Система отопления здания

Изобретение относится к одно- и двухтрубным системам отопления с термостатами, а также к энергосберегающим автоматическим системам отопления зданий различной этажности, включая многоэтажные. Технический результат: увеличение энергосберегающей функции системы отопления. Система отопления здания содержит вертикальные подающую и отводящую магистрали, подключенные к ним непосредственно или через горизонтальные поэтажные подающие и отводящие трубы отопительные приборы с осевыми или смещенными байпасами. На каждом этаже в отводящей трубе расположено струйное устройство, производящее пониженное давление и служащее гидродинамическим затвором, активный вход которого на верхнем этаже подключен к подающей трубе, активный вход нижерасположенного струйного устройства подключен к выходу вышерасположенного струйного устройства. Пассивные входы каждого струйного устройства подключены к отводящим трубам отопительных приборов, выход последнего струйного устройства подключен к отводящей магистрали системы. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к одно- и двухтрубным системам отопления с термостатами, а также к энергосберегающим автоматическим системам отопления зданий различной этажности, включая многоэтажные.

Известны системы отопления в зданиях [1] (В.Д.Коркин. Системы водяного отопления с радиаторами // ж. АВОК №4, 2002), в которых использованы регулировочные краны, расположенные непосредственно у радиаторов. Недостатком таких систем является практическое отсутствие энергосберегающих режимов отопления.

Эффективность использования тепла в различных системах отопления с использованием комнатных (радиаторных) термостатов зависит от величины остаточной теплоотдачи в системе отопления [2] (Энергосберегающие системы теплоснабжения зданий на основе современных технологий и материалов. Альбом. Ред. С.А.Чистович. С-П. 2003. с.8-9, 135 п.8-11).

Приведенные традиционные одно- и двухтрубные системы отопления с отопительными приборами и термостатами имеют большую остаточную теплоотдачу, неучтенные потери тепла и возможные выбросы значительного количества тепла в атмосферу при перегреве.

При полном отключении отопительного прибора закрытый клапан термостата создает условия практического отсутствия течения рабочей жидкости в отопительном приборе, например в конвекторе. Сила гравитации образует температурные слои, перемещая жидкость с меньшей температурой и большей плотностью в нижнюю часть секции отопительного прибора, а с большей температурой в ее верхнюю часть. Далее, если нет препятствий, через отводящую трубу жидкость с большей температурой замещает охлажденную часть в отопительном приборе, доставляя с собой излишнее количества тепла. Кроме того, поступление в помещение дополнительного нетребуемого тепла, т.к. клапан термостата закрыт при тепловом равновесии в помещении, осуществляется от теплоносителя через все металлические соединения труб системы отопления с отопительным прибором.

Для уменьшения остаточной теплоотдачи используются схемные решения, в которых меняется расположение радиаторного термостата до входа в отопительный прибор (конвектор) или после него [3] (Сасин В.И. и др. Руководство по применению алюминиевых литых секционных радиаторов «Calidor Super» фирмы «Fondital». Изд. ФГУП НИИсантехники, ООО Витатерм, М., 2001).

Применяются такие конструктивные приемы, как тепловой барьер, в виде отдельных устройств: специальные колена, двойные изгибы трубопровода, наклонные участки трубопровода, косые каналы в специальных вставках в трубопровод и др.

Недостатком схемных решений является ограниченная возможность индивидуального регулирования температуры из-за большой остаточной теплоотдачи при полном отключении отопительных приборов.

Недостатками известных конструктивных устройств теплового барьера является пассивный способ создания препятствия при малых скоростях движения жидкости, что соответствует малым коэффициентам затекания в отопительный прибор. Не используется дополнительно энергия рабочей жидкости всей системы отопления и возможности получения дополнительных эффектов. Например, увеличение расхода через отопительный прибор (величины коэффициента затекания) от действия, например, инерционных или эжектирующих сил.

Наиболее близким техническим решением является система с отопительными приборами [4] (Ю.А.Коростелев и др. К расчету горизонтальных однотрубных систем отопления // АВОК №6, 2006). Отопительные приборы присоединяются к однотрубной системе отопления с помощью осевых и смещенных байпасов (замыкающих каналов). Отводящая труба отопительного прибора при осевом подключении может испытывать эффект эжекции (узел А, с.36). Однако боковое расположение входа отводящей трубы, как в тройнике, деформированное поле скоростей при инверсии значительно снижает этот эффект пониженного давления на срезе входа. Отсутствие приемной камеры и камеры смешения для последующего выравнивания эпюры скоростей и восстановления давления повышает гидравлическое сопротивление всего узла и уменьшает коэффициент затекания в отопительный прибор.

Конструктивный монтаж такого подключения требует сварочных работ по месту присоединения отопительного прибора. Отсутствие точного месторасположения присоединения отопительного прибора к системе отопления на стадии проектирования отдельных узлов системы не позволяет заготавливать отдельные детали впрок, т.к. узлы не типовые.

Проектирование горизонтальных систем отопления предполагает тщательную увязку гидравлических потерь в ветвях и циркуляционных кольцах по этажам при наличии различного этажного давления, что приводит к неоднозначным данным по коэффициенту затекания при проектировании системы и последующей ее эксплуатации.

В известной системе отопления при традиционной схеме управления подачей тепла с помощью термостата (без струйного устройства), например, через конвектор теплоноситель (горячая вода) поступает одновременно в конвектор и байпас до тех пор, пока температура в помещении не будет равна заданной термостатом. По мере приближения температуры к заданной затвор клапана постепенно уменьшает проходное сечение, происходит перераспределение расхода теплоносителя между конвектором и байпасом. При наступлении теплового баланса между притоком и оттоком тепла из помещения затвор клапана термостата, например, закрывается и подача воды из подающей трубы в конвектор прекращается. Далее горячая вода поступает только по байпасу, обходя данный конвектор мимо, например, на другие этажи здания. По мере остывания воды в трубах конвектора (нижней и верхней) происходит гравитационное расслоение в объемах труб по удельному весу на горячие (вверху) и холодные (внизу) слои.

В этом состоянии клапан закрыт. Система отопления пропускает горячую воду через байпас в рассматриваемом конвекторе. Поток воды, протекая по байпасу, увлекает за собой некоторую часть из общего объема воды конвектора, в том числе охлажденную. На ее место проникает снова горячая вода, замещая их. Термостат на изменение этой ситуации в трубах конвектора никак не реагирует, его клапан закрыт, прибывающее тепло увеличивает температуру в помещении. Однако приращение тепла при закрытом затворе клапана термостата нарушает температурный баланс в помещении. Температура неуправляемо возрастает до тех пор, пока не установится баланс между оттоком тепла через стены уже при другой, повышенной, температуре помещения по сравнению с заданной температурой термостатом. Или будет обеспечен отток тепла через дополнительно открытую форточку в окне с помощью так называемого «форточного» регулятора поддержания температуры в помещении.

Для устранения отмеченных недостатков и увеличения энергосберегающей функции системы отопления предлагается система отопления здания, содержащая вертикальные подающую и отводящую магистрали, подключенные к ним непосредственно или через горизонтальные поэтажные подающие и отводящие трубы отопительные приборы с осевыми или смещенными байпасами, отличающаяся тем, что на каждом этаже в отводящей трубе расположено струйное устройство, производящее пониженное давление и служащее гидродинамическим затвором, активный вход которого на верхнем этаже подключен к подающей трубе, активный вход нижерасположенного струйного устройства подключен к выходу вышерасположенного струйного устройства, пассивные входы каждого струйного устройства подключены к отводящим трубам отопительных приборов, выход последнего струйного устройства подключен к отводящей трубе или магистрали системы.

Кроме того, струйное устройство выполнено в виде струйного эжектора с пассивными плавными поворотами входов и активным входом, соосным с входом камеры смешения и своим выходом.

Кроме того, струйное устройство выполнено в виде вихревого эжектора с пассивными плавными поворотами входов и тангенциальным активным входом, камерой смешения и своим выходом.

Кроме того, струйное устройство выполнено в виде гидравлического сумматора потоков с пассивными плавными поворотами входов к активному входу.

Кроме того, струйные устройства в виде струйного эжектора, вихревого эжектора, гидравлического сумматора потоков могут подключаться к отводящей магистрали в любой комбинации конструктивного выполнения.

Предлагаемая система отопления предназначена для повышения энергосбережения и уменьшения остаточной теплоотдачи. Различные компоновочные варианты системы могут быть созданы путем размещения в различных точках системы струйного устройства, в котором используется кинетическая энергия потока теплоносителя.

Работа предложенной системы отопления здания в части отвода теплоносителя, прошедшего через отопительные приборы, основана на эффекте эжекции (подсасывания, увлечения) потока теплоносителя из отводящей трубы отопительного прибора в одно- или двухтрубной системе отопления. Поток горячей воды системы отопления имеет достаточную кинетическую энергию для формирования процесса эжектирования. В двухтрубной системе отопления струйное устройство подключается входом и выходом в разрыв отводящей трубы и использует кинетическую энергию потока в этой трубе системы отопления. При этом устраняется из монтажного комплекта настроечное гидравлическое сопротивление на отводящей трубе отопительного прибора.

Таким образом, общая отводящая магистраль (труба, стояк) системы состоит из набора труб, между которыми подключены струйные устройства, производящие пониженное давление и служащие гидродинамическим затвором и к которым примыкают отводящие трубы отопительных приборов.

В такой комплектации возможна как однотрубная, так и двухтрубная система отопления с вертикальными стояками в старых домах и горизонтальной разводкой стояков в новых домах.

В традиционной однотрубной или двухтрубной схеме основная доля остаточной теплоотдачи возникает из-за подмеса горячего теплоносителя через отводящую трубу в объем радиатора при закрытом клапане термостата.

Струйное устройство, служащее гидродинамическим затвором и производящее пониженное давление на отводящей трубе отопительного прибора, и закрытый клапан термостата (при условии теплового баланса) позволяют временно отключить отопительный прибор (радиатор, конвектор и др.) от системы отопления всего здания. Радиатор отдает тепло в помещение без подмеса горячей воды в его (радиатора) объем, термостат набирает сигнал рассогласования между фактической и заданной температурой воздуха в измеряемой точке помещения для последующего открытия клапана. Поскольку происходит постоянный отток (отсасывание) теплоносителя из объема радиатора, в его объеме возникает пониженное давление. В динамике потока образуется гидродинамический затвор, который препятствует проникновению горячей воды через отводящую трубу в объем радиатора.

В результате отключения отопительного прибора с помощью двух затворов, действующих по обе стороны отопительного прибора, и отсутствия вследствие этого подмеса горячего теплоносителя получаем уменьшение остаточной теплоотдачи и экономию тепла, ранее сбрасываемого через открытое окно (форточку) за пределы отапливаемого помещения, например, в наружную атмосферу.

По схеме предлагаемой системы отопления можно построить однотрубную систему отопления со смещенным и осевым (несмещенным) байпасом и включить струйное устройство к отопительному прибору для уменьшения остаточной теплоотдачи.

С помощью струйного устройства в выбранной точке гидравлической системы, например в линии отводящей трубы отопления, можно получить понижение потенциала давления как функциональную развязку. Т.е. там, где это необходимо понизить давление, увеличить перепад давления и скорость протекания теплоносителя через выбранную нагрузку в системе. Таким свойством не обладают известные системы отопления.

Кроме того, при монтаже струйного устройства температурная компенсация удлинения вертикального стояка системы отопления осуществляется за счет связанной с ним поэтажной разводки горизонтальных участков подающей и отводящей труб отопительных приборов.

Представлены схемы на фиг.1 и 2 двухтрубной, на фиг.3 и 4 - однотрубной системы отопления с расположением на каждом этаже струйного устройства и введены обозначения, типовые для этажа: 1 - отопительный прибор (радиатор, конвектор и др.); 2 - термостат (комплект термостатирующей головки и термостатического клапана); 3 - струйное устройство к отопительному прибору. В качестве примера применен на фиг.1, 3 струйный эжектор (фиг.5) или гидравлический сумматор (фиг.7), на фиг.2, 4 - вихревой эжектор (фиг.6); 4 - подающая магистраль; 5 - подающий вертикальный стояк; 6 - подающая труба отопительного прибора; 7 - отводящая магистраль; 8 - отводящий вертикальный стояк; 9 - отводящая труба отопительного прибора; 10 - соединение активного входа струйного устройства с подающей трубой отопительного прибора (или с подающим стояком) на верхнем этаже; 11 - байпас.

На фиг.5, 6, 7 приведены схемы струйного устройства 3, производящие пониженное давление и служащие гидродинамическим затвором, на которых обозначено: 8 - отводящий вертикальный стояк; 9 - пассивные входные каналы с плавным поворотом; 12 - сформированное сужение (сопло); 13 - приемная камера; 14 - камера смешения; 15 - выход струйного устройства.

В вертикальной одно-двухтрубной системе отопления предлагается укомплектовать два (или более) соседних радиатора или каждый отопительный прибор струйным устройством, обеспечивающим уменьшение остаточной теплоотдачи. Струйное устройство вместе с термостатом можно представить как энергосберегающий узел.

На фиг.5 изображено струйное устройство в виде струйного эжектора, в котором общий поток теплоносителя формируется по расходу и температуре в камере смешения 14, который далее продвигается динамическим напором струи активного входа 12 к выходу 15 струйного устройства 3. Выраженный эффект эжекции обеспечивается расширением струи, исходящей из сопла 12, ее пограничным слоем, в котором находятся объемы самой струи и увлеченные из отводящих труб 9 от отопительных приборов 1. При этом пониженное давление в отводящих трубах 9 создается постоянной работой гидродинамического потока, обеспечивающего гидродинамический затвор для поступления теплоносителя в приборы 1. Этим достигается значительное уменьшение остаточной теплоотдачи. Начальный поток теплоносителя для струйного устройства (фиг.5 и 7) обеспечивается настройкой и выбором сопла 12 в байпасе 10 верхнего этажа здания (фиг.1, 3).

На фиг.6 изображено струйное устройство в виде вихревого эжектора, отличающегося от струйного эжектора тем, что теплоноситель подается через активный вход (сопло 12), расположенный тангенциально (по периферии к поверхности) в приемной камере 13. Поток по касательной в приемной камере 13 создает вихрь с пониженным давлением в центре, который увлекает теплоноситель, поступающий через плавные повороты от отводящих труб 9 (фиг.3, 4) отопительных приборов 1 к выходу 15. При пониженном давлении в центре приемной камеры 13 создается перепад давления относительно отводящей трубы 9. Данный перепад создает условия для постоянного отсоса теплоносителя из отопительных приборов 1 и в дальнейшем при закрытии клапана термостата 2, реализации гидродинамического затвора. Начальный поток теплоносителя обеспечивается настройкой и выбором сопла 12 в байпасе 10 верхнего этажа здания (фиг.2, 4).

На фиг.7 изображено струйное устройство - гидравлический сумматор потоков, в котором подсос регулируется автоматически в общей камере 13 и определяется работой термостатов 2, пропускающих теплоноситель через отопительные приборы 1.

1. Рассмотрим работу предлагаемой, например, однотрубной системы отопления, укомплектованной струйными устройствами к приборам отопления в двух режимах (фиг.3, 4) на примере нижнего этажа. Для простоты понимания, примем режим работы в здании одинаковый для всех термостатов и струйных устройств одновременно. Обозначение оборудования для всех этажей одинаковое, кроме байпаса. На верхнем этаже - это номер 10, на других - 11.

1.1. Допустим, что температура в помещениях ниже заданной термостатами и здание насыщается тепловой энергией. Затвор клапана термостата 2 на всех этажах полностью открыт (фиг.3). От отводящего стояка 8 теплоноситель поступает одновременно к радиаторному термостату 2 через подающую трубу 6 и после него к отопительному прибору 1 и одновременно по байпасу 11 на вход струйного устройства 3 (фиг.5, 6, 7). Поток теплоносителя проходит через сформированное сопло 12, выполняющее несколько функций: суженного сечения, которое повышает давление перед термостатом (как в традиционной схеме); при увеличенной скорости течения и расширения струи создает эжектирующий эффект (подсос) в приемной камере 13; пониженное гидравлическое сопротивление байпаса 11. Сечение трубы байпаса 11 можно иметь одинаковое с другими трубами 6, 8, 9. Функцию повышения давления можно формировать за счет сопла 12 струйного устройства 3. Это расширяет возможности подбора нагрузки (сопла) для расчетного повышения давления (коэффициента затекания) и упрощает расчет тепловой нагрузки отопительных приборов при проектировании системы отопления, практически поддерживая относительный коэффициент затекания постоянным.

Эжекция (отсос), созданная гидродинамическим потоком теплоносителя, обеспечивает пониженное давление не только в отводящих трубах 9 с плавным поворотом и в самих отопительных приборах 1. Понижение давления способствует увеличению коэффициента затекания в отопительный прибор 1, усиливая проток через него, что эквивалентно уменьшению сопротивления его гидравлического тракта. В то же время пониженное давление в отопительном приборе при отсосе из его объема разных порций теплоносителя приводит в постоянному перемешиванию и выравниванию температуры по объему. Это свойство перемешивания дополнительно турбулизует течение внутри отопительного прибора и увеличивает скорость теплоотдачи, что, в свою очередь, сокращает постоянную времени в переходном процессе «нагрев-охлаждение» и повышает энергосбережение всей системы отопления.

В рассматриваемом открытом положении клапана термостата коэффициент затекания в отопительный прибор 1 максимальный, обусловленный в основном гидравлическим сопротивлением сопла 12 байпаса 11 и уменьшением гидравлического сопротивления тракта, включая отводящие трубы 9 с плавными поворотами пассивных входов в струйное устройство 3. Перепад давления между пассивным входом 9 и выходом 15 минимальный, в то же время способствующий увеличению коэффициента затекания. При создании эжекции используется энергия потока теплоносителя, находящегося в общей системе отопления здания.

Если затвор клапана термостата 2 в промежуточном положении, то изменится отношение между расходами жидкости, протекающей через клапан термостата 2 и байпас 11, по сравнению с полностью открытым клапаном. При этом увеличиваются эжектирующие свойства струйного устройства 3, но относительный коэффициент затекания и теплоотдача от прибора отопления в помещение остаются примерно постоянными.

1.2. Клапан термостата 2 закрыт. Теплоноситель по трубе 8 направляется по байпасу 11 на суженный вход 12 струйного устройства 3 и на выход 15 и далее в отводящую трубу 8 (фиг.3, 4). В динамике течения теплоносителя через струйное устройство 3 возникающее пониженное давление в плавных поворотах 9 распространяется по отводящим трубам 9 к отопительному прибору 1. При равновесии динамических давлений между течением в потоке в полости 13 и в полости прибора 1 достигается отсутствие подмеса горячего теплоносителя и уменьшение "остаточной" теплоотдачи. Струйное устройство 3 выполняет функцию гидродинамического затвора, предотвращающего перетечку теплоносителя из отводящей трубы 9 в отопительный прибор 1.

В этом режиме достигается максимальный эффект эжекции, который и требуется для уменьшения остаточной теплоотдачи при закрытом клапане. Именно в этом режиме система отопления максимально выполняет свое функциональное назначение в уменьшении поступления излишнего тепла, приводящего к перегреву помещения и всего здания.

2. Рассмотрим работу предлагаемой двухтрубной системы отопления (фиг.1, 2) в двух режимах.

2.1. Затвор клапана термостата 2 открыт. Из стояка 5 теплоноситель поступает на вход клапана радиаторного термостата 2 через подающую трубу 6 отопительного прибора и попадает в обратную трубу 9. Далее через плавный поворот 9 струйного устройства 3 (фиг.5) теплоноситель попадает в приемную камеру, из которой увлекается в камеру смешения 14 к выходу 15. Через суженный вход (сопло) 12 отводящей трубы 8 в приемную камеру 13 подается под давлением и увеличенной скоростью поток обратного теплоносителя. Этот поток создает эжектирующий эффект за счет увеличенной скорости течения через суженное сечение 12 (фиг.5, 7). При этом создается пониженное давление в камере 13. Понижение давления способствует увеличению коэффициента затекания в радиатор, как бы уменьшается сопротивление гидравлического тракта радиатора. При создании эжектирующего эффекта используется энергия потока теплоносителя, находящегося в общей системе отопления здания (фиг.1, 2). Температура в помещении поддерживается термостатом 2 путем регулирования проходного сечения в клапане термостата. При регулировании изменяется соотношение между расходами жидкости, протекающей через клапан термостата 2 и по отводящей трубе 9.

При этом не изменяются эжектирующие свойства струйного устройства 3 с суженным входом 12, но изменяется коэффициент затекания и теплоотдача от отопительного прибора.

2.2. Клапан термостата 2 закрыт. Теплоноситель по трубе 6 не попадает на вход клапана термостата 2. Поток теплоносителя по отводящей трубе 8 системы отопления проходит на суженный вход 12 (фиг.5, 7). При этом возникает в струйном устройстве 3 гидродинамический затвор, который дополнительно к закрытому клапану с одной стороны прибора отделяет его с другой стороны от отводящей трубы системы отопления. Таким выключением прибора от системы отопления достигается отсутствие расхода, подмеса горячего теплоносителя и уменьшение остаточной теплоотдачи. Именно в этом режиме струйные устройства всей системы отопления здания максимально выполняют свое функциональное назначение в уменьшении излишнего тепла.

При этом используются для увеличения перепада давления и, следовательно, коэффициента затекания и увеличения теплоотдачи при той же площади радиатора - эффект от эжектирующих сил при увеличенной скорости из суженного входа (фиг.1, 2, 5, 7).

При использовании струйного устройства в виде вихревого эжектора (фиг.2, 6) его эжектирующие свойства проявляются за счет создания пониженного давления в центре приемной камеры 13, переходящей в камеру смешения 14.

Известно, что доля радиаторных термостатов в процедуре энергосбережения для жилого здания составляет менее 2-3%.

Предлагаемая система отопления, укомплектованная струйными устройствами совместно с термостатом, повышает энергосберегающую функцию, увеличивая эффект за счет уменьшения постоянной времени переходного процесса и остаточной теплоотдачи, включая в контур регулирования неизолированные подающую 6 и отводящую 9 трубы к отопительному прибору.

Применение предлагаемой системы отопления здания направлено на создание новых и модернизацию уже имеющих систем отопления как однотрубных, так и двухтрубных с термостатами. Выполнить это можно путем подключения к эксплуатируемой системе отопления струйных устройств, представляющих по функции совместно с термостатами как дополнительный энергосберегающий контур регулирования по температуре помещения. Реализация такой системы отопления возможна практически без изменения конструкции центрального отопления многоэтажных домов и серийной продукции, входящей в системы отопления (термостатов, конвекторов, радиаторов и др.).

Следующие отличительные свойства системы отопления здания, которые делают ее более предпочтительной:

- уменьшение остаточной теплоотдачи приборов отопления относительно традиционной схемы установки радиаторных термостатов

- уменьшено гидравлическое сопротивление теплового поквартирного узла, что обеспечивает при тех же мощностях узлов ввода обслуживание большего числа этажей и запас мощности.

1. Система отопления здания, содержащая вертикальные подающую и отводящую магистрали, подключенные к ним непосредственно или через горизонтальные поэтажные подающие и отводящие трубы отопительные приборы с осевыми или смещенными байпасами, отличающаяся тем, что на каждом этаже в отводящей трубе расположено струйное устройство, служащее гидродинамическим затвором и производящее пониженное давление, активный вход которого на верхнем этаже подключен к подающей трубе, активный вход нижерасположенного струйного устройства подключен к выходу вышерасположенного струйного устройства, пассивные входы каждого струйного устройства подключены к отводящим трубам отопительных приборов, выход последнего струйного устройства подключен к отводящей магистрали системы.

2. Система отопления здания по п.1, отличающаяся тем, что струйное устройство выполнено в виде струйного эжектора с пассивными плавными поворотами входов и активным входом, соосным с входом камеры смешения и своим выходом.

3. Система отопления здания по п.1, отличающаяся тем, что струйное устройство выполнено в виде вихревого эжектора с пассивными плавными поворотами входов и тангенциальным активным входом, камерой смешения и своим выходом.

4. Система отопления здания по п.1, отличающаяся тем, что струйное устройство выполнено в виде гидравлического сумматора потоков с пассивными плавными поворотами входов к активному входу.

5. Система отопления здания по п.1 и любому из пп.2-4, отличающаяся тем, что струйные устройства подключены к отводящей магистрали в любой комбинации конструктивного выполнения.