Як правильно вибрати і змонтувати батареї водяного опалення
У кліматичних умовах України опалювальний сезон становить половину року. Тому без перебільшень можна стверджувати, що громадянин України третину життя проводить в опалювальному приміщенні. Ця обставина змушує серйозно поставитися до вибору системи опалення та теплових приладів. Крім того, у зв'язку з різким збільшенням цін на енергоносії особливе значення мають способи економії палива без шкоди для комфорту житла.
Як відомо, теплота передається трьома способами: теплопровідність, конвекція і випромінювання. Теплопровідність — перенесення теплоти в твердих тілах від нагрітих ділянок до холодних внаслідок теплового руху молекул, атомів і вільних електронів. Коефіцієнт теплопровідності (Вт/м град) характеризує інтенсивність передачі тепла через стінку з конкретного матеріалу. Матеріал опалювальних батарей (радіаторів): Чавун — 50, Сталь — 58, Цинк — 110, Алюміній — 220, Мідь — 410. Найкраще працював би повністю мідний радіатор, але це занадто дорого. Будівельні (ізоляційні) матеріали: Мармур — 2,91, Залізобетон — 2,04, Бетон — 1,86, Вапняк, Цегла силікатна — 0,88, Цегла глиняний — 0,80, Скло віконне — 0,78, Керамзитобетон — 0,75, Дерево — 0,35, деревні Плити — 0,25, Плити ізоляційно-утеплювальні — 0,10-0,06. Звідси видно, що найбільш холодні будинки з залізобетону, а самий «теплий» будівельний матеріал — пінобетон. Конвекція — перенесення теплоти в рідині або газі за рахунок перемішування їх обсягів при нагріванні. Коефіцієнт теплопередачі конвекцією сильно залежить від швидкості перемішування нагрівається обсягу. У старих системах опалення нагріта в казанку вода надходить до батарей гравітаційним шляхом — тепла вода піднімається вгору, холодна за «обратку» повертається в казанок. Сама природна конвекція дуже неефективна, тому в сучасних системах опалення обов'язково застосовується циркуляційна водяна помпа, яка в кілька разів збільшує швидкість подачі нагрітої води до батарей опалення. Повітря у самої поверхні радіатора нагрівається і піднімається вгору, поступаючись місцем новим холодним верствам. Так конвекційно нагрівається повітря в приміщенні. Випромінювання — передача тепла випромінюванням електромагнітних хвиль (променистої енергії), яке передається через прозоре середовище (повітря). Таким чином, відбувається обігрів сонячними променями, обігрів від багаття, від каміна, від електронагрівачів (спіраль у рефлекторі). Будь-який тип теплового приладу опалює приміщення складним теплообміном — випромінюванням, конвекцією через повітря, навіть теплопровідністю, якщо притулитися до теплої батареї. Передача тепла випромінюванням сильно залежить від температури опалювального приладу. Метою будь-якої системи опалення є створення комфортної температури середовища проживання людини, тобто нагрівання повітря в приміщенні до температури 18 - 20 градусів і підтримка цього рівня температури. Повітря передасть комфортну температуру оточуючих людину речей: меблях, посуді, одязі, стін і т. п. Стіни, звичайно, частину тепла передадуть зовнішньому повітрю, тому тепло в приміщенні потрібно безперервно додавати, тобто підтримувати тепловий баланс — скільки тепла пішло назовні, стільки треба додати. Людина по мірі необхідності створить локальний нагрів потрібних речей (на плиті) або їх охолодження (в холодильнику).
Система обігріву приміщення складається з теплогенераторів (печей, котлів) і приладів опалення (батарей, радіаторів). Піч (камін), яка безпосередньо обігріває повітря приміщення, відноситься до локального опалення. Система, в якій тепло-генератор (казанок) знаходиться в окремому приміщенні, а обігрів кімнат проводиться батареями, називається центральним опаленням. Піч відноситься до найпростіших опалювальних пристроїв і не має можливості оперативно регулювати температуру в приміщенні. Її треба топити безперервно або періодично. Вона накопичує тепло в своїй масі, потім поступово віддає його випромінюванням через свої зовнішні поверхні. Частина тепла віддається повітрю конвекцією. Коефіцієнт корисної дії навіть кращих печей не перевищує 50 %, тобто половина енергії палива, що спалюється відлітає в трубу.
Система центрального опалення складається з трьох частин, які ми розглянемо окремо: 1) батарей або радіаторів різних конструкцій; 2) трубопроводів, що переносять тепло з допомогою теплоносія (води, пари); 3) котлів для різних видів палива. Котел повинен швидко нагрівати воду в системі, при досягненні необхідної температури вимикатися, щоб економити паливо. Трубопровід повинен дуже швидко доставляти нагріту воду до радіаторів і по дорозі втрачати менше тепла. Радіатор повинен швидко нагріти повітря в приміщенні до заданої температури і з допомогою термоклапан припинити забір з системи гарячої води.
РАДІАТОРИ ВОДЯНОГО ОПАЛЕННЯ Опалювальні радіатори або багатосекційні батареї водяного опалення за конструктивними особливостями поділяються на три групи: секційні ємнісні батареї, які складаються з послідовно сполучених нагрівальних секцій; панельні обігрівачі, які встановлюються в один, два або три ряди; конвекційні обігрівачі, які мають розвинене «ребра» і швидко нагрівають повітря в приміщенні.
ЧАВУННІ СЕКЦІЙНІ БАТАРЕЇ — теплові прилади, які всім відомі з дитинства. Відносяться до застарілих систем опалення і за кордоном не застосовуються. Мають малу поверхню віддачі тепла і низьку теплопровідність металу, виробляють нагрівання в основному випромінюванням і близько 20 % тепла передають конвекцією повітря. Поширена вітчизняна секція чавунного радіатора МС-140 має вага 7,5 кг, вміщує 4 літри води, має всього 0,23 кв. м площі нагрівання. В кожній кімнаті квартири треба мати батарею по 8-10 чавунних секцій або навіть більше. У великій квартирі або особняку вага всіх чавунних батарей і води у них становить тонни, доводиться застосовувати труби великого діаметру, які неможливо заховати в стіни. Рух теплоносія в системі відбувається гравітаційним шляхом, що сильно уповільнює передачу тепла. В довідниках подається потужність теплового випромінювання для чавунної секції МС-140 в розмірі 160-180 ватт при температурі теплоносія 90 градусів. Однак ця потужність випромінювання вірна при ідеальних (лабораторних) умовах, які в реальному житті недосяжні. Оскільки потужність випромінювання сильно залежить від температури, то реальна тепловіддача секції чавунної при 60 градусах буде не більше 50 ватт. Вступ нагрітої води від котла в чавунну батарею відбувається повільно, тому щоб середня температура всієї батареї була 60 градусів, треба забезпечити подачу води хоча б з температурою 75 градусів, у «обратку» піде вода з температурою близько 45 градусів. Підрахуйте, якої потужності повинен бути котел, щоб нагрівати тонну води до температури 75 градусів. Необхідно враховувати, що десяток градусів загубиться в товстих металевих підвідних трубах, тому котел повинен видавати 85-90 градусів і працювати на межі. Забезпечити температуру чавунної батареї 90 градусів звичайними котлами (не паровими) неможливо, та й небезпечно — можна обпектися і при 70 градусах Цельсія. Для того, щоб хоч трохи збільшити конвекційну віддачу тепла чавунними радіаторами, їх рекомендують розміщувати тільки під вікнами, щоб холодне повітря, що опускається з поверхні скла, примусово проходив через радіатор. Естетика чавунних радіаторів, м'яко кажучи, недосконала і псує інтер'єр, тому їх ховають за декоративними екранами. Екрани повністю ізолюють теплове випромінювання всередину приміщення, залишаючи тільки слабкий потік конвекційно обігрівається повітря. Чавунного радіатора нічого не залишається, як інтенсивно нагрівати випромінюванням стіну, на якій він встановлений. Стіна, природно, цей нагрів успішно передає зовнішньому повітрю. Продаються навіть відображають екрани, які треба приклеювати на стіну. Ще до війни німці робили чавунні секційні радіатори з розвиненими ребрами, їх можна виявити ще в німецьких особняках Калінінграда. Зараз за кордоном випускають секційні радіатори з розвиненими ребрами із сталі товщиною до 3 мм, кожна секція яких вміщує 1 літр води і має площу нагріву 0,40 кв. м. Такі радіатори за принципом дії наближаються до конвекторів, але мають надто велику водну ємність.
АЛЮМІНІЄВІ СЕКЦІЙНІ БАТАРЕЇ — більш досконала конструкція, у якій застосований матеріал з дуже великим коефіцієнтом теплопередачі у вигляді алюмінієвого сплаву. Секція алюмінієвого радіатора мають глибину всього 110 мм (чавунна 140 мм), водна ємність становить близько 0,5 літра, площа нагріву 0,4 кв. м і товщина стінки 2-3 мм. Алюмінієві секційні радіатори близько 50 % тепла віддають випромінюванням, решта — конвекцією. Деякі типи алюмінієвих радіаторів мають сильно розвинену поверхню у вигляді додаткових тонких ребер, розміщених усередині секції, при цьому площа нагріву однієї секції зросте до 0,5 кв. м. І передача тепла конвекцією зросте до 60 %. Теплова потужність однієї секції декларується виробниками до 160 ватт, реальна — не менше 110 ватт при температурі теплоносія 90 градусів, вага секцій менше 2 кг. Зовні алюмінієві секційні радіатори виглядають досить естетично, мають невелику вагу, зручні для монтажу на поверхні стін. Завдяки зменшеному об'єму води в секціях алюмінієві радіатори добре піддаються регулюванню з допомогою термозапорных клапанів і термочутливих головок. Терморегулювальні елементи, якими необхідно забезпечувати всі алюмінієві радіатори, дозволяють обмежувати протоку гарячої води через радіатор при досягненні заданої температури в кімнаті. Теплова інерція алюмінієвого радіатора невелика, тому термоклапан відреагує на зміну температури в кімнаті буквально за 7-10 хвилин — відкриє або закриє доступ гарячої води в радіатор, в результаті чого досягається економія палива до 30 %. У чавунних радіаторах теплова інерція дуже велика і складає більше однієї години, тому про регулювання тепловіддачі і економії палива говорити не доводиться.
На жаль, секційні алюмінієві радіатори мають недоліки, які обмежують їх застосування: 1) основний і найбільший недолік — схильність до електрохімічної корозії при помилках і монтажі. Справа в тому, що деякі матеріали становлять так звані електролітні пари при їхньому з'єднанні в середовищі електроліту виникає електрохімічна реакція, при якій піддається електрохімічної корозії один пари металів і швидко руйнується. Взагалі-то алюмінієві сплави слабо піддаються корозії, але в парі з міддю в рідкій недистильованої середовищі (слабкому електроліті) руйнуються інтенсивно — алюміній перетворюється в білий порошок. Таке явище можна спостерігати на старих батареях для кишенькових ліхтариків. Якщо алюмінієвий радіатор з'єднаний з мідними трубопроводами або з котлом, який має мідний теплообмінник (а всі сучасні настінні газові та електричні котли мають мідні теплообмінники), то це може призвести до швидкої електрокорозії радіатора. Тільки монтаж пластиковими трубами, які є ізоляторами, може врятувати положення; 2) стінки алюмінієвих радіаторів намагаються робити як можна тонше для кращої теплопередачі, тому вони недостатньо міцні і при незручному ударі об радіатор (наприклад, кутом меблів) секція може лопнути, часто ушкодження відбуваються і при монтажі — перевищення необхідного зусилля при укрученні ніпеля або клапана приводить до руйнування. При виробництві радіаторів використовується лиття під тиском, тому можливий прихований брак у вигляді внутрішніх раковин, який виявляється тільки в процесі експлуатації; 3) кілька дрібних недоліків: недостатньо мала водяна ємність радіаторів, що знижує ефективність регулювання температури; близько половини тепла передається випромінюванням, що викликає сильне нагрівання стіни, на якій встановлений радіатор — а це значні втрати; при роботі котла з повною потужністю температура на поверхні алюмінієвого радіатора досягає 80 градусів, що небезпечно; при високій температурі поверхні радіатора (більше 70 градусів) відбувається нездорова позитивна іонізація повітря в приміщенні (відчуття «як перед грозою»); висока температура поверхні алюмінієвого радіатора сильно сушить повітря в приміщенні (вологість нижче 35 % викликає неприємні відчуття).
ПАНЕЛЬНІ СТАЛЕВІ БАТАРЕЇ — спроба поєднати властивості секційних радіаторів з конвекційними. Такий радіатор являє собою дві сталеві пластини, між якими циркулює теплоносій. Пластини мають товщину 1,2 мм, з'єднані між собою точковим електрозварюванням, містять штамповані канали, по яких протікає нагріта вода. Панель розмірами звичайний чавунний радіатор має товщину 30 мм, але вдвічі меншу тепловіддачу. Для підвищення теплової потужності ставлять паралельно дві, навіть три панелі. При двох або трьох панелях радіатор передає тепло випромінюванням тільки зовнішніми площинами, тому до всіх внутрішніх площин радіатора приварюють ряди П-подібних пластин, які значно збільшують поверхню тепловіддачі, значить внутрішні площини працюють як конвектор. Всі ці модернізації не пройшли безслідно для конструкції — вага трехпанельного сталевого радіатора з напором пластин не набагато менше чавунної батареї того ж розміру, води міститься теж чимало, що значно знижує ефективність регулювання температури, загальна товщина радіатора навіть більше, ніж у чавунного і становить близько 160 мм. Теплові характеристики не набагато краще, ніж у чавунних радіаторів. Теплова потужність радіаторів в технічних матеріалах наведена для температури води, що надходить 90 градусів, але при таких обсягах води в системі і вазі радіаторів звичайний котел таку температуру видати не зможе. У технічних матеріалах обов'язково наводяться коефіцієнти зменшення теплової потужності радіаторів при більш низьких температурах (наприклад, при звичайній температурі води в системі 60 градусів потужність знижується в три (!) рази). Основний недолік такої ж, як і у алюмінієвих радіаторів — прискорена корозія. Відмінність тільки в тому, що цей неприємний ефект ще більш яскраво виражений. Сталь піддається корозії у воді зі швидкістю, 0,1 мм у рік навіть при сприятливих умовах. Гарячу воду центрального опалення до сприятливим умовам віднести важко, тому сталеві трубопроводи з товщиною стінки 3-4 мм не витримують більше 30-40 років. Пластини панельних радіаторів товщиною 1,2 мм навіть теоретично більше 12 років не витримають. Справа ускладнюється тим, що пластини зварені між собою точковим електрозварюванням, тому сталь в місцях зварювання «відпускається», втрачає все антикорозійні властивості та руйнується набагато швидше. На жаль, в нашій країні раніше не були відомі інші типи радіаторів, тому панельні на тлі убогих чавунних батарей виглядали сучасно і отримали широке поширення, цьому також сприяла агресивна реклама фірм-експортерів. Навіть зараз в рекламі продовжують стверджувати про гарну антикорозійного захисту цих радіаторів. Насправді ж — вони добре пофарбовані зовні, а гниють зсередини. Самим відомим виробником сталевих панельних радіаторів є міжнародний концерн REТTIG, який випускає їх в різних країнах під торговими назвами PURMO, RADSON та іншими. В Німеччині такі радіатори випускає фірма SCHAFER, в Чехії фірма KORADO, в Польщі фірма STARMEX, в Бельгії фірма VEHA і так далі.
КОНВЕКЦІЙНІ РАДІАТОРИ — теплові прилади, націлені переважно на нагрівання повітря. Як не дивно, конвекційні радіатори в нашій країні застосовувалися з давніх пір. Майже кожен коли-небудь бачив на підприємстві опалювальне пристосування у вигляді труби, на яку рядами наварены ребра. Такі ребристі труби встановлювали в цехах, на складах, гаражах для нагріву повітря у виробничих приміщеннях. Прискорити тепловіддачу конвекцією можна двома способами — збільшити швидкість протоку повітря або збільшити температуру радіатора. Простіше було збільшити температуру (про економію тоді ніхто не думав), тому по трубах проганяли перегрітий пар (парове опалення). Випускалися також конвекційні радіатори «комфорт», які складалися з металевих труб з привареними вертикальними пластинами, радіатори встановлювалися в один або два поверхи, іноді зачинялися навісними бляшаними кожухами. Польська фірма REGULUS-system випускає сучасні водяні нагрівачі конвекційні, у конструкцію яких закладені кілька вдалих технічних рішень, захищених патентами в багатьох країнах. В якості матеріалу радіатора обрана мідь (коефіцієнт теплопередачі — 410) і алюміній (220), це найбільш теплопровідні з доступних матеріалів. Причому теплоносій стикається тільки з міддю, а алюміній служить для виготовлення теплопровідних пластин і корпусу радіатора. При використанні мідних трубопроводів вся опалювальна система буде складатися з одного самого нейтрального до корозії матеріалу (теплообмінник котла, трубопроводи, радіатор), що значно збільшує довговічність. Вертикальні алюмінієві пластини з'єднані з горизонтальними мідними трубками радіатора шляхом тиску з взаємним проникненням верхніх шарів металів на молекулярному рівні (так звана «діффузорним» або холодне зварювання). При цьому площа теплового контакту стає більше площі перерізу самої пластини, чим досягається повна передача тепла між металами з різною теплопровідністю. Вертикальні алюмінієві пластини встановлені з певним кроком, який дозволяє створити як би ряди повітроводів, що створюють максимальну вертикальну тягу. Холодне повітря буквально втягується знизу радіатора і виходить нагрітим наверх. Відстань між пластинами підібрано так, щоб рух повітря було не ламінарним (паралельними шарами), а турбулентним (з завихреннями), тоді він краще прогрівається навіть при низькій температурі радіатора. Вертикальні алюмінієві пластини мають товщину 0,5 мм, яка підібрана спільно з шириною пластин і відстанню між горизонтальними мідними трубками таким чином, щоб всі рівновіддалені точки площин зіткнення з повітрям мали однакову температуру, що дозволяє інтенсивно нагрівати повітря по всій висоті його проходження всередині радіатора. Застосування матеріалів різної тепло провідності, а також розподіл температур по площинах нагріву повітря дозволяє уникнути локального перегріву повітря і утворення позитивної іонізації, яка несприятливо позначається на самопочутті людини. Навіть при максимальній температурі теплоносія 90 °С повітря в радіаторі стикається тільки з невеликими ділянками гарячих мідних трубок загальною площею 3,5-4 % від всієї площі нагрівання. Теплоносій в радіаторі надходить в мідний вертикальний колектор, потім розподіляється по горизонтальних рядів мідних трубок, цим досягається різке зниження гідравлічного опору радіатора, що дуже важливо для швидкості примусового обороту теплоносія в закритих опалювальних системах. З'єднаний колектор з горизонтальними трубками з допомогою тугоплавкого серебросодержащего припою з температурою плавлення 360 °С. Це дозволяє використовувати конвекторні радіатори з будь-яким теплоносієм (перегрітою парою, трансформаторним маслом і ін) Вертикальні алюмінієві ламелипластины закінчуються на бічних поверхнях радіаторів спеціальної форми загинами, які створюють «лускаті» бічні поверхні. Ця «луска» не тільки надає радіатора непоганий зовнішній вигляд, але, найголовніше, створює дуже міцну багатошарову бічну поверхню. Алюмінієвий радіатор із пластин товщиною 0,5 мм має вагу менше 5 кг, але витримує тиск до 180 кг. При сильному бічному ударі алюмінієві пластини приймають зусилля на себе, деформуються і перерозподіляють навантаження по всій площині, не допускаючи розриву всередині мідних трубок. Тому навіть сильні зовнішні пошкодження радіатора не виводять його негайно з ладу і дозволяють експлуатувати його до заміни. В радіаторах даної конструкції міститься дуже мало води. Наприклад, в радіаторі довжиною 100 см і потужністю 2 кВт міститься теплоносія всього 0,8 літра. Це дозволяє йому при його теплопровідності розігріватися протягом 2-3 хвилин і реагувати на термозапорный клапан із запізненням всього 30 секунд. Такої малої теплової інерції немає ніде! При використанні цих радіаторів кількість води в системі зменшується в десятки разів. Наприклад, у дуже великій квартирі з загальною тепловою потужністю радіаторів 20 кВт навіть з урахуванням ємності трубопроводів і котла у всій системі буде 13-15 літрів води — всього півтора відра! Її і нагрівати і ганяти по системі набагато легше, ніж, наприклад, тонну води (чавунні радіатори). Дуже легкознімні кріплення радіатора дозволяють його самостійно відключити від системи і зняти зі стіни для її фарбування або ремонту. Якщо радіатори приєднуються до трубопроводів через мініатюрні пробкові крани, то знімати їх можна без спуску води із системи і відключення опалення. Мала вага радіаторів і конструкція підвісних кріплень дозволяє їх монтувати навіть на тонких гіпсокартонних перегородках. Радіатори мають корпус без гострих кутів, температура на поверхні в 3 рази нижче, ніж усередині, що дозволяє навіть за суворим німецьким нормам застосовувати їх в дитячих і лікувальних установах. При такій мінімальній товщині і довжині ніякий інший тип радіаторів не має такої потужної тепловіддачі. При роботі радіатор створює ефект повітряного теплового вентилятора і дуже добре перемішує шари повітря в приміщенні. Конвекційний радіатор боковими площинами випромінює не більше 10% своєї потужності, решту віддає конвекцією, тому він не буде марно гріти стіну. Такий радіатор зовсім не обов'язково встановлювати під вікном, він чудово працює в будь-якому зручному або відповідному по дизайну місці.
Як відомо, теплота передається трьома способами: теплопровідність, конвекція і випромінювання. Теплопровідність — перенесення теплоти в твердих тілах від нагрітих ділянок до холодних внаслідок теплового руху молекул, атомів і вільних електронів. Коефіцієнт теплопровідності (Вт/м град) характеризує інтенсивність передачі тепла через стінку з конкретного матеріалу. Матеріал опалювальних батарей (радіаторів): Чавун — 50, Сталь — 58, Цинк — 110, Алюміній — 220, Мідь — 410. Найкраще працював би повністю мідний радіатор, але це занадто дорого. Будівельні (ізоляційні) матеріали: Мармур — 2,91, Залізобетон — 2,04, Бетон — 1,86, Вапняк, Цегла силікатна — 0,88, Цегла глиняний — 0,80, Скло віконне — 0,78, Керамзитобетон — 0,75, Дерево — 0,35, деревні Плити — 0,25, Плити ізоляційно-утеплювальні — 0,10-0,06. Звідси видно, що найбільш холодні будинки з залізобетону, а самий «теплий» будівельний матеріал — пінобетон. Конвекція — перенесення теплоти в рідині або газі за рахунок перемішування їх обсягів при нагріванні. Коефіцієнт теплопередачі конвекцією сильно залежить від швидкості перемішування нагрівається обсягу. У старих системах опалення нагріта в казанку вода надходить до батарей гравітаційним шляхом — тепла вода піднімається вгору, холодна за «обратку» повертається в казанок. Сама природна конвекція дуже неефективна, тому в сучасних системах опалення обов'язково застосовується циркуляційна водяна помпа, яка в кілька разів збільшує швидкість подачі нагрітої води до батарей опалення. Повітря у самої поверхні радіатора нагрівається і піднімається вгору, поступаючись місцем новим холодним верствам. Так конвекційно нагрівається повітря в приміщенні. Випромінювання — передача тепла випромінюванням електромагнітних хвиль (променистої енергії), яке передається через прозоре середовище (повітря). Таким чином, відбувається обігрів сонячними променями, обігрів від багаття, від каміна, від електронагрівачів (спіраль у рефлекторі). Будь-який тип теплового приладу опалює приміщення складним теплообміном — випромінюванням, конвекцією через повітря, навіть теплопровідністю, якщо притулитися до теплої батареї. Передача тепла випромінюванням сильно залежить від температури опалювального приладу. Метою будь-якої системи опалення є створення комфортної температури середовища проживання людини, тобто нагрівання повітря в приміщенні до температури 18 - 20 градусів і підтримка цього рівня температури. Повітря передасть комфортну температуру оточуючих людину речей: меблях, посуді, одязі, стін і т. п. Стіни, звичайно, частину тепла передадуть зовнішньому повітрю, тому тепло в приміщенні потрібно безперервно додавати, тобто підтримувати тепловий баланс — скільки тепла пішло назовні, стільки треба додати. Людина по мірі необхідності створить локальний нагрів потрібних речей (на плиті) або їх охолодження (в холодильнику).
Система обігріву приміщення складається з теплогенераторів (печей, котлів) і приладів опалення (батарей, радіаторів). Піч (камін), яка безпосередньо обігріває повітря приміщення, відноситься до локального опалення. Система, в якій тепло-генератор (казанок) знаходиться в окремому приміщенні, а обігрів кімнат проводиться батареями, називається центральним опаленням. Піч відноситься до найпростіших опалювальних пристроїв і не має можливості оперативно регулювати температуру в приміщенні. Її треба топити безперервно або періодично. Вона накопичує тепло в своїй масі, потім поступово віддає його випромінюванням через свої зовнішні поверхні. Частина тепла віддається повітрю конвекцією. Коефіцієнт корисної дії навіть кращих печей не перевищує 50 %, тобто половина енергії палива, що спалюється відлітає в трубу.
Система центрального опалення складається з трьох частин, які ми розглянемо окремо: 1) батарей або радіаторів різних конструкцій; 2) трубопроводів, що переносять тепло з допомогою теплоносія (води, пари); 3) котлів для різних видів палива. Котел повинен швидко нагрівати воду в системі, при досягненні необхідної температури вимикатися, щоб економити паливо. Трубопровід повинен дуже швидко доставляти нагріту воду до радіаторів і по дорозі втрачати менше тепла. Радіатор повинен швидко нагріти повітря в приміщенні до заданої температури і з допомогою термоклапан припинити забір з системи гарячої води.
РАДІАТОРИ ВОДЯНОГО ОПАЛЕННЯ Опалювальні радіатори або багатосекційні батареї водяного опалення за конструктивними особливостями поділяються на три групи: секційні ємнісні батареї, які складаються з послідовно сполучених нагрівальних секцій; панельні обігрівачі, які встановлюються в один, два або три ряди; конвекційні обігрівачі, які мають розвинене «ребра» і швидко нагрівають повітря в приміщенні.
ЧАВУННІ СЕКЦІЙНІ БАТАРЕЇ — теплові прилади, які всім відомі з дитинства. Відносяться до застарілих систем опалення і за кордоном не застосовуються. Мають малу поверхню віддачі тепла і низьку теплопровідність металу, виробляють нагрівання в основному випромінюванням і близько 20 % тепла передають конвекцією повітря. Поширена вітчизняна секція чавунного радіатора МС-140 має вага 7,5 кг, вміщує 4 літри води, має всього 0,23 кв. м площі нагрівання. В кожній кімнаті квартири треба мати батарею по 8-10 чавунних секцій або навіть більше. У великій квартирі або особняку вага всіх чавунних батарей і води у них становить тонни, доводиться застосовувати труби великого діаметру, які неможливо заховати в стіни. Рух теплоносія в системі відбувається гравітаційним шляхом, що сильно уповільнює передачу тепла. В довідниках подається потужність теплового випромінювання для чавунної секції МС-140 в розмірі 160-180 ватт при температурі теплоносія 90 градусів. Однак ця потужність випромінювання вірна при ідеальних (лабораторних) умовах, які в реальному житті недосяжні. Оскільки потужність випромінювання сильно залежить від температури, то реальна тепловіддача секції чавунної при 60 градусах буде не більше 50 ватт. Вступ нагрітої води від котла в чавунну батарею відбувається повільно, тому щоб середня температура всієї батареї була 60 градусів, треба забезпечити подачу води хоча б з температурою 75 градусів, у «обратку» піде вода з температурою близько 45 градусів. Підрахуйте, якої потужності повинен бути котел, щоб нагрівати тонну води до температури 75 градусів. Необхідно враховувати, що десяток градусів загубиться в товстих металевих підвідних трубах, тому котел повинен видавати 85-90 градусів і працювати на межі. Забезпечити температуру чавунної батареї 90 градусів звичайними котлами (не паровими) неможливо, та й небезпечно — можна обпектися і при 70 градусах Цельсія. Для того, щоб хоч трохи збільшити конвекційну віддачу тепла чавунними радіаторами, їх рекомендують розміщувати тільки під вікнами, щоб холодне повітря, що опускається з поверхні скла, примусово проходив через радіатор. Естетика чавунних радіаторів, м'яко кажучи, недосконала і псує інтер'єр, тому їх ховають за декоративними екранами. Екрани повністю ізолюють теплове випромінювання всередину приміщення, залишаючи тільки слабкий потік конвекційно обігрівається повітря. Чавунного радіатора нічого не залишається, як інтенсивно нагрівати випромінюванням стіну, на якій він встановлений. Стіна, природно, цей нагрів успішно передає зовнішньому повітрю. Продаються навіть відображають екрани, які треба приклеювати на стіну. Ще до війни німці робили чавунні секційні радіатори з розвиненими ребрами, їх можна виявити ще в німецьких особняках Калінінграда. Зараз за кордоном випускають секційні радіатори з розвиненими ребрами із сталі товщиною до 3 мм, кожна секція яких вміщує 1 літр води і має площу нагріву 0,40 кв. м. Такі радіатори за принципом дії наближаються до конвекторів, але мають надто велику водну ємність.
АЛЮМІНІЄВІ СЕКЦІЙНІ БАТАРЕЇ — більш досконала конструкція, у якій застосований матеріал з дуже великим коефіцієнтом теплопередачі у вигляді алюмінієвого сплаву. Секція алюмінієвого радіатора мають глибину всього 110 мм (чавунна 140 мм), водна ємність становить близько 0,5 літра, площа нагріву 0,4 кв. м і товщина стінки 2-3 мм. Алюмінієві секційні радіатори близько 50 % тепла віддають випромінюванням, решта — конвекцією. Деякі типи алюмінієвих радіаторів мають сильно розвинену поверхню у вигляді додаткових тонких ребер, розміщених усередині секції, при цьому площа нагріву однієї секції зросте до 0,5 кв. м. І передача тепла конвекцією зросте до 60 %. Теплова потужність однієї секції декларується виробниками до 160 ватт, реальна — не менше 110 ватт при температурі теплоносія 90 градусів, вага секцій менше 2 кг. Зовні алюмінієві секційні радіатори виглядають досить естетично, мають невелику вагу, зручні для монтажу на поверхні стін. Завдяки зменшеному об'єму води в секціях алюмінієві радіатори добре піддаються регулюванню з допомогою термозапорных клапанів і термочутливих головок. Терморегулювальні елементи, якими необхідно забезпечувати всі алюмінієві радіатори, дозволяють обмежувати протоку гарячої води через радіатор при досягненні заданої температури в кімнаті. Теплова інерція алюмінієвого радіатора невелика, тому термоклапан відреагує на зміну температури в кімнаті буквально за 7-10 хвилин — відкриє або закриє доступ гарячої води в радіатор, в результаті чого досягається економія палива до 30 %. У чавунних радіаторах теплова інерція дуже велика і складає більше однієї години, тому про регулювання тепловіддачі і економії палива говорити не доводиться.
На жаль, секційні алюмінієві радіатори мають недоліки, які обмежують їх застосування: 1) основний і найбільший недолік — схильність до електрохімічної корозії при помилках і монтажі. Справа в тому, що деякі матеріали становлять так звані електролітні пари при їхньому з'єднанні в середовищі електроліту виникає електрохімічна реакція, при якій піддається електрохімічної корозії один пари металів і швидко руйнується. Взагалі-то алюмінієві сплави слабо піддаються корозії, але в парі з міддю в рідкій недистильованої середовищі (слабкому електроліті) руйнуються інтенсивно — алюміній перетворюється в білий порошок. Таке явище можна спостерігати на старих батареях для кишенькових ліхтариків. Якщо алюмінієвий радіатор з'єднаний з мідними трубопроводами або з котлом, який має мідний теплообмінник (а всі сучасні настінні газові та електричні котли мають мідні теплообмінники), то це може призвести до швидкої електрокорозії радіатора. Тільки монтаж пластиковими трубами, які є ізоляторами, може врятувати положення; 2) стінки алюмінієвих радіаторів намагаються робити як можна тонше для кращої теплопередачі, тому вони недостатньо міцні і при незручному ударі об радіатор (наприклад, кутом меблів) секція може лопнути, часто ушкодження відбуваються і при монтажі — перевищення необхідного зусилля при укрученні ніпеля або клапана приводить до руйнування. При виробництві радіаторів використовується лиття під тиском, тому можливий прихований брак у вигляді внутрішніх раковин, який виявляється тільки в процесі експлуатації; 3) кілька дрібних недоліків: недостатньо мала водяна ємність радіаторів, що знижує ефективність регулювання температури; близько половини тепла передається випромінюванням, що викликає сильне нагрівання стіни, на якій встановлений радіатор — а це значні втрати; при роботі котла з повною потужністю температура на поверхні алюмінієвого радіатора досягає 80 градусів, що небезпечно; при високій температурі поверхні радіатора (більше 70 градусів) відбувається нездорова позитивна іонізація повітря в приміщенні (відчуття «як перед грозою»); висока температура поверхні алюмінієвого радіатора сильно сушить повітря в приміщенні (вологість нижче 35 % викликає неприємні відчуття).
ПАНЕЛЬНІ СТАЛЕВІ БАТАРЕЇ — спроба поєднати властивості секційних радіаторів з конвекційними. Такий радіатор являє собою дві сталеві пластини, між якими циркулює теплоносій. Пластини мають товщину 1,2 мм, з'єднані між собою точковим електрозварюванням, містять штамповані канали, по яких протікає нагріта вода. Панель розмірами звичайний чавунний радіатор має товщину 30 мм, але вдвічі меншу тепловіддачу. Для підвищення теплової потужності ставлять паралельно дві, навіть три панелі. При двох або трьох панелях радіатор передає тепло випромінюванням тільки зовнішніми площинами, тому до всіх внутрішніх площин радіатора приварюють ряди П-подібних пластин, які значно збільшують поверхню тепловіддачі, значить внутрішні площини працюють як конвектор. Всі ці модернізації не пройшли безслідно для конструкції — вага трехпанельного сталевого радіатора з напором пластин не набагато менше чавунної батареї того ж розміру, води міститься теж чимало, що значно знижує ефективність регулювання температури, загальна товщина радіатора навіть більше, ніж у чавунного і становить близько 160 мм. Теплові характеристики не набагато краще, ніж у чавунних радіаторів. Теплова потужність радіаторів в технічних матеріалах наведена для температури води, що надходить 90 градусів, але при таких обсягах води в системі і вазі радіаторів звичайний котел таку температуру видати не зможе. У технічних матеріалах обов'язково наводяться коефіцієнти зменшення теплової потужності радіаторів при більш низьких температурах (наприклад, при звичайній температурі води в системі 60 градусів потужність знижується в три (!) рази). Основний недолік такої ж, як і у алюмінієвих радіаторів — прискорена корозія. Відмінність тільки в тому, що цей неприємний ефект ще більш яскраво виражений. Сталь піддається корозії у воді зі швидкістю, 0,1 мм у рік навіть при сприятливих умовах. Гарячу воду центрального опалення до сприятливим умовам віднести важко, тому сталеві трубопроводи з товщиною стінки 3-4 мм не витримують більше 30-40 років. Пластини панельних радіаторів товщиною 1,2 мм навіть теоретично більше 12 років не витримають. Справа ускладнюється тим, що пластини зварені між собою точковим електрозварюванням, тому сталь в місцях зварювання «відпускається», втрачає все антикорозійні властивості та руйнується набагато швидше. На жаль, в нашій країні раніше не були відомі інші типи радіаторів, тому панельні на тлі убогих чавунних батарей виглядали сучасно і отримали широке поширення, цьому також сприяла агресивна реклама фірм-експортерів. Навіть зараз в рекламі продовжують стверджувати про гарну антикорозійного захисту цих радіаторів. Насправді ж — вони добре пофарбовані зовні, а гниють зсередини. Самим відомим виробником сталевих панельних радіаторів є міжнародний концерн REТTIG, який випускає їх в різних країнах під торговими назвами PURMO, RADSON та іншими. В Німеччині такі радіатори випускає фірма SCHAFER, в Чехії фірма KORADO, в Польщі фірма STARMEX, в Бельгії фірма VEHA і так далі.
КОНВЕКЦІЙНІ РАДІАТОРИ — теплові прилади, націлені переважно на нагрівання повітря. Як не дивно, конвекційні радіатори в нашій країні застосовувалися з давніх пір. Майже кожен коли-небудь бачив на підприємстві опалювальне пристосування у вигляді труби, на яку рядами наварены ребра. Такі ребристі труби встановлювали в цехах, на складах, гаражах для нагріву повітря у виробничих приміщеннях. Прискорити тепловіддачу конвекцією можна двома способами — збільшити швидкість протоку повітря або збільшити температуру радіатора. Простіше було збільшити температуру (про економію тоді ніхто не думав), тому по трубах проганяли перегрітий пар (парове опалення). Випускалися також конвекційні радіатори «комфорт», які складалися з металевих труб з привареними вертикальними пластинами, радіатори встановлювалися в один або два поверхи, іноді зачинялися навісними бляшаними кожухами. Польська фірма REGULUS-system випускає сучасні водяні нагрівачі конвекційні, у конструкцію яких закладені кілька вдалих технічних рішень, захищених патентами в багатьох країнах. В якості матеріалу радіатора обрана мідь (коефіцієнт теплопередачі — 410) і алюміній (220), це найбільш теплопровідні з доступних матеріалів. Причому теплоносій стикається тільки з міддю, а алюміній служить для виготовлення теплопровідних пластин і корпусу радіатора. При використанні мідних трубопроводів вся опалювальна система буде складатися з одного самого нейтрального до корозії матеріалу (теплообмінник котла, трубопроводи, радіатор), що значно збільшує довговічність. Вертикальні алюмінієві пластини з'єднані з горизонтальними мідними трубками радіатора шляхом тиску з взаємним проникненням верхніх шарів металів на молекулярному рівні (так звана «діффузорним» або холодне зварювання). При цьому площа теплового контакту стає більше площі перерізу самої пластини, чим досягається повна передача тепла між металами з різною теплопровідністю. Вертикальні алюмінієві пластини встановлені з певним кроком, який дозволяє створити як би ряди повітроводів, що створюють максимальну вертикальну тягу. Холодне повітря буквально втягується знизу радіатора і виходить нагрітим наверх. Відстань між пластинами підібрано так, щоб рух повітря було не ламінарним (паралельними шарами), а турбулентним (з завихреннями), тоді він краще прогрівається навіть при низькій температурі радіатора. Вертикальні алюмінієві пластини мають товщину 0,5 мм, яка підібрана спільно з шириною пластин і відстанню між горизонтальними мідними трубками таким чином, щоб всі рівновіддалені точки площин зіткнення з повітрям мали однакову температуру, що дозволяє інтенсивно нагрівати повітря по всій висоті його проходження всередині радіатора. Застосування матеріалів різної тепло провідності, а також розподіл температур по площинах нагріву повітря дозволяє уникнути локального перегріву повітря і утворення позитивної іонізації, яка несприятливо позначається на самопочутті людини. Навіть при максимальній температурі теплоносія 90 °С повітря в радіаторі стикається тільки з невеликими ділянками гарячих мідних трубок загальною площею 3,5-4 % від всієї площі нагрівання. Теплоносій в радіаторі надходить в мідний вертикальний колектор, потім розподіляється по горизонтальних рядів мідних трубок, цим досягається різке зниження гідравлічного опору радіатора, що дуже важливо для швидкості примусового обороту теплоносія в закритих опалювальних системах. З'єднаний колектор з горизонтальними трубками з допомогою тугоплавкого серебросодержащего припою з температурою плавлення 360 °С. Це дозволяє використовувати конвекторні радіатори з будь-яким теплоносієм (перегрітою парою, трансформаторним маслом і ін) Вертикальні алюмінієві ламелипластины закінчуються на бічних поверхнях радіаторів спеціальної форми загинами, які створюють «лускаті» бічні поверхні. Ця «луска» не тільки надає радіатора непоганий зовнішній вигляд, але, найголовніше, створює дуже міцну багатошарову бічну поверхню. Алюмінієвий радіатор із пластин товщиною 0,5 мм має вагу менше 5 кг, але витримує тиск до 180 кг. При сильному бічному ударі алюмінієві пластини приймають зусилля на себе, деформуються і перерозподіляють навантаження по всій площині, не допускаючи розриву всередині мідних трубок. Тому навіть сильні зовнішні пошкодження радіатора не виводять його негайно з ладу і дозволяють експлуатувати його до заміни. В радіаторах даної конструкції міститься дуже мало води. Наприклад, в радіаторі довжиною 100 см і потужністю 2 кВт міститься теплоносія всього 0,8 літра. Це дозволяє йому при його теплопровідності розігріватися протягом 2-3 хвилин і реагувати на термозапорный клапан із запізненням всього 30 секунд. Такої малої теплової інерції немає ніде! При використанні цих радіаторів кількість води в системі зменшується в десятки разів. Наприклад, у дуже великій квартирі з загальною тепловою потужністю радіаторів 20 кВт навіть з урахуванням ємності трубопроводів і котла у всій системі буде 13-15 літрів води — всього півтора відра! Її і нагрівати і ганяти по системі набагато легше, ніж, наприклад, тонну води (чавунні радіатори). Дуже легкознімні кріплення радіатора дозволяють його самостійно відключити від системи і зняти зі стіни для її фарбування або ремонту. Якщо радіатори приєднуються до трубопроводів через мініатюрні пробкові крани, то знімати їх можна без спуску води із системи і відключення опалення. Мала вага радіаторів і конструкція підвісних кріплень дозволяє їх монтувати навіть на тонких гіпсокартонних перегородках. Радіатори мають корпус без гострих кутів, температура на поверхні в 3 рази нижче, ніж усередині, що дозволяє навіть за суворим німецьким нормам застосовувати їх в дитячих і лікувальних установах. При такій мінімальній товщині і довжині ніякий інший тип радіаторів не має такої потужної тепловіддачі. При роботі радіатор створює ефект повітряного теплового вентилятора і дуже добре перемішує шари повітря в приміщенні. Конвекційний радіатор боковими площинами випромінює не більше 10% своєї потужності, решту віддає конвекцією, тому він не буде марно гріти стіну. Такий радіатор зовсім не обов'язково встановлювати під вікном, він чудово працює в будь-якому зручному або відповідному по дизайну місці.
