В климатических условиях Украины отопительный сезон составляет половину года. Поэтому без преувеличений можно утверждать, что гражданин Украины треть жизни проводит в отапливаемом помещении. Это обстоятельство заставляет серьезно отнестись к выбору системы отопления и тепловых приборов. Кроме того, в связи с резким увеличением цен на энергоносители особое значение имеют способы экономии топлива без ущерба для комфорта жилища.
    Как известно, теплота передается тремя способами: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность — перенос теплоты в твердых телах от нагретых участков к холодным вследствие теплового движения молекул, атомов и свободных электронов. Коэффициент теплопроводности (Вт/м. град) характеризует интенсивность передачи тепла через стенку из конкретного материала. Материал отопительных батарей (радиаторов): Чугун — 50, Сталь — 58, Цинк — 110, Алюминий — 220, Медь — 410. Лучше всего работал бы полностью медный радиатор, но это слишком дорого. Строительные (изоляционные) материалы:
Мрамор — 2,91, Железобетон — 2,04, Бетон — 1,86, Известняк, Кирпич силикатный — 0,88, Кирпич глиняный — 0,80, Стекло оконное — 0,78, Керамзитобетон — 0,75, Дерево — 0,35, Плиты древесные — 0,25, Плиты изоляционно-утеплительные — 0,10-0,06. Отсюда видно, что наиболее холодные дома из железобетона, а самый «теплый» строительный материал — пенобетон.
Конвекция — перенос теплоты в жидкости или газе за счет перемешивания их объемов при нагревании. Коэффициент теплопередачи конвекцией сильно зависит от скорости перемешивания нагреваемого объема. В старых системах отопления нагретая в котелке вода поступает к батареям гравитационным путем — теплая вода поднимается вверх, холодная по «обратке» возвращается в котелок. Самая естественная конвекция очень неэффективна, поэтому в современных системах отопления обязательно применяется циркуляционная водяная помпа, которая в несколько раз увеличивает скорость подачи нагретой воды к батареям отопления. Воздух у самой поверхности радиатора нагревается и поднимается вверх, уступая место новым холодным слоям. Так конвекционно нагревается воздух в помещении.
Излучение — передача тепла излучением электромагнитных волн (лучистой энергии), которое передается через прозрачную среду (воздух). Таким образом, происходит обогрев солнечными лучами, обогрев от костра, от камина, от электронагревателей (спираль в рефлекторе). Любой тип теплового прибора отапливает помещение сложным теплообменом — излучением, конвекцией через воздух, даже теплопроводностью, если прислониться к теплой батарее. Передача тепла
излучением сильно зависит от температуры отопительного прибора.
Целью любой системы отопления является создание комфортной температуры среды обитания человека, т.е. нагрев воздуха в помещении до температуры 18- 20 градусов и поддерживание этого уровня температуры. Воздух передаст комфортную температуру окружающим человека вещам: мебели, посуде, одежде, стенам и т.п. Стены, конечно, часть тепла передадут наружному воздуху, поэтому тепло в помещении нужно непрерывно добавлять, т.е. поддерживать тепловой баланс — сколько тепла ушло наружу, столько надо добавить. Человек по мере необходимости создаст локальный нагрев нужных вещей (на плите) или их охлаждение (в холодильнике).
Система обогрева помещения состоит из теплогенераторов (печей, котлов) и приборов обогрева (батарей, радиаторов). Печь (камин), которая непосредственно обогревает воздух помещения, относится к локальному отоплению. Система, в которой тепло-генератор (котелок) находится в отдельном помещении, а обогрев комнат производится батареями, называется центральным отоплением. Печь относится к простейшим отопительным устройствам и не имеет возможности оперативно регулировать температуру в помещении. Ее надо топить непрерывно или периодически. Она накапливает тепло в своей массе, затем постепенно отдает его излучением через свои внешние поверхности. Часть тепла отдается воздуху конвекцией. Коэффициент полезного действия даже лучших печей не превышает 50 %, то есть половина энергии сжигаемого топлива улетает в трубу.
Система центрального отопления состоит из трех частей, которые мы рассмотрим отдельно:
1) батарей или радиаторов различных конструкций;
2) трубопроводов, переносящих тепло с помощью теплоносителя (воды, пара);
3) котлов для различных видов топлива.
Котел должен быстро нагревать воду в системе, при достижении необходимой температуры выключаться, чтобы экономить топливо. Трубопровод должен очень быстро доставлять нагретую воду к радиаторам и по пути терять поменьше тепла. Радиатор должен быстро нагреть воздух в помещении до заданной температуры и с помощью термоклапана прекратить забор из системы горячей воды.
    Радиаторы водяного отопления
Отопительные радиаторы или многосекционные батареи водяного отопления по конструктивным особенностям разделяются на три группы: секционные емкостные батареи, которые состоят из соединенных последовательно нагревательных секций; панельные обогреватели, которые устанавливаются в один, два или три ряда; конвекционные обогреватели, которые имеют развитое «оребрение» и быстро нагревают воздух в помещении.

ЧУГУННЫЕ СЕКЦИОННЫЕ БАТАРЕИ
— тепловые приборы, которые всем известны с детства. Относятся к устаревшим системам отопления и за рубежом не применяются. Имеют малую поверхность отдачи тепла и низкую теплопроводность металла, производят нагрев в основном излучением и около 20 % тепла передают воздуху конвекцией. Распространенная отечественная секция чугунного радиатора МС-140 имеет вес 7,5 кг, вмещает 4 литра воды, имеет всего 0,23 кв. м площади нагрева. В каждой комнате квартиры надо иметь батарею по 8-10 чугунных секций или даже больше. В большой квартире или особняке вес всех чугунных батарей и воды в них составляет тонны, приходится применять трубы большого диаметра, которые невозможно спрятать в стены. Движение теплоносителя в системе происходит гравитационным путем, что сильно замедляет передачу тепла.
В справочниках подается мощность теплового излучения для чугунной секции МС-140 в размере 160-180 ватт при температуре теплоносителя 90 градусов. Однако эта мощность излучения верна при идеальных (лабораторных) условиях, которые в реальной жизни недостижимы. Поскольку мощность излучения сильно зависит от температуры, то реальная теплоотдача чугунной секции при 60 градусах будет не более 50 ватт. Поступление нагретой воды от котла в чугунную батарею происходит медленно, поэтому чтобы средняя температура всей батареи была 60 градусов, надо обеспечить подачу воды хотя бы с температурой 75 градусов, в «обратку» пойдет вода с температурой около 45 градусов. Подсчитайте, какой мощности должен быть котел, чтобы нагревать тонну воды до температуры 75 градусов. Необходимо учитывать, что десяток градусов потеряется в толстых металлических подводящих трубах, поэтому котел должен выдавать 85-90 градусов и  работать на пределе. Обеспечить температуру чугунной батареи 90 градусов обычными котлами (не паровыми) невозможно, да и небезопасно — обжечься можно и при 70 градусах Цельсия. Для того, чтобы хоть немного увеличить конвекционную отдачу тепла чугунными радиаторами, их рекомендуют размещать только под окнами, чтобы холодный воздух, опускающийся с поверхности стекол, принудительно проходил через радиатор. Эстетика чугунных радиаторов, мягко говоря, несовершенна и портит интерьер, поэтому их прячут за декоративными экранами. Экраны полностью изолируют тепловое излучение во внутрь помещения, оставляя только слабый поток конвекционно обогреваемого воздуха. Чугунному радиатору ничего не остается, как интенсивно нагревать излучением стену, на которой он установлен. Стена, естественно, этот нагрев успешно передает наружному воздуху. Продаются даже отражающие экраны, которые надо приклеивать на стену.
Еще до войны немцы делали секционные чугунные радиаторы с развитыми ребрами, их можно еще обнаружить в немецких особняках Калининграда. Сейчас за рубежом выпускают секционные радиаторы с развитыми ребрами из стали толщиной до 3 мм, каждая секция которых вмещает 1 литр воды и имеет площадь нагрева 0,40 кв. м. Такие радиаторы по принципу действия приближаются к конвекторам, но имеют слишком большую водную емкость.
АЛЮМИНИЕВЫЕ СЕКЦИОННЫЕ БАТАРЕИ
— более совершенная конструкция, в которой применен материал с очень большим коэффициентом теплопередачи в виде алюминиевого сплава. Секция алюминиевого радиатора имеют глубину всего 110 мм (чугунная 140 мм), водная емкость составляет около 0,5 литра, площадь нагрева 0,4 кв. м и толщина
стенки 2-3 мм. Алюминиевые секционные радиаторы около 50 % тепла отдают излучением, остальное — конвекцией. Некоторые типы алюминиевых радиаторов имеют сильно развитую поверхность в виде дополнительных тонких ребер, размещенных внутри секции, при этом площадь нагрева одной секции возрастет до 0,5 кв. м. И передача тепла конвекцией
возрастет до 60 %. Тепловая мощность одной секции декларируется изготовителями до 160 ватт, реальная — не менее 110 ватт при температуре теплоносителя 90 градусов, вес секций менее 2 кг. Внешне алюминиевые секционные радиаторы выглядят достаточно эстетично, имеют небольшой вес, удобны для монтажа на поверхности стен. Благодаря уменьшенному объему воды в секциях алюминиевые радиаторы хорошо поддаются регулированию с помощью термозапорных клапанов и термочувствительных головок. Терморегулирующие элементы, которыми необходимо снабжать все алюминиевые радиаторы, позволяют ограничивать проток горячей воды через радиатор при достижении заданной температуры в комнате. Тепловая инерция алюминиевого радиатора невелика, поэтому термоклапан отреагирует на изменение температуры в комнате буквально за 7-10 минут — откроет или прикроет доступ горячей воды в радиатор, в результате чего достигается экономия топлива до 30 %. В чугунных радиаторах тепловая инерция очень большая и составляет более одного часа, поэтому о регулировании теплоотдачи и экономии топлива говорить не приходится.
К сожалению, секционные алюминиевые радиаторы имеют недостатки, ограничивающие их применение:
1) основной и самый крупный недостаток — подверженность электрохимической коррозии при ошибках и монтаже. Дело в том, что некоторые материалы составляют так называемые электролитные пары — при их соединении в среде электролита возникает электрохимическая реакция, при которой подвергается электрохимической коррозии один из пары металлов и быстро разрушается. Вообще-то алюминиевые сплавы слабо подвержены коррозии, но в паре с медью в жидкой недистиллированной среде (слабом электролите) разрушаются интенсивно — алюминий превращается в белый порошок. Такое явление можно наблюдать на старых батарейках для карманных фонариков. Если алюминиевый радиатор соединен с медными трубопроводами или с котлом, который имеет медный теплообменник (а все современные настенные газовые и электрические котлы имеют медные теплообменники), то это может привести к быстрой электрокоррозии радиатора. Только монтаж пластиковыми трубами, которые являются изоляторами, может спасти положение;
2) стенки алюминиевых радиаторов стараются делать как можно тоньше для лучшей теплопередачи, поэтому они недостаточно прочны и при неловком ударе о радиатор (например, углом мебели) секция может лопнуть, часто повреждения происходят и при монтаже — превышение необходимого усилия при вкручивании ниппеля или клапана приводит к разрушению. При изготовлении радиаторов применяется литье под давлением, поэтому возможен скрытый брак в виде
внутренних раковин, который выявляется только в процессе эксплуатации;
3) несколько мелких недостатков: недостаточно мала водяная емкость радиаторов, что снижает эффективность регулирования температуры; около половины тепла передается излучением, что вызывает сильный нагрев стены, на которой установлен радиатор — а это значительные потери; при работе котла с полной мощностью температура на поверхности алюминиевого радиатора достигает 80 градусов, что небезопасно; при высокой температуре поверхности радиатора (более 70 градусов) происходит нездоровая положительная ионизация воздуха в помещении (ощущение «как перед грозой»); высокая температура поверхности алюминиевого радиатора сильно сушит воздух в помещении (влажность ниже 35 % вызывает неприятные ощущения).
ПАНЕЛЬНЫЕ СТАЛЬНЫЕ БАТАРЕИ
— попытка совместить свойства секционных радиаторов с конвекционными. Такой радиатор представляет собой две стальные пластины, между которыми циркулирует теплоноситель. Пластины имеют толщину 1,2 мм, соединены между собой точечной электросваркой, содержат выштампованные каналы, по которым протекает нагретая вода. Панель размерами с обычный чугунный радиатор имеет толщину 30 мм, но вдвое меньшую теплоотдачу. Для повышения тепловой мощности ставят параллельно две, даже три панели. При двух или трех панелях радиатор передает тепло излучением только внешними плоскостями, поэтому ко всем внутренним плоскостям радиатора приваривают ряды П-образных пластин, которые значительно увеличивают поверхность теплоотдачи, значит внутренние плоскости работают как конвектор. Все эти модернизации не прошли бесследно для конструкции — вес трехпанельного стального радиатора с напором пластин не намного меньше чугунной батареи того же размера, воды содержится тоже немало, что значительно снижает эффективность регулирования температуры, общая толщина радиатора даже больше, чем у чугунного и составляет около 160 мм. Тепловые характеристики не намного лучше, чем у чугунных радиаторов. Тепловая мощность радиаторов в технических материалах приведена для температуры поступающей воды 90 градусов, но при таких объемах воды в системе и весе радиаторов обычный котел такую температуру выдать не сможет. В технических материалах обязательно приводятся коэффициенты уменьшения тепловой мощности радиаторов при более низких температурах (например, при обычной температуре воды в системе 60 градусов мощность снижается в три (!) раза). Основной недостаток такой же, как и у алюминиевых радиаторов — ускоренная коррозия. Отличие только в том, что этот неприятный эффект еще более ярко выражен. Сталь коррозирует в воде со скоростью, 0,1 мм в год даже при благоприятных условиях. Горячую воду центрального отопления к благоприятным условиям отнести трудно, поэтому стальные трубопроводы с толщиной стенки 3-4 мм не выдерживают более 30-40 лет. Пластины панельных радиаторов толщиной 1,2 мм даже теоретически больше 12 лет не выдержат. Дело усугубляется тем, что пластины сварены между собой точечной электросваркой, поэтому сталь в местах
сварки «отпускается», теряет все антикоррозийные свойства и разрушается гораздо быстрее.
К сожалению, в нашей стране ранее не были известны другие типы радиаторов, поэтому панельные на фоне убогих чугунных батарей выглядели современно и получили широкое распространение, этому также способствовала агрессивная реклама фирм-экспортеров. Даже сейчас в рекламе продолжают утверждать о хорошей антикоррозионной защите этих радиаторов. В действительности же — они хорошо покрашены снаружи, а гниют изнутри.
Самым именитым производителем стальных панельных радиаторов является международный концерн REТTIG, который выпускает их в разных странах под торговыми названиями PURMO, RADSON и другими. В Германии такие радиаторы выпускает фирма SCHAFER, в Чехии фирма KORADO, в Польше фирма STARMEX, в Бельгии фирма VEHA и так далее.
КОНВЕКЦИОННЫЕ РАДИАТОРЫ
— тепловые приборы, нацеленные преимущественно на нагрев воздуха. Как ни странно, конвекционные радиаторы в нашей стране применялись с давних пор.
Почти каждый когда-нибудь видел на предприятии отопительное приспособление в виде трубы, на которую рядами наварены ребра. Такие ребристые трубы устанавливали в цехах, на складах, в гаражах для нагрева воздуха в производственных помещениях. Ускорить теплоотдачу конвекцией можно двумя способами — увеличить скорость протока воздуха или увеличить температуру радиатора. Проще было увеличить температуру (об экономии тогда никто не думал), поэтому по трубам прогоняли перегретый пар (паровое отопление). Выпускались также конвекционные радиаторы «комфорт», которые состояли из металлических труб с приваренными вертикальными пластинами, радиаторы устанавливались в один или два этажа, иногда закрывались навесными жестяными кожухами. Польская фирма REGULUS-system выпускает современные конвекционные водяные нагреватели, в конструкцию которых заложены несколько удачных технических решений, защищенных патентами во многих странах.
В качестве материала радиатора выбрана медь (коэффициент теплопередачи — 410) и алюминий (220), это самые теплопроводные из доступных материалов. Причем теплоноситель соприкасается только с медью, а алюминий служит
для изготовления теплопроводящих пластин и корпуса радиатора. При использовании медных трубопроводов вся отопительная система будет состоять из одного самого нейтрального к коррозии материала (теплообменник котла, трубопроводы, радиатор), что значительно увеличивает долговечность.
Вертикальные алюминиевые пластины соединены с горизонтальными медными трубками радиатора путем давления со взаимным прониканием верхних слоев металлов на молекулярном уровне (так называемая «диффузорная» или холодная сварка). При этом площадь теплового контакта становится больше площади сечения самой пластины, чем достигается полная передача тепла между металлами с разной теплопроводностью.
Вертикальные алюминиевые пластины установлены с определенным шагом, который позволяет создать как бы ряды воздуховодов, создающих максимальную вертикальную тягу. Холодный воздух буквально втягивается снизу радиатора и выходит нагретым наверх. Расстояние между пластинами подобрано так, чтобы движение воздуха было не ламинарным (параллельными слоями), а турбулентным (с завихрениями), тогда он лучше прогревается даже при низкой температуре радиатора.
Вертикальные алюминиевые пластины имеют толщину 0,5 мм, которая подобрана совместно с шириной пластин и расстоянием между горизонтальными медными трубками таким образом, чтобы все равноудаленные точки плоскостей соприкосновения с воздухом имели одинаковую температуру, что позволяет интенсивно нагревать воздух по всей высоте его прохождения внутри радиатора.
Применение материалов различной тепло проводимости, а также распределение температур по плоскостям нагрева воздуха позволяет избежать локального перегрева воздуха и образования положительной ионизации, которая неблагоприятно сказывается на самочувствии человека. Даже при максимальной температуре теплоносителя 90 °С воздух в радиаторе соприкасается только с небольшими участками горячих медных трубок общей площадью всего 3,5-4 % от всей площади нагрева.
Теплоноситель в радиаторе поступает в медный вертикальный коллектор, затем распределяется по рядам горизонтальных медных трубок, этим достигается резкое снижение гидравлического сопротивления радиатора, что очень важно для скорости принудительного оборота теплоносителя в закрытых отопительных системах. Соединен коллектор с горизонтальными трубками с помощью тугоплавкого серебросодержащего припоя с температурой плавления 360 °С. Это позволяет использовать конвекторные радиаторы с любым теплоносителем (перегретым паром, трансформаторным маслом и др.) Вертикальные алюминиевые ламелипластины заканчиваются на боковых поверхностях радиаторов специальной формы загибами, которые создают «чешуйчатые» боковые поверхности. Эта «чешуя» не только придает радиатору неплохой внешний вид, но, самое главное, создает очень прочную многослойную боковую поверхность. Алюминиевый радиатор из пластин толщиной всего 0,5 мм имеет вес менее 5 кг, но выдерживает давление до 180 кг. При сильном боковом ударе алюминиевые пластины принимают усилие на себя, деформируются и перераспределяют нагрузку по всей плоскости, не допуская разрыва внутри медных трубок. Поэтому даже сильные внешние повреждения радиатора не выводят его немедленно из строя и позволяют эксплуатировать его до замены.
В радиаторах данной конструкции содержится очень мало воды. Например, в радиаторе длиной 100 см и мощностью 2 кВт содержится теплоносителя всего 0,8 литра. Это позволяет ему при его теплопроводности разогреваться в течении 2-3 минут и реагировать на термозапорный клапан с запаздыванием всего 30 секунд. Такой малой тепловой инерции нет нигде! При использовании этих радиаторов количество воды в системе уменьшается в десятки раз. Например, в очень большой квартире с общей тепловой мощностью радиаторов 20 кВт даже с учетом емкости трубопроводов и котла во всей системе будет 13-15 литров воды — всего полтора ведра! Ее и нагревать и гонять по системе намного легче, чем, например, тонну воды (чугунные радиаторы).
Очень легкосъемные крепления радиатора позволяют его самостоятельно отключить от системы и снять со стены для ее покраски или ремонта. Если радиаторы подсоединяются к трубопроводам через миниатюрные пробковые краны, то снимать их можно без спуска воды из системы и отключения отопления. Малый вес радиаторов и конструкция навесных креплений позволяет их монтировать даже на тонких гипсокартонных перегородках.
Радиаторы имеют корпус без острых углов, температура на поверхности в 3 раза ниже, чем внутри, что позволяет даже по строгим немецким нормам применять их в детских и лечебных учреждениях. При такой минимальной толщине и длине
никакой другой тип радиаторов не имеет такой мощной теплоотдачи. При работе радиатор создает эффект воздушного теплового вентилятора и очень хорошо перемешивает слои воздуха в помещении. Конвекционный радиатор боковыми плоскостями излучает не более 10 % своей мощности, остальное отдает конвекцией, поэтому он не будет бесполезно греть стену. Такой радиатор совсем не обязательно устанавливать под окном, он прекрасно работает в любом удобном или подходящем по дизайну месте.