В то время как большое внимание уделяется эффективным котлам и инновационным радиаторам, конструкция системы трубопроводов часто является тем, что создает или разрушает гидравлическую систему отопления. Хорошая система трубопроводов может быть разницей между шумной, неудобной, энергозатратной системой и системой, которая обеспечивает комфорт во всех комнатах дома.
Чтобы спроектировать эффективную систему, необходимо согласовать источник тепла с «излучателями тепла» — то есть радиаторами и конвекторами. Некоторые типы теплоизлучателей лучше всего подходят для относительно высокотемпературных источников тепла. Например, знакомые плинтусные конвекторы с ребристыми трубами, используемые во многих жилых и легких коммерческих зданиях, хорошо работают при температуре воды выше 150°F, но не в низкотемпературных системах, таких как геотермальные тепловые насосы (см. Компоненты»).
После того, как вы выбрали котел и несколько нагревательных приборов, вам нужна система трубопроводов, разработанная для получения максимальной отдачи от этого отопительного оборудования, как с точки зрения комфорта, так и с точки зрения эффективности. В этой статье взвешиваются плюсы и минусы четырех методов трубопроводов, которые подходят для использования с оборудованием, часто используемым в жилых и небольших коммерческих зданиях.
Серийная схема
В последовательной схеме простейшая система водяных трубопроводов, радиаторы и котел находятся на одном общем контуре. Радиаторы ближе к концу контура часто больше, чтобы компенсировать более низкую температуру воды.
В простейшей водяной распределительной системе все источники тепла соединены в общий контур или «контур» с источником тепла. При таком расположении температура воды постепенно снижается по мере движения от одного источника тепла к другому. Это снижение температуры необходимо учитывать при выборе и размере тепловых излучателей.
Распространенной ошибкой является определение размеров радиаторов исходя из средней температуры воды в системе. При последовательном контуре вы должны выбирать радиаторы тепла в зависимости от температуры воды в их конкретных местах в трубопроводном контуре. Если вы этого не сделаете, вы услышите жалобы на перегретые помещения в начале контура трубопровода (ближайшие к источнику тепла) и неприятно прохладные помещения в конце.
Основным преимуществом последовательных цепей является простота и дешевизна монтажа. Однако, поскольку вода проходит через все нагреватели, когда работает циркуляционный насос, вы не можете использовать клапан для регулирования тепловой мощности данного нагревателя. Если бы вы это сделали, вы бы ограничили поток через всю систему. Другими словами, недостатком последовательных цепей является невозможность независимого управления отдельными источниками тепла для обеспечения комфорта.
Как правило, последовательные схемы лучше всего подходят для высокотемпературных источников тепла, таких как плинтус с ребристыми трубами, в небольших зданиях, которые контролируются как единая зона. Их не следует использовать с источниками тепла, имеющими высокие характеристики перепада давления, такими как теплые полы и некоторые конвекторы с фанкойлами.
Однотрубные системы
Однотрубная система изолирует котел от основного контура трубы, когда котел не работает. Тройники и клапаны с термостатическим управлением отводят воду из основного контура, направляют ее через радиаторы, а затем возвращают в основную линию.
«Однотрубная система» или «система Monoflo», как ее иногда называют, представляет собой распределительную систему, в которой используются специальные тройники для отвода части горячей воды по ответвлению трубопровода. Если на ответвлении трубопровода установить ручной или автоматический регулирующий клапан, можно полностью контролировать расход воды через данный отопительный прибор. Это позволяет контролировать скорость отдачи тепла от каждого теплогенератора, не влияя на всю систему. Таким образом, однотрубные системы предлагают возможность зонального управления для каждой комнаты — функция, недоступная для последовательных цепей. В большинстве случаев обширное зонирование может быть выполнено с меньшими затратами с помощью однотрубной системы, чем с любым другим типом распределительной системы.
Поскольку выход тепла от каждого излучателя тепла можно регулировать независимо, однотрубные системы также позволяют увеличить размеры отдельных нагревателей. Эта функция может быть хорошо применена в ванной комнате, где большой нагреватель может быть установлен для быстрого нагрева комнаты перед душем или ванной, а затем снова установлен для поддержания нормальной комфортной температуры. Если бы вы сделали это с последовательной схемой, вы бы постоянно перегревали комнату.
Плинтус с ребристыми трубами, панельные радиаторы и конвекторы с фанкойлами можно комбинировать и сочетать по желанию, все они подключены как отдельные ответвления от основного распределительного контура. Каждый блок по-прежнему должен быть рассчитан в соответствии с температурой воды, поступающей из основного контура. Этот главный контур обычно следует по периметру здания и проходит под радиаторами отопления, расположенными на наружных стенах. Такая компоновка экономит деньги, сводя к минимуму количество труб, используемых между основным контуром и нагревателями.
Наилучший способ управления однотрубными системами – обеспечить постоянную циркуляцию нагретой воды по основному контуру в отопительный сезон. Термостаты открываются и закрываются по мере необходимости, чтобы удовлетворить потребности в отоплении отдельных комнат. Поскольку используется постоянная циркуляция, лучше всего подключить котел к системе, как показано выше. Циркуляционный насос котла работает только при топке котла. В остальное время поток воды в основном контуре обходит котел, что снижает внецикловые тепловые потери.
Многозональные и многоконтурные системы
Многозональная система использует отдельный главный контур для каждой зоны, обеспечивая подачу воды в каждую зону примерно одинаковой температуры. Предпочтительным методом является использование небольшого циркуляционного насоса и обратного клапана на каждом контуре.
Другой метод зонирования гидравлической системы использует отдельный контур трубопровода для каждой зонированной зоны. Есть два способа настроить это; использование отдельного циркуляционного насоса для каждой зоны или одного циркуляционного насоса большего размера и нескольких зональных электрических клапанов. Я предпочитаю первый метод по следующим причинам:
• Насосы малой зоны потребляют меньше электроэнергии и работают только тогда, когда связанная с ними зона требует тепла. Для сравнения, один более крупный циркуляционный насос в системе с зональным клапаном должен работать всякий раз, когда одной или нескольким зонам требуется тепло.
• Когда один большой циркуляционный насос работает только с одной активной зоной, скорость потока может быть достаточно высокой, чтобы создавать раздражающие шумы потока в трубах.
• При выходе из строя циркуляционного насоса обогрев прерывается только в одной зоне. Остальные зоны работают как обычно. Отказ циркуляционного насоса в системе с зональным клапаном предотвратит подачу тепла во всю систему.
Важно отметить, что в каждой зоне мультициркуляторной системы должен быть установлен подпружиненный обратный клапан. Если обратных клапанов нет, и только одна зона требует тепла, теплая вода будет течь в обратном направлении по контурам, которые должны быть отключены. Это ограничит тепловую мощность активного контура. Это также может вызвать нежелательное поступление тепла в отопительные приборы в теплую погоду, когда котел работает только на нагрев воды для бытовых нужд.
Многозональные системы с отдельными контурами имеют еще одно преимущество: в каждую зону поступает вода примерно одинаковой температуры. Это может позволить уменьшить размеры тепловых излучателей по сравнению с последовательной схемой. Если тепловые излучатели подходящего размера, вы также можете эксплуатировать систему при несколько более низкой температуре, тем самым повышая ее общую эффективность.
Двухтрубные системы
Двухтрубная система подает воду к каждому радиатору по всей системе практически одинаковой температуры. Все радиаторы подключены между общей подающей и общей обратной магистралью. Двухтрубные системы чаще встречаются в коммерческих зданиях и хорошо подходят для конденсационных котлов.
Наиболее распространенный тип гидравлической системы распределения в коммерческих зданиях известен как двухтрубная или параллельная система. В этой конструкции, которую можно использовать и в бытовых системах, каждый отопительный прибор располагается в отдельной ответвленной цепи, которая подключается к общей подающей магистрали и общей обратной магистрали. Каждая ответвленная цепь работает «параллельно» с другими, что позволяет каждому нагревателю получать воду примерно одинаковой температуры. Теоретически это позволяет использовать меньшие по размеру теплоизлучатели в каждой комнате.
Выше показан предпочтительный способ подключения ответвлений к сети. Эта конструкция, называемая «системой обратного возврата», приводит к сбалансированным потокам через ответвления.
На этой диаграмме показаны типичные рабочие диапазоны различных водяных источников тепла, теплогенераторов и систем трубопроводов, хотя в нестандартных обстоятельствах иногда могут потребоваться конструкции за пределами этих диапазонов.
Так как каждый нагреватель получает воду примерно одинаковой температуры, перепад температур между подачей и обраткой котла будет меньше, чем в последовательной системе трубопроводов. Типичная параллельная система, например, может иметь перепад температуры всего около 10°F между подачей и обраткой котла. Напротив, типичная последовательная система может иметь падение температуры на 20°F и более. Меньший перепад температуры в двухтрубной системе помогает поддерживать температуру воды, возвращающейся в котел, выше точки росы уходящих газов, что предотвращает конденсацию дымовых газов.
Двухтрубные системы лучше всего подходят для использования с низкотемпературными источниками тепла, такими как тепловые насосы или конденсационные котлы. Системы теплого пола можно считать двухтрубными, поскольку каждый контур пола подключается параллельно с другими контурами на коллекторных станциях. Двухтрубные системы также позволяют легко зонировать за счет использования клапанов для регулирования потока через любой заданный источник тепла.
Об авторе
Джон Сигенталер, PE, управляет Appropriate Designs, фирмой по проектированию систем зданий в Holland Patent, NY. Он является автором материалов курса для ASSE 19210, Профессиональный квалификационный стандарт специалиста по установке систем отопления и охлаждения Hydronics,,а так же автор «Современное водяное отопление жилых и легких коммерческих зданий» и «Отопление с помощью возобновляемых источников энергии» (оба опубликованы Cengage)
Сравнение двухтрубных и четырехтрубных систем ОВКВ с водяными тепловыми насосами
Многие системы HVAC используют гидравлические трубопроводы в качестве средства для обогрева и охлаждения помещений. Отдельные фанкойлы обслуживают каждую зону, в то время как центральный чиллер и котел берут на себя общую нагрузку ОВК по мере необходимости. Возможны две основные конфигурации системы: один и тот же гидравлический контур может использоваться для обеих функций, или отдельные гидравлические трубопроводы могут использоваться для отопления и охлаждения.
- Двухтрубная система: Когда отопление и охлаждение имеют общие гидравлические трубопроводы, каждый фанкойл имеет только одну подающую трубу и одну обратную трубу.
- Четырехтрубная система: Когда отопление и охлаждение имеют отдельные гидравлические трубопроводы, фанкойлы имеют две трубы подачи и две трубы возврата.
Как и в большинстве инженерных решений, каждая конфигурация системы имеет свои преимущества и недостатки. В этой статье будет представлен обзор двухтрубных и четырехтрубных систем, а также их сравнение с более современной альтернативой: водяными тепловыми насосами.
Наши инженеры по проектированию инженерных систем могут подобрать оптимальную конфигурацию ОВКВ для вашего здания.
Двухтрубные системы ОВКВ
В двухтрубной системе используется вдвое меньше гидравлических трубопроводов, чем в четырехтрубной системе, что снижает затраты и сокращает время монтажа. Система также более компактна, что снижает потребность в пространстве для технических помещений. Техническое обслуживание также проще в двухтрубной системе благодаря меньшему количеству трубопроводной арматуры и клапанов.
Основным ограничением двухтрубной системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха является отсутствие эксплуатационной гибкости. Гидравлический контур, проходящий через здание, соединяется либо с котлом, либо с чиллером в зависимости от общих потребностей, и все помещения здания должны работать в одном режиме; Нагрев одних зон при охлаждении других невозможен при такой конфигурации системы.
Двухтрубные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха — отличный выбор для тропического климата, где здания часто стоят целый год, не требуя обогрева помещений. Котел в этих случаях обычно не используется, если только он не требуется для горячей воды, но в этом случае речь идет о совершенно другой системе здания.
Четырехтрубная система ОВКВ
В этой конфигурации системы используется в два раза больше трубопроводов, чем в двухтрубной системе HVAC, поэтому она дороже и требует больше времени для установки. Кроме того, четырехтрубная система требует больше места для размещения двух контуров гидравлических трубопроводов, проходящих через здание. Увеличение количества креплений, клапанов и точек подключения также приводит к тому, что система требует более сложного технического обслуживания.
Однако четырехтрубные системы HVAC предлагают характеристики, недоступные для двухтрубной системы. Например, фанкойлы могут обеспечивать одновременное охлаждение и осушение за счет одновременного использования теплообменников охлажденной и горячей воды:
- Змеевик с охлажденной водой используется с максимальной производительностью для удаления как можно большего количества влаги из воздуха, даже если воздух охлаждается ниже требуемой температуры.
- Любое чрезмерное охлаждение затем компенсируется нагревательным змеевиком, который подает воздух с приемлемой температурой и влажностью.
Двухтрубная система не допускает такой гибкости, поскольку температура и влажность воздуха фиксируются, когда он проходит через фанкойл. Повышенное осушение требует большего охлаждения, а более высокая температура воздуха приводит к более высокой влажности.
Еще одним существенным преимуществом четырехтрубной системы является возможность одновременного охлаждения или обогрева разных площадей здания. Это просто вопрос использования соответствующего гидравлического контура в фанкойлах, обслуживающих эти зоны.
Как двухтрубные и четырехтрубные системы используют энергию
В Нью-Йорке большая часть охлаждения помещений осуществляется с помощью электричества, а отопление помещений обычно осуществляется за счет природного газа или мазута. Поскольку электричество в Нью-Йорке очень дорогое, одна тонна-час охлаждения обычно стоит дороже, чем одна тонна-час отопления. По этой причине модернизация системы охлаждения, как правило, обеспечивает более высокую отдачу на каждый потраченный доллар, и компании по управлению недвижимостью могут сосредоточиться на них в первую очередь, чтобы максимизировать окупаемость инвестиций.
Конечно, могут быть исключения из вышеприведенного правила. Если в здании есть современный высокоэффективный чиллер и старый котел, то стоимость тонно-часа отопления может быть выше. Энергоаудит — лучший способ определить наиболее экономически выгодную модернизацию здания.
Водяные тепловые насосы: лучшие черты обеих систем
Если в системе используются водяные тепловые насосы вместо фанкойлов, она может предложить преимущества четырехтрубной системы, опираясь на один гидравлический контур трубопровода. Водяные тепловые насосы могут работать как в режиме охлаждения, так и в режиме нагрева с общим водяным контуром.
- Тепловые насосы извлекают тепло из областей, требующих охлаждения, и тепло отводится в водяной контур.
- Отопление помещений возможно одновременно, и эта тепловая энергия может извлекаться из того же водяного контура тепловыми насосами в режиме обогрева.
При такой конфигурации системы нагрузки на отопление и охлаждение уравновешивают друг друга, что приводит к гораздо более высокой эффективности работы. Никогда не требуется, чтобы чиллер и котел работали одновременно: чиллер работает, когда нагрузка на охлаждение выше, а котел работает, когда нагрузка на отопление выше.
Чтобы еще больше снизить эксплуатационные расходы, можно использовать высокоэффективные котлы и чиллеры, но учтите, что эффективность указывается по-разному для каждого типа оборудования:
- Котлы, работающие на газе или жидком топливе, используют годовую эффективность использования топлива (AFUE), которая указывается в процентах. Например, газовый котел с КПД 95 % отдает 95 % теплоты сгорания воде, протекающей по гидронному трубопроводу.
- Чиллеры используют коэффициент энергоэффективности (EER) для определения своей эффективности в стандартных условиях испытаний и интегрированный коэффициент энергоэффективности (IEER) для отражения своей эффективности после учета сезонных факторов и изменчивости нагрузки. EER и IEER представляют собой не процентные значения, а скорее отношение мощности охлаждения в БТЕ/ч к потребляемой электроэнергии в ваттах, что аналогично показателю расхода бензина автомобиля.
Наиболее эффективные котлы на рынке имеют AFUE выше 95%, в то время как наиболее эффективные чиллеры с водяным охлаждением имеют EER выше 20. Чиллеры с воздушным охлаждением менее эффективны, чем их аналоги с водяным охлаждением.
Также можно использовать геотермальный тепловой насос вместо котла и чиллера. Эти устройства так же эффективны, как чиллеры с водяным охлаждением, и могут соответствовать эксплуатационным расходам газового котла в режиме обогрева, даже если они работают на электричестве. Однако для работы геотермальных тепловых насосов требуются определенные условия грунтовых вод. Они могут быть отличным выбором в новых конструкциях, где не установлены чиллер и бойлер, или когда и чиллер, и бойлер старые и неэффективные. Если существующий чиллер и котел уже эффективны, переход на геотермальный тепловой насос может оказаться финансово невыгодным.
