Водяное отопление с котлами на твёрдом топливе, газе или электричестве, крайне малодоступное рядовым садоводам, является сейчас основным видом отопления жилых домов в сельской местности и крупных дач в пригородах. Тем не менее, и в сельских банях водяное отопление практически не используется. Это обусловлено тем, что удельная мощность тепловыделения от тепловых приборов с температурой поверхности 50-90°С весьма мала. Типичная номинальная мощность теплоотдачи стандартной чугунной семисекционной «батареи» типа М-140 составляет порядка 1 кВт. По данным НИИ санитарной техники реальная теплоотдача ещё меньше: для радиаторов чугунных секционных МС-90 — 790 Вт/м², для радиаторов стальных панельных — 730 Вт/м², для радиаторов чугунных секционных М-140 — 595 Вт/м², для конвекторов с кожухом — 357 Вт/м², для ребристой чугунной трубы — 388 Вт/м² при температурах входящей воды 105°С, выходящей 70°С, воздуха в помещении 18°С. Поэтому для прогрева холодной бани с мощностью 10-20 кВт придётся поставить 20-40 батарей-радиаторов. Кроме того, горячая вода с температурой 50-90°С никак не сможет нагреть каменку с камнями даже до 100°С, не говоря о требуемых температурах 300-700°С.

Вместе с тем, если дом отапливается постоянно круглый год горячей водой или если речь идёт о богатой представительской бане типа хаммама (даже в отдельно стоящем строении загородом), то вполне естественно стремление максимально использовать этот централизованный ресурс в виде горячей воды для обогрева бани. Прежде всего речь заходит об обычной городской ванне, не требующей жарких помещений и довольствующейся лишь достаточно большим объёмом горячей воды для заполнения ванны. Для обычной ванны водяное отопление с централизованным котлом является идеальным обеспечением, поэтому-то обычные городские ванны стремительно ворвались в городской быт водоотапливаемых многоэтажных домов, а затем и в сельские жилые дома. Но чтобы из обычной ванной комнаты сделать баню, необходимо поднять температуру в ней хотя бы до 40-50°С, а это достигается прежде всего использованием низкотемпературных панелей, например, горячих водонагреваемых полов, стен и потолков как в хаммаме. Именно это решение используется уже давно в городских банях Турции: в постоянно действующих хаммамах нынче устраивают не подвальную печь, а кирпичную или чугунную печь со стальным змеевиком-котлом для нагрева воды, которая затем течёт по стальным трубам в толще каменных (кирпичных) стен, полов, лежаков (чебеков), нагревая их до требуемой температуры.

Система водяного обогрева стен зародилась в России: идея отопления с заделкой стальных труб с горячей водой в толщу стены, потолков и полов, в том числе и бетонных, а также в колонны, пилястры и даже лестницы принадлежит русскому инженеру В.А. Яхимовичу, названа им панельным отоплением и запатентована в 1907 году. В том же 1907 году английский инженер Баркер также получил патент на устройство систем отопления с плоскими нагревательными поверхностями. В России за короткий срок 1907-1911гг. по проекту Яхимовича были созданы системы отопления свыше 20 крупных больничных, школьных и общественных зданий с применением горячей воды. За рубежом панельное отопление распространилось лишь в конце 1920-х годов под названием лучистого отопления. В России бетонные греющие панели возродились в 1952 году в связи с переходом на индустриальные методы сооружений зданий и достигли пика распространения в массовых сборных пятиэтажках — «хрущёвках», обогреваемых именно панелями (см. А.Н. Сканави, Л.М. Махов, Отопление, М.: АСВ, 2002 г.).

К достоинствам систем панельно-лучистого отопления относится экономия жилых площадей, сокращение затрат труда на стройплощадке, расхода металла и теплоносителя, высокая санитарно-гигиеничность, выравнивание температур воздуха по высоте обогреваемых помещений. В основе технической полезности труб, замоноличеных в бетон является повышенная теплоотдача системы отопления. Бетон с высокой теплопроводностью легко забирает тепло с малой площади труб, а затем легко отдаёт тепло в малотеплопроводный воздух за счёт большой площади панели. В результате теплоотдача труб с горячей водой возрастает до 2-3 раз.

К недостаткам систем панельно-лучистого отопления относятся трудности ремонта замоноличеных греющих элементов, сложность регулирования теплоотдачи отопительных панелей как при пуско-наладке, так и при эксплуатации жильцами. Отопительные панели подразделяются на совмещенные (включённые в несущую часть здания) и подвесные (навесные, укладываемые, сменные, прикрепляемые). Поскольку в массовом строительстве применялись в основном совмещённые панели, то их смена и ремонт требовали демонтажа несущих конструкций, что снижало ресурс зданий и их надёжность. Со временем в жилых домах от совмещённых отопительных панелей отказались: тёплые полы сейчас делают только в сменном исполнении без затрагивания несущих конструкций.

Рис. 181. Схема водяного отопления: а — однотрубная система монтажа; б — двухтрубная система монтажа; в — блок-схема циркуляционного водного контура отопления; г — монтажная схема системы отопления с естественной циркуляцией воды; д — присоединение отопительных приборов «на сцепке». 1 — прямая труба, 2 — обратная труба, 3 — отопительный прибор (радиатор, конвектор, батарея-сборка), 4 — водонагреватель (котёл), 5 — комплекс отопительных приборов, 6 — циркуляционный насос, 7 — расширительный бак, 8 — воздухоотводящее устройство, 9 — соединительные трубы, 10 — патрубок для залива и слива воды, 11 — стояк утеплённый, 12 — расширительный бак верхний, открытый сверху, 13 — расширительный бак нижний открытый, 14 — мембранный расширительный бак, 15 — накачивание бака газом, 16 — воздухоотводный патрубок (кран, штуцер), 17 — верхняя (прямая) магистраль (припотолочная), 18 — нижняя (обратная) магистраль (околопольная), 19 — предохранительный клапан для выпуска жидкости или газа при чрезмерном повышении давления в системе.

Системы водяного отопления подразделяются на однотрубные и двухтрубные (рис. 181 а, б). В двухтрубных по всем отапливаемым помещениям прокладывают две трубы: прямую 1 (водоподающую) и обратную 2 (водоотводящую). Каждый отопительный прибор 3 (батарея) в двухтрубной системе подсоединяется и к прямой, и к обратной трубе, так что все приборы работают при одной температуре. В однотрубной системе по всем помещениям проходит одна сквозная неразрывная труба, может быть разветвляемая (более того, практически всегда разветвляемая по отопительным приборам), но имеющая начальную точку (водоподающую) и конечную (водоотводящую), которые соответственно подсоединяются к двум патрубкам котла. При этом каждый отопительный прибор подсоединяется к трубе параллельно (к горячей воде разной температуры). Деление на однотрубные и двухтрубные системы весьма условно, поскольку речь идёт фактически о способах разветвления трубных систем в многотрубные отопительные. Так, двухтрубная система, вообще-то говоря, также является однотрубной, поскольку прямая и обратная трубы неминуемо где-то замыкаются (по крайней мере на наиболее удалённом конце) и превращаются в единую неразрывную трубу. В одноуровневых системах (одноэтажных) понятия однотрубной и двухтрубной систем вообще совпадают (не отличаются).

Система водяного отопления является циркуляционной (замкнутой кольцевой). Водяной контур (рис. 181,в) в самом общем случае содержит котёл 4 (нагреватель воды), воздухонагреватель-теплообменник 5 (батарею, радиатор, конвектор, регистр, который может быть заменён или дополнен водонагревателем-теплообменником проточно накопительным), циркуляционный насос 6, расширительный бак 7, воздухоотвод 8, соединительные трубы 9, патрубок для заливки и слива теплоносителя 10

(воды, антифриза, веретенного масла и т. п.). При наличии насоса, например, электрического, обеспечивающего принудительное течение теплоносителя по контуру, последовательность и высотность расположения узлов (4-10) безразлична, лишь бы воздухоотвод подключался к самой верхней точке контура, а патрубок слива — к самой нижней части контура (например, котельная может располагаться на крыше многоэтажного здания). Во избежание закипания теплоносителя указанная схема должна предусматривать регулировку мощности котла (или мощности отбора тепла воздухонагревателем) вручную по показанию термометра, измеряющего температуру теплоносителя на выходе из котла, или автоматическую, учитывающую и температуру теплоносителя, и температуру воздуха в помещении. Характерные значения коэффициента теплопередачи на внешней поверхности отопительных приборов составляют 11,5 Вт/м²•град для вертикальных бетонных панельных радиаторов, 10 Вт/м²•град для чугунных секционных радиаторов и 7 Вт/м²•град для конвекторов с кожухом. Таким образом и здесь номинальные коэффициенты теплопередачи близки к условно принятому ранее для оценочных расчётов бань значению коэффициента теплопередачи 10 Вт/м²•град для любых поверхностей (в том числе и тела человека). Напомним, что под батареями в быту понимают сборные секционные единицы конвекторов или радиаторов.

Хотя циркуляционные насосы для горячей воды в контурах отопления (например, марки Грундфос) стали в дачной практике вполне привычными, всё же в подавляющем количестве домов предпочитают систему отопления (включая газовые котлы), не требующую бесперебойного электроснабжения. При отсутствии механического насоса роль движителя теплоносителя играет гравитационный перепад давления, обусловленный разностью весов водяных столбов в разных коленах водяного контура и обуславливающий естественное (непринудительное) свободно-конвективное движение жидкости за счёт всплывания более тёплых объемов воды. По аналогии с процессами естественной тяги в вентсистемах и дымовых трубах, одно из колен системы должно быть заполнено тёплой, а потому более лёгкой водой. Роль такого колена играет так называемый «стояк» 11 (рис. 181г), вертикальная труба над котлом 4, к которой не подсоединяют никаких теплоотбирающих устройств и приборов, более того, её утепляют, чтобы вода в ней оставалась горячей до самого верха. Вторым коленом системы являются циркуляционные трубы 9 и отопительные приборы 5, которые специально охлаждаются за счёт контакта с воздухом, вследствие чего и вода в них охлаждается, сжимается и становится тяжелее. Ясно, что чем выше расположены отопительные приборы 5, тем более низкая температура воды достигается в левом колене. Ещё лучше было бы, если приборы 5 располагались бы на верхней припотолочной трубе 17. Ранее этот случай в бытовой практике никогда не рассматривался, поскольку приборы 5 стремились расположить как можно ниже к полу, в том числе под окнами, чтобы обеспечить наибольшую интенсивность циркуляционных конвективно-отопительных движений воздуха в помещении. В соответствии с последними воззрениями зарождается концепция горячих (тёплых) потолков, обеспечивающих мягкое длинноволновое лучистое отопление помещения. Что касается котла 4, то его следует располагать как можно ниже и даже при возможности совмещать с нижней обраткой 18, которая в свою очередь может по современным представлениям выполнять роль тёплого пола.

Система водяного отопления заполняется жидким теплоносителем через патрубок с краном 10 с выпуском воздуха через патрубок с краном 16. Слив теплоносителя осуществляется через патрубок 10, для чего горизонтальные трубопроводы 17 и 18 выполняются с уклоном i не менее 0,005 (0,5 см на 1 м трубы). При нагреве системы жидкий теплоноситель расширяется, вследствие чего контур в обязательном порядке должен содержать расширительный бак одной из конструкций 12, 13 или 14. В случае воды (антифриза) чаще всего используется открытый сверху напорно-расширительный бак 12, монтируемый над всей водной системой. При нагреве 100 кг воды от 0°С до 95°С объём воды возрастает со 100 литров до 104,2 литра. Отсюда легко найти необходимый объём бака 12, причём реальный размер лучше выбрать с запасом 30-50%. Расширительный бак 13 также подсоединяется к самой высокой точке системы и располагается хоть на полу, хоть в подвале, лишь бы высота водяного столба не превышала бы 9,8 м (водяной напор 9,8 м соответствует атмосферному давлению 1 атм). Наполнение водной системы водой в случае расширительных баков 12 или 13 производится при закрытом штуцере 16.

Мембранные расширительные баки 14 имеют центральную резиновую эластичную диафрагму (перегородку), которая в состоянии растягиваться и облегать ту или иную половину бака. Перед заполнением системы водой через штуцер 15 в расширительный бак подаётся воздух от компрессора (или азот из баллона) с таким расчётом, чтобы диафрагма выгнулась вверх. Затем подают воду по штуцеру 10 до полного заполнения системы с выливом по штуцеру 16, после чего штуцер 16 закрывают. При нагреве системы вода расширяется, диафрагма расширительного бака опускается. Чтобы в системе не образовалось слишком высокое давление воды (в быту не более 1,2-1,3 атм, ну и во всяком случае не выше 1,7 атм, что соответствует избыточному давлению 0,7 атм), в системе предусматривают предохранительный клапан 19, сбрасывающий часть воды из системы. Обычно расширительные баки производятся объёмом от 8 до 200 литров, с рабочим (максимально допустим по прочности) давлением 5 атм, с номинальным давлением внутри бака 1,5 атм, с температурным режимом от минус 10°С до плюс 110°С, стандартная окраска — красная.

При первичном нагреве системы из воды выделяются растворённые газы, в первую очередь компоненты воздуха: азот, кислород, углекислый газ и другие. Растворимость воздуха в воде достаточно велика — десятки литров газа в тонне воды (рис 182). Причём растворимость кислорода в воде примерно в два раза выше, чем азота (при одном и том же парциальном давлении). Но в воздухе содержится, грубо говоря, пятая часть кислорода и четыре пятых по объёму азота, вследствие чего парциальное давление азота в воздухе в четыре раза выше, чем парциальное давление кислорода. Несложным расчётом легко убедиться, что вследствие лучшей растворимости кислорода воздух, растворённый в воде, содержит уже не одну пятую часть кислорода по объёму, а одну треть (33% об.). Это значит, что рыба дышит в воде воздухом, обогащенным кислородом. Но и в трубах, заполненных водой, в таком случае больше кислорода, чем в воздухе атмосферы, поэтому «водяной» воздух более опасен в коррозийном отношении для стальных труб. Аналогичной оценкой можно убедиться, что «водяной» воздух содержит 1,4% об. углекислого газа (имеющего растворимость 0,88 м³/м³), а не 0,03%, как атмосферный воздух. Это соображение очень важно при анализе явлений в лёгких человека (в которых кислород и углекислый газ связываются дополнительно и гемоглобином крови).

Рис. 182. Растворимость газов в воде (число объёмов газов на объём воды) в зависимости от температуры: 1 — кислорода при парциальном давлении кислорода над водой 1 атм, 2 — азота при парциальном давлении азота над водой 1 атм, 3 — воздуха при парциальном давлении воздуха над водой 1 атм, 4 — воздуха при парциальном давлении воздуха и водяных паров над водой 1 атм.

Растворимость газов с температурой падает, но не столь существенно (рис. 182). В то же время в магистралях водного контура отопления вода теряет газы практически полностью. Дело в том, что реальное содержание газа в воде равно произведению растворимости на парциальное давление газа над водой. С ростом температуры парциальное давление воздуха над водой снижается, поскольку оно равно атмосферному за вычетом парциального давления водяных паров, а последнее быстро растёт с температурой и становится равным атмосферному р=1 атм при 100°С. То есть при 100°С над водой уже нет воздуха (а присутствуют только одни водяные пары), а это значит что и количество растворенного воздуха в воде магистрали (или в кастрюле с кипящей водой) становится равным нулю (пунктирная кривая 4 на рис. 182). Таким образом, надо быть готовым к тому, что из водяного контура может выйти до нескольких литров воздуха в расчёте на 100 литров воды. Этот воздух в случае расширительных баков типа 12 или 13 свободно уйдёт наружу в атмосферу. В случае же мембранного расширительного бака 14 выделившийся газ остаётся в системе и может быть удалён лишь при срабатывании предохранительного клапана 19 или стравливания через штуцер 16. Если накапливающийся воздух заполнит верхнюю трубу 17 и выдавит из неё воду, то циркуляционное течение воды в контуре прекратится. Это явление на профессиональном уровне называется «воздушной пробкой». Воздушная пробка может возникнуть в той части воздушного контура, в котором не предусмотрена возможность выхода воздуха наружу. Так, например, на всём протяжении трубы 17 (рис. 182) на внутренней поверхности трубы возникают мельчайшие пузырьки воздуха, удерживаемые на шероховатостях или уносимые потоком воды. Мельчайшие пузырьки воздуха постепенно сливаются в нишах шероховатостей и укрупняются, образуя укрупнённые пузырьки размером 0,1 см³ и более, которые уже могут быстро всплывать из воды. Они как бы «катятся» вдоль «потолочной» поверхности труб, иногда объединяясь в виде прерывистой ленты «воздушного» ручья. «Катятся» они по трубе 17 вверх к расширительному баку 12 навстречу потоку воды, причём при скорости движения воды 0,6 м/сек газовые скопления на «потолке» трубы 17 могут дробиться на вторичные пузыри, которые отрываются от поверхности. При скорости движения воды 1 м/сек мелкие пузырьки постепенно распространяются по всему водяному контуру, образуя газоводяную эмульсию. Таким образом, в ряде случаев вывод воздуха из системы может представить серьёзные трудности (А.Н. Сканави, Л.М. Махов, Отопление, М.: АСВ, 2002 г.).

Критическая скорость потока воды, увлекающая воздушные скопления по трубам, составляет (0,20-0,25) м/сек, а в горизонтальных (наклонных — (0,10-0,15) м/сек. Поэтому скорость движения воды в точках сбора воздуха в трубах должна быть менее 0,1 м/сек. Именно такие скорости (0,01-0,1) м/сек достигаются в водных контурах отопления при свободноконвективной конвекции при перепаде температур на входе и выходе из котла порядка 10°С (и при скоростях циркуляции воды в системе порядка 0,5-0,7 м3/час). Если же в водном контуре стоит циркуляционный насос, то скорости циркуляции могут достигать (0,4-0,5) м/сек при маломощных насосах мощностью до 100 Вт и (0,1-1,5) м/сек при мощностях до (200-300) Вт.

Таблица 23. Характеристики циркуляционных насосов для систем водяного отопления дачных строений:

Таким образом, в месте подсоединения расширительного бака труба должна иметь расширение для сбора воздуха. В то же время в других местах возможных «воздушных пробок» скорость водного потока должна быть максимально высокой. «Воздушные пробки» могут «рассасываться» не только при высоких скоростях потока (при водных толчках, ударах). Если, например, одна из батарей 5 на рисунке 181,е греется плохо, но всё же греется (пропускает воду), то воздух (включая аргон с растворимостью 0,038 м³/м³) в «воздушной пробке» может постепенно раствориться в воде, после чего этот растворённый воздух выделится из воды при её нагреве в котле и уйдёт с пузырями в расширительный бак 12.

В садовых домиках и дачных банях (душевых) используются упрощённые водные системы, например, батареи на «прямой сцепке» (рис. 181,д). Такие системы особенно страдают от «воздушных пробок», и, несмотря на очень малую металлоёмкость, неудобны тем, что невозможно провести ремонт батарей без остановки всей системы.

Рис. 183. Температурные зависимости теплоёмкости Ср и теплопроводности λ жидкой (компактной) воды.

При нагреве системы отопления теплофизические свойства воды (теплоёмкость и теплопроводность) изменяются слабо (рис. 183). В то же время вязкость воды изменяется при нагреве очень сильно (рис. 85). Это значит, что все трубы с более холодной водой (обратной) должны изготавливаться с максимально возможным проходным сечением. Кроме того, коэффициент термического расширения воды (равный наклону зависимости плотности воды от температуры на рис. 85) растёт с температурой. Поэтому для обеспечения интенсивной циркуляции в условиях естественной (свободной) конвекции желательна работа системы с максимально возможной температурой, то есть пользоваться минимальным количеством отопительных приборов (выключая излишние кранами), а ещё лучше, не выключая параллельных цепей батарей, прикрывать их поверхность при необходимости тёплыми матами (утепляющими чехлами) с целью уменьшения теплоотдачи и повышения температуры воды в системе.

В случае применения принудительной (механической) циркуляции воды в отопительной системе с помощью насосов гидравлическое сопротивление водяного контура определяется уже не столько вязкостью воды, сколько местными гидродинамическими сопротивлениями при заужениях, расширениях и поворотах водного потока из-за возникающих турбулентностях (по аналогии со случаем воздушных течений, рассмотренным в разделе 5.7.4). Отметим, что число Рейнольдса для воды равно Re=10⁶V•a, где V (м/сек) — скорость движения воды в трубе, a(м) — поперечный размер (диаметр) трубы. Число Рейнольдса 2200, соответствующее переходу в турбулентное течение, достигается в дюймовой трубе при V=0,1 м/сек, при этом в трубах может появиться гул.

В заключение отметим, электрокотлы являются самым безопасным способом отопления и, несмотря на материалоёмкость и трудоёмкость монтажа отопительных приборов, наиболее перспективны для встроенных бань (наряду с электрокабельным обогревом). Электрокотлы выпускаются двух разных типов: на основе погружённых ТЭНов (рис. 173,в) или на основе электродов, пропускающих электрический ток непосредственно через воду как через проводник с умеренно высокой электропроводностью. Электротеновые котлы преимущественно применяются для нагрева воды пищевого или хозяйственного назначения и пригодны для воды любой электропроводности. Электродные котлы применяют преимущественно для нагрева воды в замкнутых контурах (например, отопления), где вода поддерживается в условно стабильном интервале свойств по электропроводности. Поскольку дистиллированная (деионизованная) вода является диэлектриком и электрического тока не пропускает, то вода для электродных котлов должна содержать в небольшом количестве электролиты, в частности, соли металлов (например, хлористые и сернокислые соли натрия, магния, кальция). Обычная водопроводная (речная), а тем более глубоководная колодезная вода свойства электропроводности сохраняет даже в кипячёном состоянии. В качестве погружных электродов обычно используют титановые пластины (ленты, полосы листового титана, давно уже не являющегося остродефицитным), не загрязняющие воду вредными примесями. Так, широкораспространённые в советском быту в 1960-1980 гг. устройства для получения «живой и мёртвой» воды в лечебных целях как раз и использовали принцип протекания электрического тока через питьевую воду, причём именно с использованием титановых электродов

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008