В условиях постоянно растущих цен на энергоносители, вопросы экономии энергоресурсов выходят на первое место практически во всех отраслях народного хозяйства. Не является исключением и энергия, расходуемая на обогрев помещений как жилого, так и производственного фонда.

Строительные Нормы и Правила жестко регламентируют параметры воздухообмена для всех типов помещений, при этом через систему вентиляции вместе с отточным воздухом удаляется и большая часть тепловой энергии. Частично компенсировать тепловые потери позволяют, так называемые, рекуператоры тепла, являющиеся частью приточно-вытяжной вентиляции . К сожалению, коэффициент полезного действия большинства рекуперационных установок далек от идеального, и тепловые потери нужно каким-то образом восполнять для поддержания оптимального температурного режима.

Одним из эффективных способов создания и поддержания оптимальных микроклиматических параметров в помещении является дополнительная комплектация приточной вентиляционной системы канальными нагревателями.

История

Идея канального нагревателя отнюдь не нова. Первый канальный (огневоздушный) нагреватель был создан и смонтирован по проекту Аммосова Н.А. в 1835 году в Санкт-Петербурге и использовался для отопления залов Императорской Академии художеств. По эффективности одна «аммосовская» печь приравнивалась к 30 «змеевикам» (прообразам современного централизованного отопления). В дальнейшем огневоздушные печи по указу императора Николая I были использованы для отопления Зимнего дворца (55 больших печей и 29 маленьких). Но, не взирая на высокую для того времени эффективность, аммосовская печь имела значительные недостатки:
- система огневоздушного отопления издавала постоянный гул;
- во время гроз перепады атмосферного давления провоцировали треск в вентиляционных каналах;
- система вентиляции, по которой подавался раскаленный воздух, слишком перегревалась, что отрицательно сказывалось на интерьере помещений, в частности быстро приходили в негодность росписи на стенах и картины.

Именно последний недостаток вынудил отказаться от применения прообраза канального нагревателя. Последняя аммосовская печь была демонтирована в 1912 году. И хотя реализация аммосовского нагревателя не оправдала возложенных на нее надежд, полностью от идеи приточной вентиляции с подогревом воздуха не отказались, и сегодня канальные нагреватели и приточные установки с подогревом широко используются в жилых, бытовых и производственных помещениях.

Электрические нагреватели

Электрические нагреватели в основном применяются в системах вентиляции с круглыми воздуховодами и рассчитаны на отопление помещений с большой площадью: выставочные залы, производственные цехи, торговые центры, залы ожиданий в аэропортах и т.д. Основным элементом нагревателя является электрический калорифер, выполненный в виде спирали. Приточный воздух, проходя сквозь разогретую спираль, забирает часть тепла и передает его в помещение. Для нормальной работы калорифера скорость приточного воздушного потока в вентиляционной системе должна быть не менее 2 м/с.

Электрический канальный нагреватель обычно рассчитан на работу с воздухом в диапазоне температур от 0 до +30°C при его относительной влажности до 80%. Максимальная рабочая температура воздушной среды на выходе из нагревателя составляет +40°C. Корпус устройства и основные элементы выполняются из оцинкованной или нержавеющей стали. Класс защиты по международному стандарту - IP43. На входе приточного воздуха в нагреватель рекомендуется устанавливать механические фильтры, воздух не должен содержать пыли, волокнистых веществ или жира.

Как правило, электрические нагреватели не имеют собственной системы управления и автоматики, а подключаются к общей системе управления приточной вентиляции. Программа контролера вентиляционной системы должна предусматривать автоматическое выключение нагревателя (по таймеру или температуре воздуха), а также аварийную остановку в случае его перегрева.

Выбор канального нагревателя производится по мощности. Упрощенно требуемую мощность можно рассчитать по формуле:
Р = 0,34*Q*t
где Q - производительность вентиляции, м.куб./час;
t - разница температур на входе и выходе вентиляционного канала.

Установив в систему вентиляции рекуператор, можно сэкономить на мощности калорифера, а значит снизить эксплуатационные затраты.

Водяные нагреватели

Водяные калориферы принципиально отличаются от электрических и в основном предназначены для установки в вентиляционные системы прямоугольного сечения, хотя существует модельный ряд и для круглых воздуховодов.

Конструкция и принцип действия водяного канального нагревателя следующие. В корпусе из нержавеющей или оцинкованной стали в шахматном порядке располагаются звенья медного пустотелого «змеевика» и алюминиевые теплоотдающие пластины. Внутри медного контура циркулирует подогретая вода или водно-гликолиевый раствор (в случае, если нагреватель устанавливается снаружи здания, и есть риск его замерзания в зимний период времени). Тепловая энергия циркулирующей жидкости передается алюминиевым пластинам (которые нужны для увеличения площади отдачи проходящему воздуху тепла), а те в свою очередь прогревают потоки воздуха приточной вентиляции.

Использование водяного калорифера (как и электрического) подразумевает наличие в системе воздушного фильтра для вентиляции. Приточный воздух не должен содержать абразивных частиц, волокнистых или липких веществ, химически агрессивных примесей и т.д. Диапазон рабочих температур составляет +5…+60°C при влажности воздуха 80%. Для эффективной работы нагревателя давление в воздуховодах вентиляционной системы должно быть не менее 1,5 мПа.

Как правило, водяные калориферы не имеют собственной системы регулирования производительности, поэтому в основном управление производится посредством одного из следующих дополнительных внешних устройств:
- дроссельного (переточного) клапана, регулирующего скорость циркуляции жидкости в змеевике;
- трехходового клапана по принципу «открыто-закрыто»;
- смесительного узла, позволяющего бесступенчато регулировать отношение поступающей в радиатор и возвращаемой жидкости.

Мнение эксперта

Инженер теплоснабжения и вентиляции РСВ

Федоров Максим Олегович

Водяные калориферы (более современное название - водяные воздухонагреватели) представляют собой агрегат из вентилятора и теплообменника, использующего в качестве теплоносителя горячую (перегретую) воду. Они используются для эффективного и экономичного обогрева помещений в зданиях промышленного, общественного и административного назначения. Эффективность, экономичность и высокая степень безопасности водяных нагревателей сделали их основным способом обогрева в помещениях этих категорий.

Все имеющиеся виды обогревательных устройств для вентиляции уступают или, в лучшем случае, приближаются по своим техническим характеристиками к водяным приборам.

Основная область использования калориферов - здания или помещения, в которых по разным причинам не имеется возможности установить радиаторы. Например, при больших объемах помещений радиаторы попросту не справятся, а , напротив, будет наиболее эффективным. Наиболее рациональным расположением водяных калориферов является приточная вентиляционная линия, поскольку нагревать выводимый поток нецелесообразно.

Кроме отопления, активно применяется подогрев приточной струи , используемый для сохранения уже имеющегося тепла в помещении. Если производится транспортировка свежей струи по продолжительной линии воздуховодов, то на них без подогрева воздуха будет накапливаться конденсат, что создаст массу проблем эксплуатационного характера. Для решения всех этих вопросов применяются водяные воздухонагреватели.

Воздухонагреватель водяной: принцип работы и конструкция

Наиболее распространенным типом являются . Они пришли на смену пластинчатым конструкциям, менее удачным в обслуживании и требующим периодического обслуживания в довольно трудоемкой форме.

Нагреватель

Основной элемент нагревателя - стальная трубка , на внешнюю поверхность которой нанесено алюминиевое оребрение. Эти ребра служат теплоотдающей поверхностью, площадь которой в сумме получается достаточно большой. При этом, полный наружный диаметр трубок (вместе с оребрением) составляет 37 мм, а сама трубка - 16 мм, поэтому глубина ребер относительно невелика и не вызывает опасности заполнения грязью, пылью или иными посторонними материалами, снижающими теплоотдачу. Расстояние между ребрами составляет 2,8 мм, что позволяет сохранять тепло даже при интенсивном обдуве, делая работу устройства высокоэффективной.

Подаваемый в здания воздух должен соответствовать заданным характеристикам. Для этого воздух проходит обработку такими способами, как фильтрование, нагрев, охлаждение, увеличение содержания влаги. Нагревание воздуха обеспечивает калорифер для приточной вентиляции. Для получения воздушного потока заданного температурного режима, необходимо сделать расчет и подбор калорифера.

Типы калориферов

Теплообменники выпускаются в разнообразных модификациях и для различных типов теплоносителей. Теплоносителями чаще выступают пар или вода. Также распространены электрокалориферы.

Водяные калориферы

Калориферы на горячей воде используются в приточных вентиляционных системах круглого или прямоугольного сечения и монтируются в вентиляционных каналах. Водяные калориферы могут быть двух- или трехрядными. Воздух, проходящий через водяной теплообменник, не должен включать твердые, волокнистые или клейкие вещества.

Паровые калориферы

По сравнению с водяными, паровые устройства используется нечасто, - обычно на промышленных предприятиях, где есть производство пара для технологических потребностей.

Обратите внимание! Иногда случается масштабное потребление воздуха приточной вентиляцией, и при этом установка теплообменника со значительным проходным сечением не представляется возможной. В таких случаях производится установка целой серии устройств меньшего размера.

Для проведения расчета необходимы такие данные:

1. Объем или масса приточного воздуха, подлежащего нагреву. Вычислять может объемный расход (куб. м/ч) или массовый расход (кг/ч).
2. Изначальная температура воздуха, которая равна температуре воздуха на улице.
3. Целевая температура, до которой необходимо разогреть приточный воздух, прежде чем подавать его в помещения.
4. Температурный режим теплоносителя, который применяется для нагрева воздуха.

Инструкция для расчета

При расчете калорифера, используемого для приточной вентиляции необходимо вычислить площадь поверхности подогрева и необходимую мощность. Начинать нужно с вычисления площади сечения теплообменника по фронту:

Аф = Lρ / 3600 (ϑρ), здесь:

• L – расход приточного воздуха по объему, м³/ч;
• ρ – значение плотности наружного воздуха, кг/м³;
• ϑρ – массовая скорость воздушных масс в расчетном сечении, кг/(с м²).

Показатель фронтального сечения необходим для осведомленности о размере теплообменника. Далее нужно использовать для расчета ближайшее большее по размеру устройство. Если по расчетам вышла слишком значительная площадь сечения, понадобится остановить выбор на нескольких параллельно монтируемых калориферах, чтобы получить необходимую площадь.

Показатель реальной массовой скорости нужно вычислять, учитывая реальную площадь по фронту выбранных калориферов:

Q = 0.278Gc (tп – tн), где:

• Q – количество теплоты, Вт;
• G – массовый расход нагреваемого воздуха, кг/ч;
• с – величина удельной теплоемкости воздушной смеси, принимается равной 1.005 кДж/кг °С;
• tп – температура притока, °С;
• tн – начальная температура воздуха с улицы.

Так как установка вентилятора в приточной вентиляции производится до теплообменника, массовый расход G вычисляется, принимая во внимание плотность воздуха на улице.

В обратном случае плотность определяется по температуре воздуха после его подогрева. Вычисленное количество тепла позволяет сделать расчет затрат теплоносителя в калорифере (кг/ч) для отдачи этой теплоты пропускаемому воздуху:

Gw = Q / cw (tг – t0)

В данной формуле:

• cw – значение теплоемкости для воды, кДж/кг °С;
• tг – расчетная температура воды в подающем трубопроводе, °С;
• t0 – расчетная температура воды в обратном трубопроводе, °С.

Удельный величина теплоемкости воды - справочный показатель. Температурные характеристики теплоносителя, используемые для расчетов, берутся исходя из реальных показателей в существующих условиях. Если имеется котельная или подключение к центральной тепловой сети, для расчета понадобятся характеристики их теплоносителей . Имея информацию о расходе теплоносителя, можно рассчитать скорость (м/с) его передвижения по трубам калорифера:

w = Gw / 3600 ρwAmp, здесь:

• Amp – площадь поперечного сечения трубок теплообменника, м²;
• ρw – плотность воды при средней температуре теплоносителя в калорифере, °С.

Расчет средней температуры воды, циркулирующей через калорифер, проводится по формуле:

Скорость, подсчитанная по указанной выше формуле, будет справедлива для комплекта последовательно подключенных теплообменников. Если же произведена параллельная обвязка, произойдет увеличение площади сечения труб более чем вдвое. В свою очередь, это станет причиной уменьшения скорости перемещения теплоносителя. Подобное уменьшение не принесет увеличение производительности, но станет причиной снижения температуры в возвратном трубопроводе. Чтобы не столкнуться с чрезмерным ростом гидравлического сопротивления теплообменника, не нужно принимать скорость перемещения теплоносителя более чем 0,2 м/с.

Вычисление поверхности нагрева

Коэффициент отдачи тепла для нагревателя поверхностей определяют по справочникам для вычисленных показателей скорости движения теплоносителя и массовой скорости притока воздуха. Далее определяется площадь поверхности подогрева (кв. м) теплообменника, используя формулу:

Amp = 1.2Q / K (tср.т – tср.в), где:

• К – коэффициент передачи тепла калорифером, Вт/(м°С);
• tср.т – значение средней температуры теплоносителя, °С;
• tср.в – значение средней температуры приточного воздуха для вентиляции, °С;
• число 1,2 – необходимый коэффициент запаса, учитывает дальнейшее остывание воздушных масс в воздухопроводах.

Средняя температура воздуха вычисляется по формуле:

В указанном варианте, если для прогрева воздуха не хватает нагревательной поверхности одного теплообменника, число калориферов одного вида необходимо рассчитать так:

Nmp = Amp / Ak, тут Ak

Итоговый результат - это значение, полученное с использованием формулы, округленное в большую сторону.

Qфакт = К (tср.т – tср.в) Nфакт Ak.

здесь Nфакт принимается с округленным значением Nmp, остальные параметры – как в предыдущих формулах.

Потребуется учесть дополнительный запас мощности теплообменника - 12-15%. Такому подходу есть объяснения:

• истинные показатели коэффициента передачи тепловой энергии калорифера практически никогда не совпадают с данными в таблицах, причем чаще в сторону снижения;
• производительность устройства уменьшается с увеличением срока эксплуатации оборудования и образования засоров труб.

Однако не желательно превосходить запас мощности, поскольку существенное расширение нагреваемой поверхности приводит к их избыточному охлаждению, а во время низких температур воздуха - к размораживанию. Некоторые производители дают гарантию на точность указанных параметров . В таком случае запас мощности можно установить в пределах 5%. Чтобы не столкнуться с размораживанием, скорость перемещения теплоносителя должна устанавливаться на уровне - 0,12 м/с. Обвязка теплообменника может включать циркуляционную насосную систему, поддерживающую баланс производительности. Отдельные модели теплообменников выпускаются с вмонтированным обводным клапаном, защищающим от размораживания.

Особенности расчета для паровых калориферов

Если теплоноситель - это пар, выбор и расчет калорифера осуществляется таким же способом, но расход теплоносителя при разогреве воздуха вычисляется следующим образом:

В этой формуле параметр r (кДж/кг) – удельная теплота, выделяемая при конденсации водяного пара. Скорость движения водяного пара в трубках калорифера не рассчитывается.

Методы обвязки

Узел обвязки - это специальный арматурный каркас для регулировки поступления горячей воды. Обвязка проводится одним из двух методов:

• двухходовые вентилями - сети, где не контролируется обратный расход воды;
• трехходовые вентили - при использовании бойлера или котельной.

Монтаж узла обвязки необходим, так как дает возможность держать под контролем производительность калорифера и защищает его от промерзания.

Выбор электрического калорифера

Если решено применять в приточной вентиляционной системе электокалорифер, то выбор устройства осуществляется по требуемому расходу воздуха, а также его температурах на входе и выходе. Если производитель электрокалорифера прописывает в документации расход потребляемого воздуха и электрическую мощность - выбор оборудования прост. Однако здесь необходимо поддерживать минимально разрешенный заводом объем воздушного притока. Игнорирование этого требования приводит к поломке нагревательных элементов электрокалорифера. Если предполагаемое приобретение предусматривает такой эксплуатационный режим, нужно использовать ступенчатое регулирование нагревательных элементов. Размер запаса мощности для электрокалорифера - до 10%.

Для помещений небольшой площади лучше остановить выбор на электрических калориферах, поскольку они не сложны в эксплуатации и просты в монтаже. Для зданий большой площади лучшим выбором будет установка водяных калориферов, так как в сравнении с электрокалориферами они более экономичны.