中央供暖
編輯中央供暖系統為建筑物內的多個空間提供溫暖,并且可選地還能夠從一個主要熱源加熱生活熱水。它是供暖、通風和空調(HVAC)系統的組成部分,可以為室內空間降溫和取暖。
概述
編輯中央供暖與空間供暖的不同之處在于熱量產生發生在一個地方,例如房屋中的爐房或地下室或大型建筑物中的機械室(盡管不一定在幾何中心點)。熱量分布在整個建筑物中,通常是通過管道系統的強制空氣、通過管道循環的水或通過管道輸送的蒸汽。最常見的產熱方法是在熔爐或鍋爐中燃燒化石燃料。在大部分溫帶氣候區,自二戰前以來,大多數獨立式住宅都安裝了中央供暖系統。在容易獲得煤炭的地方(即賓夕法尼亞州東北部的xxx煤地區),燃煤蒸汽或熱水系統很常見。在20世紀后期,這些被更新為燃燒燃料油或天然氣,無需在鍋爐附近設置大型儲煤倉,也無需清除和丟棄煤灰。熱水或蒸汽加熱的更便宜的替代品是強制熱空氣。爐子燃燒燃料油,在熱交換器中加熱空氣,鼓風機將加熱的空氣通過管道網絡循環到建筑物的房間。該系統更便宜,因為空氣通過一系列管道而不是管道移動,并且不需要安裝管道鉗工。地板托梁之間的空間可以裝箱并用作一些管道系統,進一步降低成本。電加熱系統不太常見,僅在使用低成本電力或使用地源熱泵時才實用。考慮到熱電站和電阻加熱的聯合系統,整體效率將低于直接使用化石燃料進行空間加熱。其他一些建筑物使用中央太陽能供暖,在這種情況下,分配系統通常使用水循環。這種系統的替代品是燃氣加熱器和區域供暖。區域供熱利用來自工業過程或發電廠的廢熱為鄰近的建筑物提供熱量。與熱電聯產類似,這需要地下管道來循環熱水或蒸汽。
中央供暖歷史
編輯古代韓國
在當今朝鮮的考古遺址中發現了炕的使用。在現在的朝鮮咸鏡北道Unggi發現的新石器時代考古遺址,大約在公元前5000年,在挖掘出的住宅中顯示出明顯的gudeul遺跡(韓語:??)。傳統暖炕的主要組成部分是可從相鄰房間(通常是廚房或主臥室)進入的agungi(火箱或火爐)、水平煙道下方的凸起磚石地板,以及對面外墻上的垂直獨立煙囪,提供草稿。加熱的地板由石墩或擋板支撐以分散煙霧,上面覆蓋著石板、粘土和油紙等不透水層。早期的炕開始是為家庭和烹飪提供暖氣的gudeul。當在爐子里生火煮飯做晚餐時,由于煙道入口在爐子旁邊,火焰會水平延伸。這種安排是必不可少的,因為它不會讓煙霧向上傳播,這會導致火焰過早熄滅。當火焰穿過煙道入口時,它會隨著煙霧被引導通過通道網絡。整個房間都將建在爐煙道上,以創建暖炕地板房間。傳統上,暖炕在1960年代之前在大多數韓國家庭中被用作坐著、吃飯、睡覺和其他消遣的生活空間。韓國人習慣坐在地板上睡覺,在矮桌而不是高高的桌子上工作和吃飯。爐子主要燃燒稻草、農作物廢料、生物質或任何種類的干柴。對于短期烹飪,首選稻草或農作物廢料,而長時間烹飪和地暖則需要更長時間燃燒的木柴。與現代熱水器不同,燃料要么偶爾燃燒,要么定期燃燒(一天2到5次),具體取決于烹飪頻率和季節性天氣條件。
古羅馬和希臘
古希臘人最初開發了集中供暖。以弗所圣殿被種植在地下的煙道加熱,并循環著火產生的熱量。羅馬帝國的一些建筑物使用中央供暖系統,將由爐子加熱的空氣通過地板下的空白空間和墻壁中的管道(稱為caliducts)——這種系統被稱為低燒。在古代晚期和倭馬亞哈里發時期,羅馬的大屠殺繼續以較小的規模使用,而后來的穆斯林建筑商則采用了更簡單的地下管道系統。羅馬帝國崩潰后,在歐洲絕大多數地區,近一千年的時間里,取暖都恢復了更原始的壁爐。在中世紀早期的阿爾卑斯高地,一個更簡單的中央供暖系統(熱量從爐房通過地板下的通道傳播)在某些地方取代了羅馬的大屠殺。在賴歇瑙修道院,一個相互連接的地下通道網絡在冬季為僧侶的300平方米大集會室供暖。系統的效率程度經計算為90%。在13世紀,西多會的僧侶們使用河流改道和室內燃木火爐恢復了基督教歐洲的中央供暖系統。西班牙阿拉貢地區埃布羅河上保存完好的摩天輪圣母皇家修道院(始建于1202年)提供了這種應用的一個很好的例子。
現代中央供暖系統
中央供暖的三種主要方法是在18世紀末至19世紀中葉發展起來的。
熱氣
WilliamStrutt于1793年在德比設計了一座帶有中央熱風爐的新工廠,盡管這個想法在大約一百年前就已經由JohnEvelyn提出。Strutt的設計包括一個大火爐,該火爐通過一個大的地下通道從外部加熱空氣。空氣通過大型中央管道通過建筑物進行通風。1807年,他與另一位杰出的工程師查爾斯·西爾維斯特合作建造了一座新建筑,以容納德比皇家醫院。Sylvester在為新醫院應用Strutt的新型供暖系統方面發揮了重要作用。他在《國內經濟哲學》上發表了他的觀點;正如1819年在德比郡綜合醫院的取暖、通風、洗滌、烘干和烹飪模式中所體現的那樣。-清潔和空氣清新的廁所。醫務室的新型加熱系統使患者能夠呼吸新鮮的熱空氣,而舊空氣則被引導至中心的玻璃和鐵制圓頂。他們的設計被證明是非常有影響力的。它們在中部地區的新工廠中被廣泛復制并不斷改進,隨著deChabannes在1810年代下議院通風方面的工作達到成熟。在本世紀余下的時間里,該系統仍然是小型建筑供暖的標準。
蒸汽
英國作家休·普拉特在1594年為溫室提出了一種基于蒸汽的中央供暖系統,盡管這是一個孤立的事件,直到18世紀才被跟進。可口可樂上校設計了一個管道系統,可以將中央鍋爐的蒸汽輸送到房子周圍,但蘇格蘭發明家詹姆斯瓦特是xxx個在他的房子里建造工作系統的人。中央鍋爐提供高壓蒸汽,然后通過嵌入柱子中的管道系統在建筑物內分配熱量。他在曼徹斯特的一家紡織廠大規模實施了該系統。羅伯遜·布坎南(RobertsonBuchanan)在1807年和1815年發表的論文中對這些裝置進行了明確的描述。托馬斯·特雷戈德(ThomasTredgold)的著作《公共建筑供暖和通風原理》描述了將熱蒸汽加熱應用于較小的非工業建筑的方法。到19世紀后期,這種方法已經取代了熱空氣系統。
熱水
早期的熱水系統在古羅馬被用于加熱Therm?。另一個早期的熱水系統是在俄羅斯開發的,用于圣彼得堡彼得大帝的頤和園(1710-1714年)的集中供暖。稍晚一點,即1716年,瑞典首次使用水為建筑物供暖。瑞典工程師M?rtenTriewald將這種方法用于泰恩河畔紐卡斯爾的溫室。法國建筑師JeanSimonBonnemain(1743–1830)在巴黎附近的ChateauduPêcq的合作社中將這項技術引入工業界。然而,這些分散的嘗試是孤立的,主要局限于溫室的應用。Tredgold最初認為它的使用不切實際,但在1836年改變了主意,當時該技術進入了快速發展的階段。早期的系統使用低壓水系統,這需要非常大的管道。1830年代,AngierMarchPerkins在倫敦安裝了xxx批彌補這一缺陷的現代熱水中央供暖系統。當時,中央供暖在英國開始流行,通常使用蒸汽或熱空氣系統。Perkins的1832設備在200攝氏度(392°F)下通過高壓小直徑管道分配水。使系統可行的一項關鍵發明是螺紋接頭,它允許管道之間的接頭承受與管道本身相似的壓力。他還將鍋爐與熱源分開,以降低爆炸的風險。xxx個單元安裝在英格蘭銀行行長約翰霍斯利帕爾默的家中,以便他可以在英格蘭寒冷的氣候下種植葡萄。他的系統安裝在全國各地的工廠和教堂中,其中許多系統在150多年內一直處于可用狀態。他的系統也適用于面包師加熱烤箱和用木漿造紙。居住在圣彼得堡的普魯士出生的俄羅斯商人弗朗茨·圣加利(FranzSanGalli)在1855年至1857年間發明了散熱器,這是現代中央供暖系統最終成型的重要一步。隨著美國散熱器公司等公司在美國和歐洲擴大低成本散熱器市場,維多利亞時代的鑄鐵散熱器在19世紀末開始普及。
能源
編輯為中央供暖系統選擇的能源因地區而異。一次能源的選擇基于成本、便利性、效率和可靠性。供暖的能源成本是在寒冷氣候下運營建筑物的主要成本之一。一些集中供熱廠出于經濟和方便的原因可以轉換燃料;例如,房主可能會安裝一個帶有備用電源的燃木爐,以便偶爾進行無人看管的操作。木材、泥炭或煤等固體燃料可以在使用點進行儲存,但處理不便且難以自動控制。木材燃料仍然在供應充足的地方使用,并且建筑物的居住者不介意運輸燃料、清除灰燼和照料火災所涉及的工作。顆粒燃料系統可以自動助燃,但仍需要手動清除灰燼。煤炭曾經是一種重要的住宅供暖燃料,但如今已不常見,xxx燃料是開放式壁爐或火爐的首選替代品。液體燃料是石油產品,例如取暖油和煤油。在其他熱源不可用的情況下,這些仍然被廣泛應用。燃油可在中央供暖系統中自動燃燒,無需除灰,燃燒系統幾乎不需要維護。然而,與其他一些能源相比,世界市場上的石油價格波動導致價格不穩定且價格偏高。機構供暖系統(例如辦公樓或學校)可以使用低品位、廉價的船用燃料來運行其供熱廠,但與更易于管理的液體燃料相比,資本成本較高。天然氣是北美和北歐廣泛使用的取暖燃料。燃氣燃燒器是自動控制的,不需要除灰和很少的維護。然而,并非所有地區都可以使用天然氣分配系統。液化石油氣或丙烷可以在使用點儲存,并通過車載移動罐定期補充。一些地區的電力成本較低,使電加熱在經濟上可行。電加熱可以是純電阻式加熱,也可以使用熱泵系統來利用空氣或地面中的低品位熱量。區域供熱系統使用位于中央的鍋爐或熱水器,并通過循環熱水或蒸汽將熱能循環給各個客戶。這具有中央高效能量轉換器的優勢,而不是可以使用xxx的可用污染控制,并且是專業操作的。區域供熱系統可以使用不切實際的熱源來部署到個人家庭,例如重油、木材副產品或(假設的)核裂變。與燃氣或電加熱相比,配電網絡的建設成本更高,因此僅在人口稠密地區或緊湊社區中存在。并非所有的中央供暖系統都需要購買能源。一些建筑物由當地的地熱供暖,使用當地井中的熱水或蒸汽來提供建筑物熱量。這樣的區域并不常見。被動式太陽能系統不需要購買燃料,但需要為現場精心設計。
計算所需加熱器的輸出
編輯加熱器輸出以千瓦或BTU/小時為單位。對于放置在房屋中,需要計算加熱器和房屋所需的輸出水平。這個計算是通過記錄各種因素來實現的——即,您希望加熱的房間的上方和下方、有多少窗戶、物業中的外墻類型以及將確定水平的各種其他因素充分加熱空間所需的熱量輸出。這種計算稱為熱損失計算,可以使用BTU計算器完成。根據該計算的結果,加熱器可以與房屋完全匹配。
計費
熱量輸出可以通過熱量成本分配器來衡量,因此即使只有一個集中式系統,每個單元也可以單獨計費。
集中供暖的種類
編輯水加熱
循環熱水可用于集中供暖。有時這些系統被稱為循環加熱系統。使用水循環的中央供暖系統的常見組件包括:
- 燃料、電力或區域供熱供應線的供應
- 加熱系統中的水的鍋爐(或用于區域供熱的熱交換器)
- 泵使水循環
- 熱水器通過散熱器將熱量釋放到房間中。
循環水系統采用閉環;相同的水被加熱,然后再加熱。密封系統提供了一種中央供暖形式,其中用于供暖的水獨立于建筑物的正常供水循環。膨脹罐包含壓縮氣體,通過隔膜與密封系統水分離。這允許系統中壓力的正常變化。當壓力過高時,安全閥允許水從系統中逸出,如果壓力下降過低,閥門可以打開以補充正常供水中的水。密封系統提供了開放式通風系統的替代方案,其中蒸汽可以從系統中逸出,并通過進水和中央存儲系統從建筑物的供水中替代。英國和歐洲其他地區的供暖系統通常將空間供暖與家庭熱水供暖的需求結合起來。這些系統在美國不太常見。在這種情況下,密封系統中的熱水流經熱水箱或熱水缸中的熱交換器,在此加熱來自常規飲用水供應的水,用于熱水水龍頭或洗衣機等電器或洗碗機。水力輻射地板采暖系統使用鍋爐或區域供暖來加熱水,并使用泵在安裝在混凝土板上的塑料管道中循環熱水。嵌入地板的管道攜帶熱水,將熱量傳導到地板表面,然后將熱能傳播到上面的房間。水力加熱系統也用于人行道、停車場和街道的冰雪融化系統中的防凍液。它們更常用于商業和全屋地板輻射熱項目,而電輻射熱系統更常用于較小的局部加熱應用。
蒸汽加熱
蒸汽加熱系統利用蒸汽冷凝成液態水時釋放的高潛熱。在蒸汽加熱系統中,每個房間都配備一個散熱器,該散熱器連接到低壓蒸汽源(鍋爐)。進入散熱器的蒸汽冷凝并釋放其潛熱,返回液態水。散熱器反過來加熱房間的空氣,并提供一些直接的輻射熱。冷凝水通過重力或在泵的幫助下返回鍋爐。一些系統僅使用一條管道來組合蒸汽和冷凝水返回。由于截留的空氣阻礙了正常循環,因此此類系統具有排氣閥以允許空氣被清除。在家用和小型商業建筑中,蒸汽在相對較低的壓力下產生,小于15psig(200kPa)。由于管道安裝成本,蒸汽加熱系統很少安裝在新的單戶住宅建筑中。管道必須小心傾斜,以防止冷凝水堵塞。與其他加熱方法相比,蒸汽系統的輸出更難控制。然而,例如,可以在校園內的建筑物之間輸送蒸汽,以允許使用高效的中央鍋爐和低成本的燃料。高層建筑利用低密度的蒸汽來避免從安裝在地下室的鍋爐中循環熱水所需的過大壓力。在工業系統中,用于發電或其他用途的工藝蒸汽也可用于空間加熱。用于加熱系統的蒸汽也可以從熱回收鍋爐中獲得,使用來自工業過程的其他廢熱。
電熱
電加熱或電阻加熱將電能直接轉化為熱能。電熱通常比天然氣、丙烷和石油等燃燒設備產生的熱更昂貴。電阻熱可由踢腳板加熱器、空間加熱器、輻射加熱器、熔爐、壁式加熱器或蓄熱系統提供。電加熱器通常是作為中央空調一部分的風機盤管的一部分。它們通過將空氣吹過加熱元件來循環熱量,加熱元件通過回風管道供應給爐子。電爐中的鼓風機將空氣吹過一到五個電阻線圈或通常額定為5千瓦的元件。加熱元件一次激活一個,以避免電氣系統過載。稱為限位控制器或限位開關的安全開關可防止過熱。如果鼓風機發生故障或有什么東西阻塞了氣流,這個限制控制器可能會關閉爐子。然后加熱的空氣通過供應管道送回家中。在較大的商業應用中,中央供暖是通過空氣處理器提供的,該空氣處理器包含與熔爐類似的組件,但規模更大。數據爐使用計算機將電能轉化為熱能,同時處理數據。
熱泵
在溫和的氣候中,空氣源熱泵可用于在炎熱天氣對建筑物進行空氣調節,并在寒冷天氣使用從室外空氣中提取的熱量為建筑物取暖。對于遠低于冰點的室外溫度,空氣源熱泵通常不經濟。在較冷的氣候中,地熱熱泵可用于從地下提取熱量。
出于經濟考慮,這些系統專為冬季平均低溫而設計,并在極端低溫條件下使用補充加熱。熱泵的優點是減少了建筑供暖所需的外購能源;通常地熱源系統也供應生活熱水。即使在化石燃料提供大部分電力的地方,地熱系統也可以抵消溫室氣體的產生,因為大部分熱量來自周圍環境。
環境方面
編輯從能源效率的角度來看,如果只有一個房間需要供暖,則相當多的熱量會損失或浪費掉,因為中央供暖會造成分配損失,并且(特別是在強制空氣系統的情況下)可能會在不需要加熱一些無人居住的房間的情況下進行加熱。在需要隔離供暖的此類建筑物中,可能希望考慮非中央系統,例如單獨的房間加熱器、壁爐或其他設備。或者,建筑師可以設計幾乎可以消除供暖需求的新建筑,例如按照被動房標準建造的建筑。但是,如果建筑物確實需要全面供暖,燃燒式集中供暖可能會提供比電阻供暖更環保的解決方案。這適用于電力來自化石燃料發電站的情況,燃料損失高達60%的能量(除非用于區域供熱),傳輸損失約6%。出于這個原因,瑞典提出了逐步淘汰直接電加熱的提議(參見瑞典的石油淘汰)。核能、風能、太陽能和水力發電減少了這一因素。相比之下,熱水中央供暖系統可以使用高效冷凝鍋爐、生物燃料或區域供暖在建筑物內或建筑物附近加熱水。濕式地暖已被證明是理想的選擇。這提供了在未來相對容易轉換以使用熱泵和太陽能組合系統等開發技術的選項,從而也提供了面向未來的選擇。中央供暖的典型效率(在客戶購買能源時測量)為:燃氣供暖為65–97%;燃油供暖為80-89%,燃煤供暖為45-60%。儲油罐,尤其是地下儲油罐,也會影響環境。即使建筑物的供暖系統很久以前是用石油改造的,石油仍可能通過污染土壤和地下水來影響環境。建筑業主可能會發現自己有責任拆除埋藏的水箱和修復費用。
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