3, нагревается, обтекая внешнюю поверхность реверсивной камеры сгорания 4 и в теплообменнике 5, выполненном из нержавеющей стали. Нагретый воздух 6 поступает в прилегающую к нагревателю зону или воздуховод.

Прибор может комплектоваться навесной вентиляторной горелкой 7. Установки выпускаются также в горизонтальном исполнении; имеется модификация с улучшенной теплоизоляцией для наружного размещения. Мощность модельного ряда – от 26 до 920 кВт.

В корпусах рекуперативных приборов устраиваются окна для забора холодного воздуха и рассеивания горячего, защищенные решеткой или жалюзи (управляемыми или нет) для регулирования потока воздуха. Форма корпуса определяется типом воздухонагревателя – напольного (горизонтального либо вертикального) или подвесного.

В некоторых моделях предусмотрены специальные Г-образные рассеиватели. Приборы для канального применения имеют специальные технологические окна с фланцами для подсоединения воздушного канала. В универсальных моделях предусмотрена возможность подключения к системе воздуховодов после демонтажа рассеивателей воздуха.

Как правило, теплообменники рекуперативных воздухонагревателей имеют трубчатую или пластинчатую конструкцию и выполняются из нержавеющей, углеродистой или алюминизированной стали. Теплообменник может быть совмещен с камерой сгорания посредством коллектора для распределения дымовых газов. В зависимости от числа поворотов дымовых газов в трубах могут быть организованы одно-, двух- и более многоходовые конструкции. Применяются также реверсивные камеры сгорания, в которых совершается первый поворот газов. В некоторых конструкциях горячие газы подаются непосредственно в трубы теплообменника, которые являются продолжением камеры сгорания. Отвод дымовых газов производится при помощи дымососа или под действием естественной тяги.

Обычно напольные воздухонагреватели комплектуются блочными вентиляторными горелками (но есть и модели с атмосферными горелками), а подвесные – встроенными атмосферными. Горелки воздухогенераторов оснащают защитными системами, обеспечивающими стабильную работу прибора: устройствами автоматического розжига и отключения, контроля пламени и электропитания. Применяются одно- и двухступенчатые, а также модуляционные горелки. В зависимости от типа используемого топлива они могут быть газовыми, жидкотопливными или комбинированными. Некоторые производители предлагают воздухонагреватели с горелками, обеспечивающими пониженное содержание NOx в дымовых газах. Как правило, воздухонагреватели оснащаются осевым или радиальным (центробежным) вентилятором. У вертикальных напольных приборов вентиляторы обычно размещаются в нижней части, у горизонтальных напольных и подвесных – в задней. Для управления объемом подачи воздуха применяются двухскоростные приточные и вытяжные вентиляторы с ручным и автоматическим регулированием скорости.

Производители воздухонагревателей реализуют и нетиповые решения. Например, подвесные газовые воздухонагреватели Variante2 VRBD (рис. 5) фирмы Benson Heating (Великобритания) мощностью от 72 до 144 кВт оборудованы двумя осевыми вентиляторами, обеспечивающими распределение нагретого воздуха в двух противоположных направлениях. Это позволяет сократить число устанавливаемых приборов за счет увеличения площади, обогреваемой каждым из них.

Нашла применение в рассматриваемой области и конденсационная технология, активно внедряемая в котельной технике.

Так, КПД напольных воздухонагревателей Tecnoclima Duo-Mo (147,6–866 кВт) – от 102 до 108% (рис. 6). Отличительная особенность этого оборудования, по данным производителя, – работа в конденсационном режиме даже при максимальной мощности. Принцип действия данных аппаратов основан на движении двух параллельных вертикальных потоков воздуха, которые обтекают независимо друг от друга горизонтально расположенные камеру сгорания и теплообменник. Дымовые газы проходят в противоположном потоку воздуха направлении по плоским теплообменным трубам (выполненным из нержавеющей стали AISI 304), в которых охлаждаются до 20–25 °C. Расположение теплообменника под небольшим наклоном обеспечивает слив конденсата через два специальных патрубка. Номинальный расход воздуха – от 14 до 80,5 тыс. м3/ч. Полезное статическое давление, создаваемое центробежным вентилятором, – 250 Па (в стандартном исполнении) и 500 Па (S-версия). Предусмотрена модуляция тепловой мощности (40–100 %) и потока воздуха (60–100 %).

В качестве топлива генераторы горячего воздуха чаще всего используют природный и сжиженный газ, дизельное топливо, мазут, отработанное масло. В ряде случаев предусмотрен переход с одного вида топлива на другой (например, при замене вентиляторной газовой горелки).

При использовании в качестве топлива отработанного масла применяют две технологии, связанные со специальной горелкой и сжиганием в чаше. Например, в воздухонагревателях EnergyLogic отработанное масло сжигается при помощи вентиляторной горелки. Процесс подготовки топливно-воздушной эмульсии включает фильтрацию масла, подогрев и смешивание его с воздухом. Мощность модельного ряда EL-H – от 41,6 до 99,6 кВт, расход воздуха – от 1680 до 4740 м3/ч.

Примером реализации технологии безгорелочного сжигания отработанного масла в специальной чаше может служить генератор горячего воздуха Kroll W401-L мощностью 35 кВт. Подача топлива из бака осуществляется специальным дозатором. Падая на раскаленную поверхность, капли масла испаряются и сгорают. При этом верхняя часть камеры сгорания нагревает нагнетаемый вентилятором воздух, а боковые стенки передают тепло излучением. В процессе работы на чаше образуются шлаковые отложения, которые требуют регулярной очистки. Потребление топлива – от 1,9 до 2,8 л/ч, расход воздуха – 580 м3/ч. Предлагаются на рынке и модели воздухонагревателей на твердом топливе – угле, древесных отходах, биомассе. Они довольно широко применяются для отопления объектов деревообрабатывающей отрасли и сельского хозяйства. Примером такого оборудования могут служить рекуперативные теплогенераторы ТВЕу (рис. 7), изготавливаемые компанией «Экодрев» (Россия) для сжигания отходов пищевых и деревообрабатывающих производств. В их газогенераторной немеханизированной топке, наряду с дровами, могут сжигаться опилки, стружка, древесная щепа, отходы ДСП, ДВП, МДФ, лузга подсолнечника, рисовая шелуха и другие виды топлива зольностью до 5 % и влажностью до 55 %.

Номинальная тепловая мощность – от 100 до 400 кВт, в зависимости от модели, – достигается при влажности топлива не более 30 %. Установка комплектуется топливным бункером, рассчитанным на один час работы. Кроме отопительных моделей (перепад температур – 80 °С) предлагается также специальное исполнение для теплоснабжения сушильных камер (55 °С).

Некоторые современные воздухонагреватели комплектуются электронными панелями управления, позволяющими регулировать работу по температуре в помещении и встроенному таймеру. Кроме того, как было сказано выше, для локальных систем воздушного отопления, включающих несколько автономных приборов, возможна организация зонального обогрева с раздельным регулированием температуры. Так, дооснащение газовых подвесных воздухонагревателей Adrian AD (28–92 кВт) модулем Adrian-Control позволяет включить их в состав автоматизированной системы зонального обогрева Adrian IQ. Помимо воздухонагревателей, компонентами этой системы могут быть дестратификаторы, воздушные завесы, датчики внутренней и наружной температуры, а также инфракрасные излучатели. Предусмотрено как непосредственное управление системой пультом дистанционного управления, так и удаленное – через персональный компьютер.