Система центрального отопления обеспечивает теплом несколько помещений в здании от одного основного источника тепла. Это компонент систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (сокращенно: HVAC), которые могут как охлаждать, так и обогревать внутренние помещения.
Система центрального отопления имеет печь, которая преобразует топливо или электричество в тепло. Тепло циркулирует по зданию либо вентиляторами, нагнетающими нагретый воздух через воздуховоды, либо циркуляцией пара низкого давления к радиаторам в каждой отапливаемой комнате, либо насосами, которые циркулируют горячую воду через радиаторы в комнатах. Первичными источниками энергии могут быть такие виды топлива, как уголь или древесина, нефть, керосин, природный газ или электричество.
По сравнению с такими системами, как камины и дровяные печи, центральное отопление обеспечивает улучшенную однородность контроля температуры по всему зданию, обычно включая автоматическое управление печью. Большие дома или здания могут быть разделены на индивидуально контролируемые зоны с собственным контролем температуры. Автоматическая обработка топлива (а иногда и золы) обеспечивает улучшенное удобство по сравнению с отдельными каминами. Если система включает воздуховоды для циркуляции воздуха, к системе можно добавить центральное кондиционирование воздуха. Система центрального отопления может занимать значительное пространство в доме или другом здании и может потребовать установки воздуховодов подачи и возврата во время строительства.
Центральное отопление отличается от отопления помещений тем, что выработка тепла происходит в одном месте, например, в котельной или подвале дома или в техническом помещении большого здания (хотя не обязательно в геометрически «центральной» точке). Тепло распределяется по всему зданию, как правило, с помощью принудительной подачи воздуха через воздуховоды, с помощью воды, циркулирующей по трубам, или с помощью пара, подаваемого по трубам. Наиболее распространенный метод выработки тепла заключается в сжигании ископаемого топлива в печи или котле .
В большинстве районов умеренного климата большинство отдельно стоящих домов имели центральное отопление, установленное еще до Второй мировой войны. Там, где уголь был легкодоступен (например, в регионе антрацитового угля на северо-востоке Пенсильвании в Соединенных Штатах), были распространены угольные паровые или водогрейные системы. Позже в 20 веке они были модернизированы для сжигания мазута или газа, что исключило необходимость в большом бункере для хранения угля возле котла и необходимость удалять и выбрасывать угольную золу.
Более дешевая альтернатива горячей воде или паровому отоплению — это принудительное нагревание горячим воздухом. Печь сжигает мазут или газ, которые нагревают воздух в теплообменнике , а вентиляторы нагнетают нагретый воздух через сеть воздуховодов в помещения здания. Эта система дешевле, поскольку воздух движется через ряд воздуховодов вместо труб, и не требует монтажника труб для установки. Пространство между балками пола можно закрыть и использовать в качестве части воздуховодов, что еще больше снижает затраты.
Электрические системы отопления встречаются реже и практичны только при использовании дешевой электроэнергии или при использовании геотермальных тепловых насосов . Принимая во внимание комбинированную систему тепловой электростанции и электрического резистивного отопления, общая эффективность будет ниже, чем при прямом использовании ископаемого топлива для отопления помещений. [1]
В некоторых других зданиях используется центральное солнечное отопление , в этом случае система распределения обычно использует циркуляцию воды.
Альтернативами таким системам являются газовые обогреватели и централизованное теплоснабжение . Центральное теплоснабжение использует отходящее тепло от промышленного процесса или электростанции для обеспечения теплом соседних зданий. Подобно когенерации , для этого требуются подземные трубопроводы для циркуляции горячей воды или пара.
Использование ондоля было обнаружено в археологических памятниках на территории современной Северной Кореи. Археологический памятник эпохи неолита , около 5000 г. до н. э., обнаруженный в Сонбоне , Расон , на территории современной Северной Кореи , демонстрирует явные следы гудыля в раскопанном жилище ( кор . 움집 ).
Основными компонентами традиционного ондоля являются агунги ( топка или печь ), доступная из смежной комнаты (обычно кухни или главной спальни), приподнятый каменный пол, под которым находятся горизонтальные дымовые проходы, и вертикальный, отдельно стоящий дымоход на противоположной внешней стене, обеспечивающий тягу. Теплый пол, поддерживаемый каменными опорами или перегородками для распределения дыма, покрыт каменными плитами, глиной и непроницаемым слоем, таким как промасленная бумага.
Ранние ондолы начинались как гудыль , которые обеспечивали отопление дома и приготовление пищи. Когда в печи разводили огонь, чтобы приготовить рис на ужин, пламя распространялось горизонтально, потому что вход в дымоход находился рядом с печью . Такое расположение было необходимо, так как оно не позволяло дыму подниматься вверх, что приводило к слишком быстрому погасанию пламени. Когда пламя проходило через вход в дымоход, оно направлялось через сеть проходов вместе с дымом. Целые комнаты строились на дымоходе печи, чтобы создать комнаты с полом ондоль. [2]
Ондоль традиционно использовался в качестве жилого помещения для сидения, еды, сна и других видов времяпрепровождения в большинстве корейских домов до 1960-х годов. Корейцы привыкли сидеть и спать на полу, а также работать и есть за низкими столами вместо высоких столов со стульями. [3] Печь сжигала в основном солому риса, отходы сельскохозяйственных культур, биомассу или любые виды сушеных дров. Для краткосрочного приготовления пищи предпочитали солому риса или отходы урожая, в то время как для долгих часов готовки и подогрева пола требовались дрова длительного горения. В отличие от современных водонагревателей, топливо сжигалось либо спорадически, либо регулярно (от двух до пяти раз в день), в зависимости от частоты приготовления пищи и сезонных погодных условий.
.jpg/1280px-Villa_Romana_La_Olmeda_030_Pedrosa_De_La_Vega_-_Salda%C3%B1a_(Palencia).jpg)
Древние греки изначально разработали центральное отопление. Храм Эфеса отапливался дымоходами , проложенными в земле, и циркулирующими теплом, которое вырабатывалось огнем. Некоторые здания в Римской империи использовали системы центрального отопления, проводя воздух, нагретый печами, через пустые пространства под полом и из труб (называемых калидуктами ) [4] в стенах — система, известная как гипокауст . [ 5] [6]
Римский гипокауст продолжал использоваться в меньших масштабах в эпоху поздней античности и в халифате Омейядов , в то время как позднее мусульманские строители использовали более простую систему подпольных труб . [7]
После распада Римской империи в подавляющем большинстве стран Европы отопление вернулось к более примитивным каминам почти на тысячу лет.
В раннесредневековом альпийском нагорье более простая система центрального отопления, в которой тепло передавалось по подпольным каналам из топочной, в некоторых местах заменила римский гипокауст. В аббатстве Райхенау сеть взаимосвязанных подпольных каналов обогревала большую комнату для собраний монахов площадью 300 м2 в зимние месяцы. Степень эффективности системы была рассчитана на 90%. [8]
В XIII веке монахи -цистерцианцы возродили центральное отопление в христианской Европе, используя речные отводы в сочетании с внутренними дровяными печами. Хорошо сохранившийся королевский монастырь Богоматери Колеса (основан в 1202 году) на реке Эбро в регионе Арагон в Испании является прекрасным примером такого применения.
Три основных метода центрального отопления были разработаны в конце 18-го и середине 19-го веков. [9]
Уильям Страт спроектировал новое здание мельницы в Дерби с центральной печью горячего воздуха в 1793 году, хотя эта идея была уже предложена Джоном Эвелином почти за сто лет до этого. Проект Стратта состоял из большой печи, которая нагревала воздух, подаваемый снаружи по большому подземному проходу. Воздух вентилировался через здание большими центральными воздуховодами.
В 1807 году он сотрудничал с другим выдающимся инженером, Чарльзом Сильвестром , над строительством нового здания для размещения Королевского госпиталя Дерби. Сильвестр сыграл важную роль в применении новой системы отопления Стрэтта для новой больницы. Он опубликовал свои идеи в «Философии домашней экономии»; как показано в режиме обогрева, вентиляции, стирки, сушки и приготовления пищи, ... в Главном госпитале Дербишира в 1819 году. Сильвестр задокументировал новые способы отопления больниц, которые были включены в проект, и более здоровые функции, такие как самоочищающиеся и освежающие воздух туалеты. [10] Новая система отопления госпиталя позволяла пациентам дышать свежим нагретым воздухом, в то время как старый воздух направлялся в стеклянный и железный купол в центре. [11]
Их проекты оказались очень влиятельными. Их широко копировали на новых мельницах Мидлендса , и они постоянно совершенствовались, достигнув зрелости с работой де Шабанна над вентиляцией Палаты общин в 1810-х годах. Эта система оставалась стандартом для отопления небольших зданий до конца столетия.
Английский писатель Хью Плат предложил паровую систему центрального отопления для теплицы в 1594 году, хотя это был единичный случай и не был продолжен до 18 века. Полковник Коук разработал систему труб, которая переносила пар по дому из центрального котла, но именно Джеймс Уатт, шотландский изобретатель, был первым, кто построил работающую систему в своем доме. [12]
Центральный котел подавал пар высокого давления, который затем распределял тепло внутри здания через систему труб, встроенных в колонны. Он [ требуется разъяснение ] реализовал систему в гораздо большем масштабе на текстильной фабрике в Манчестере . Робертсон Бьюкенен дал окончательное описание этих установок в своих трактатах, опубликованных в 1807 и 1815 годах. Работа Томаса Тредголда «Принципы обогрева и вентиляции общественных зданий » описала метод применения горячего парового отопления в небольших непромышленных зданиях. Этот метод вытеснил системы с горячим воздухом к концу 19 века.
Ранние системы горячего водоснабжения использовались в Древнем Риме для отопления терм. [13] Еще одна ранняя система горячего водоснабжения была разработана в России для центрального отопления Летнего дворца (1710–1714) Петра Великого в Санкт-Петербурге . Чуть позже, в 1716 году, в Швеции впервые было использовано водоснабжение для распределения тепла в зданиях. Мартен Тривальд , шведский инженер, использовал этот метод для теплицы в Ньюкасл-апон-Тайн . Жан Симон Боннемен (1743–1830), французский архитектор, [14] внедрил эту технологию в промышленность в кооперативе в Шато-дю-Пек, недалеко от Парижа .
Однако эти разрозненные попытки были изолированы и в основном ограничивались их применением в теплицах . Тредголд изначально отверг его использование как непрактичное, но изменил свое мнение в 1836 году, когда технология вошла в фазу быстрого развития. [15]
Ранние системы использовали системы водоснабжения с низким давлением, для которых требовались очень большие трубы. Одна из первых современных систем центрального отопления с горячей водой, призванная устранить этот недостаток, была установлена Энджером Марчем Перкинсом в Лондоне в 1830-х годах. В то время в Британии в моду входило центральное отопление, и обычно использовались паровые или воздушные системы.
Аппарат Перкинса 1832 года распределял воду при температуре 200 градусов по Цельсию (392 °F) по трубам малого диаметра под высоким давлением. Решающим изобретением, сделавшим систему жизнеспособной, было резьбовое соединение, которое позволяло соединению между трубами выдерживать такое же давление, как и сама труба. Он также отделил котел от источника тепла, чтобы снизить риск взрыва. Первый блок был установлен в доме управляющего Банка Англии Джона Хорсли Палмера, чтобы он мог выращивать виноград в холодном климате Англии. [ 16]
Его системы были установлены на фабриках и в церквях по всей стране, многие из них оставались в пригодном для использования состоянии более 150 лет. Его система также была адаптирована для использования пекарями при нагреве их печей и при производстве бумаги из древесной массы.
Франц Сан Галли , русский бизнесмен прусского происхождения, проживавший в Санкт-Петербурге , изобрел радиатор между 1855 и 1857 годами, что стало важным шагом в окончательном формировании современного центрального отопления. [17] [18] Викторианский чугунный радиатор получил широкое распространение к концу 19 века, поскольку такие компании, как American Radiator Company , расширили рынок недорогих радиаторов в США и Европе.
Источник энергии, выбранный для системы центрального отопления, различается в зависимости от региона. Основной источник энергии выбирается на основе стоимости, удобства, эффективности и надежности. Стоимость энергии на отопление является одной из основных затрат на эксплуатацию здания в холодном климате. Некоторые центральные отопительные установки могут переключаться на другие виды топлива из соображений экономии и удобства; например, владелец дома может установить дровяную печь с резервным электрическим питанием для периодической работы без присмотра.
Твердое топливо, такое как древесина , торф или уголь, можно складировать в месте использования, но его неудобно использовать и трудно контролировать автоматически. Древесное топливо по-прежнему используется там, где его много, и жильцы здания не против работы, связанной с подвозом топлива, удалением золы и поддержанием огня. Системы пеллетного топлива могут автоматически разжигать огонь, но все еще требуют ручного удаления золы. Уголь когда-то был важным топливом для отопления жилых помещений, но сегодня он встречается редко, и бездымное топливо предпочитают в качестве замены в открытых каминах или печах .
Жидкое топливо — это нефтепродукты, такие как печное топливо и керосин . Они по-прежнему широко применяются там, где другие источники тепла недоступны. Топочное масло может автоматически сжигаться в системе центрального отопления и не требует удаления золы и незначительного обслуживания системы сгорания. Однако изменчивая цена на нефть на мировых рынках приводит к неустойчивым и высоким ценам по сравнению с некоторыми другими источниками энергии. Институциональные системы отопления (например, офисные здания или школы) могут использовать низкосортное, недорогое бункерное топливо для работы своих отопительных установок, но капитальные затраты высоки по сравнению с более простыми в управлении жидкими видами топлива.
Природный газ является распространенным топливом для отопления в Северной Америке и Северной Европе. Газовые горелки автоматически контролируются и не требуют удаления золы и минимального обслуживания. Однако не во всех районах есть доступ к системе распределения природного газа. Сжиженный нефтяной газ или пропан можно хранить в месте использования и периодически пополнять с помощью мобильного резервуара, установленного на грузовике.
В некоторых районах электроэнергия стоит недорого, что делает электрическое отопление экономически выгодным. Электроотопление может быть либо чисто резистивным, либо использовать систему теплового насоса для использования низкопотенциального тепла в воздухе или земле.
Система централизованного теплоснабжения использует централизованно расположенные котлы или водонагреватели и распределяет тепловую энергию между отдельными потребителями, циркулируя горячую воду или пар. Это имеет преимущество центрального высокоэффективного преобразователя энергии, который может использовать наилучшие доступные средства контроля загрязнения и который эксплуатируется профессионально. Система централизованного теплоснабжения может использовать источники тепла, которые непрактично размещать в отдельных домах, такие как тяжелая нефть, побочные продукты переработки древесины или ядерное деление. Распределительная сеть более затратна в строительстве, чем для газового или электрического отопления, и поэтому встречается только в густонаселенных районах или компактных сообществах.
Не все системы центрального отопления требуют покупной энергии. Несколько зданий обслуживаются местным геотермальным теплом, используя горячую воду или пар из местной скважины для обеспечения отопления здания. Такие районы встречаются редко. Пассивная солнечная система не требует покупного топлива, но должна быть тщательно спроектирована для участка.
Выходная мощность обогревателя измеряется в киловаттах или БТЕ в час. Для размещения в доме необходимо рассчитать обогреватель и уровень выходной мощности, требуемый для дома. Этот расчет достигается путем записи различных факторов, а именно, что находится выше и ниже комнаты, которую вы хотите обогреть, сколько в ней окон, тип внешних стен в собственности и ряд других факторов, которые будут определять уровень тепловой мощности, необходимый для адекватного обогрева помещения. Этот расчет называется расчетом теплопотерь и может быть выполнен с помощью калькулятора БТЕ. В зависимости от результата этого расчета обогреватель может быть точно подобран для дома. [19] [20] [21]
Выработка тепла может быть измерена с помощью распределителей затрат на тепло , так что каждый блок может быть оплачен индивидуально, даже если имеется только одна централизованная система.
Циркулирующая горячая вода может использоваться для центрального отопления. Иногда эти системы называют системами гидравлического отопления . [22]
К общим компонентам системы центрального отопления с циркуляцией воды относятся:
Системы циркуляции воды используют замкнутый контур; одна и та же вода нагревается, а затем снова нагревается. Герметичная система обеспечивает форму центрального отопления, в которой вода, используемая для отопления, циркулирует независимо от обычного водоснабжения здания.
Расширительный бак содержит сжатый газ, отделенный от воды в герметичной системе диафрагмой. Это позволяет нормальным колебаниям давления в системе. Предохранительный клапан позволяет воде выходить из системы, когда давление становится слишком высоким, и клапан может открыться для пополнения воды из обычного водоснабжения, если давление падает слишком низко. Герметичные системы предлагают альтернативу системам с открытым вентилем, в которых пар может выходить из системы и заменяется из водоснабжения здания через систему подачи и центрального хранения.
Системы отопления в Великобритании и других частях Европы обычно объединяют потребности отопления помещений с бытовым нагревом горячей воды. Такие системы встречаются реже в США. В этом случае нагретая вода в герметичной системе протекает через теплообменник в баке с горячей водой или водонагревателе , где она нагревает воду из обычного питьевого водоснабжения для использования в кранах с горячей водой или в таких приборах, как стиральные машины или посудомоечные машины .
Системы водяного лучистого напольного отопления используют котел или центральное отопление для нагрева воды и насос для циркуляции горячей воды в пластиковых трубах, установленных в бетонной плите. Трубы, встроенные в пол, переносят нагретую воду, которая проводит тепло к поверхности пола, где она передает тепловую энергию в комнату наверху. Системы водяного отопления также используются с антифризными растворами в системах таяния льда и снега для пешеходных дорожек, парковок и улиц. Они чаще используются в коммерческих и многоквартирных проектах лучистого напольного отопления, тогда как системы электрического лучистого отопления чаще используются в небольших приложениях «точечного обогрева».
Система парового отопления использует высокую скрытую теплоту , которая выделяется при конденсации пара в жидкую воду. В системе парового отопления каждая комната оборудована радиатором, который подключен к источнику пара низкого давления (бойлеру). Пар, поступающий в радиатор, конденсируется и отдает свою скрытую теплоту, возвращаясь в жидкую воду. Радиатор, в свою очередь, нагревает воздух в комнате и обеспечивает некоторое количество прямого лучистого тепла . Конденсатная вода возвращается в бойлер либо под действием силы тяжести, либо с помощью насоса. Некоторые системы используют только одну трубу для комбинированного возврата пара и конденсата. Поскольку захваченный воздух препятствует надлежащей циркуляции, такие системы имеют выпускные клапаны, позволяющие выпускать воздух. В жилых и небольших коммерческих зданиях пар вырабатывается при относительно низком избыточном давлении, менее 15 фунтов на кв. дюйм (100 кПа). [ необходима цитата ]
Системы парового отопления редко устанавливаются в новых односемейных жилых домах из-за стоимости установки трубопроводов. Трубы должны быть тщательно наклонены, чтобы предотвратить закупорку конденсата. По сравнению с другими методами отопления, сложнее контролировать выход паровой системы. Однако пар можно направлять, например, между зданиями в кампусе, чтобы использовать эффективный центральный котел и дешевое топливо. Высотные здания используют преимущество низкой плотности пара, чтобы избежать избыточного давления, необходимого для циркуляции горячей воды из котла, установленного в подвале. В промышленных системах технологический пар, используемый для выработки электроэнергии или других целей, также может быть использован для отопления помещений. Пар для систем отопления также может быть получен из котлов-утилизаторов, использующих в противном случае потерянное тепло промышленных процессов. [23]
Электрическое отопление или резистивное отопление преобразует электричество непосредственно в тепло. Электрическое отопление часто дороже, чем тепло, вырабатываемое такими устройствами, как природный газ, пропан и нефть. Электрическое резистивное отопление может обеспечиваться плинтусными обогревателями, обогревателями помещений, лучистыми обогревателями, печами, настенными обогревателями или системами хранения тепла.
Электронагреватели обычно являются частью фанкойла, который является частью центрального кондиционера. Они обеспечивают циркуляцию тепла, продувая воздух через нагревательный элемент , который подается в печь через возвратные воздуховоды. Воздуходувки в электрических печах перемещают воздух через одну-пять резистивных катушек или элементов, которые обычно рассчитаны на пять киловатт. Нагревательные элементы активируются по одному, чтобы избежать перегрузки электрической системы. Перегрев предотвращается с помощью защитного выключателя, называемого предельным контроллером или конечным выключателем. Этот предельный контроллер может отключить печь, если вентилятор выходит из строя или что-то блокирует поток воздуха. Затем нагретый воздух отправляется обратно через дом через приточные воздуховоды.
В крупных коммерческих помещениях центральное отопление осуществляется с помощью воздухообрабатывающего агрегата , который включает в себя те же компоненты, что и печь, но большего размера.
Печь данных использует компьютеры для преобразования электроэнергии в тепло и одновременной обработки данных.
Воздушный тепловой насос может использоваться для кондиционирования воздуха в здании в жаркую погоду и для обогрева здания с использованием тепла, извлеченного из наружного воздуха в холодную погоду. Воздушные тепловые насосы, как правило, неэкономичны при наружных температурах намного ниже нуля. В более холодном климате геотермальные тепловые насосы могут использоваться для извлечения тепла из земли. В целях экономии эти системы рассчитаны на средние низкие зимние температуры и используют дополнительное отопление в условиях экстремально низких температур. Преимущество теплового насоса заключается в том, что он снижает закупаемую энергию, необходимую для отопления здания; часто системы геотермального источника также поставляют горячую воду для бытовых нужд. Даже в местах, где ископаемое топливо обеспечивает большую часть электроэнергии, геотермальная система может компенсировать производство парниковых газов , поскольку большая часть тепла поступает из окружающей среды, а потребление электроэнергии составляет всего 15–30%. [24]
Общественная и коммерческая недвижимость напрямую и косвенно ответственна за 30% конечной энергии, потребляемой во всем мире, включая почти 55% мирового потребления электроэнергии. [25] Отопление в настоящее время ответственно за около 45% выбросов зданий и по-прежнему зависит от ископаемого топлива для обеспечения более 55% своего конечного потребления энергии. [25]
Около 4,3 Гт CO 2 было выброшено в атмосферу в 2019 году для отопления зданий, если учитывать выбросы от прямого сжигания ископаемого топлива, а также от предшествующего производства электроэнергии и тепла. Это составляет почти 12% мировых выбросов CO 2 , связанных с энергетикой и процессами. [25]
С точки зрения энергоэффективности значительное количество тепла теряется или тратится впустую, если отопление требуется только одной комнате, поскольку центральное отопление имеет потери при распределении и (особенно в случае систем принудительной вентиляции) может обогревать некоторые незанятые комнаты без необходимости. В таких зданиях, которым требуется изолированное отопление, можно рассмотреть нецентральные системы, такие как индивидуальные комнатные обогреватели, камины или другие устройства. В качестве альтернативы архитекторы могут проектировать новые здания, которые могут фактически исключить необходимость в отоплении, например, построенные по стандарту пассивного дома .
Однако, если здание нуждается в полном отоплении, центральное отопление с сжиганием может быть более экологически чистым решением, чем электрическое резистивное отопление . Это применимо, когда электричество поступает с электростанции, работающей на ископаемом топливе , при этом до 60% энергии в топливе теряется (если только оно не используется для централизованного отопления ) и около 6% в потерях при передаче . В Швеции существуют предложения по поэтапному отказу от прямого электрического отопления по этой причине (см. поэтапный отказ от нефти в Швеции ). Ядерные, ветровые, солнечные и гидроэлектрические источники снижают этот фактор.
Напротив, системы центрального отопления горячей водой могут использовать воду, нагретую в здании или рядом с ним с помощью высокоэффективных конденсационных котлов , биотоплива или централизованного теплоснабжения . Мокрое напольное отопление оказалось идеальным. Это дает возможность относительно легкого преобразования в будущем для использования развивающихся технологий, таких как тепловые насосы и солнечные комбисистемы , тем самым также обеспечивая задел на будущее .
Типичные показатели эффективности центрального отопления (измеряемые при покупке энергии потребителем) составляют:
Резервуары для хранения нефти, особенно подземные резервуары , также могут оказывать воздействие на окружающую среду. Даже если система отопления здания давно была переведена с нефти, нефть все еще может оказывать воздействие на окружающую среду, загрязняя почву и грунтовые воды. Владельцы зданий могут оказаться ответственными за удаление заглубленных резервуаров и расходы на рекультивацию.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )