Дома с автономной системой теплоснабжения и горячего водоснабжения
Комфортное проживание в доме невозможно без эффективно работающих систем горячего водоснабжения (ГВС) и отопления. Современный рынок предлагает внушительный выбор теплового оборудования и множество технических решений, с помощью которых можно устроить эффективные системы отопления и горячего водоснабжения. Однако, как показывает практика, далеко не всегда результат отвечает ожиданиям. Чтобы избежать ошибок в устройстве инженерных сетей дома, следует тщательно изучить технологию монтажа и использовать качественные материалы и оборудование.
Система отопления загородного дома может быть централизованной либо децентрализованной (автономной, индивидуальной). При централизованной системе отопления трубопроводы потребителя подключают напрямую к основной магистральной тепловой сети.
Индивидуальные системы отопления могут быть:
- воздушные,
- водяные,
- с использованием этиленгликоля;
- с использованием масла;
- электрического обогрева.
Водяные системы отопления в качестве теплоносителя используют воду, которая в свою очередь нагревается котлом и, проходя по трубопроводу, отдает свое тепло. При разных конструкциях и схемах происходит это через теплообменники или радиаторы.
Работа воздушного отопления основана на подогреве котлом воздуха, который впоследствии движется по воздуховодам. Также воздух может отдавать тепло и через дутьевые вентиляторы, установленные в стенах или на потолке. Сами же воздуховоды, как правило, утеплены и спрятаны в стены.
Этиленгликоль применяется в слабо используемых системах, когда существует возможность замерзания теплоносителя. Подобный раствор не боится низких температур и хорошо выдерживает высокие. Из минусов — слишком дорогое оборудование и последующая эксплуатация.
Масло используют при необходимости постоянных высоких температур. Долгий процесс остывания такого теплоносителя позволяет прогревать помещения до 25-30 градусов, а иногда ещё и выше. В жилом секторе, где приемлемой температурой считается 18-22 о С, применяется очень редко.
Электрический нагрев помещения происходит без использования теплоносителя — электроэнергия преобразуется в тепловую. Стоимость и количество потраченной энергии здесь напрямую зависит от заданной температуры.
Данный тип устройства обогрева помещения может основываться на естественной или принудительной циркуляции теплоносителя. Для принудительного перемещения жидкости используется циркуляционный насос. Неоспоримыми достоинствами такого устройства является: высокий комфорт (есть возможность регулировки температуры в помещении), использование труб небольшого диаметра, увеличение срока службы нагревательного котла. К недостаткам относится повышенный расход электроэнергии.
При естественной циркуляции вода движется по трубопроводу под действием гидравлики, когда возникает неоднородность среды (благодаря плотности и температуре). Недостатки – более низкий КПД и соответственно повышенный расход топлива и ресурса.
Кроме того, индивидуальные системы отопления могут быть закрытого и открытого типа. Последние использует открытый расширительный бак, в то время как закрытые сети предусматривает установку закрытого мембранного бака. Вторая система имеет массу преимуществ:
- нет необходимости устанавливать бак в самой высокой точке системы;
- отсутствует контакт воды с воздухом, что исключает насыщение жидкости кислородом и преждевременный износ водопровода и котла, минимизируется риск образования воздушных пробок;
- есть возможность создавать необходимое давление даже в самых высоких точках системы.
Несмотря на то, что на протяжении многих лет центральная система горячего водоснабжения была приоритетной, сегодня все большее число граждан выбирает автономные схемы и самостоятельную их комплектацию оборудованием. Современный домовладелец может выбрать наиболее приемлемый вариант из приведенных ниже:
- проточная схема, предусматривающая расходный прогрев воды. Иными словами, когда открывается кран иначинает течь вода, тогда и происходит непосредственный нагрев.
- емкостные схемы. Используют электрические нагреватели и баки-накопители, со встроенными теплообменниками. Нагрев происходит независимо от разбора. самый дешевый способ получения горячей воды.
- комбинированные схемы. Такие системы горячего водоснабжения используют двухконтурные котлы и накопительные баки для ГВС, емкостные водонагреватели и теплообменники промежуточного типа. Все это позволяет работать системе горячего водоснабжения в поточном режиме, если потребление горячей воды отвечает номинальной мощности теплообменника, а при пиковых расходах, превышающих номинальную мощность устройства, – в емкостном режиме с использованием воды из бака-накопителя.
Теплоносителем для ГВС может быть вода, воздух или электричество. Система водоснабжения при этом (как и в отоплении) делится на открытую или закрытую, циркуляционную или естественную. Каждый из вариантом подбирается индивидуально с учетом потребностей потребителя и технических характеристик трубопроводов.
Котельная, обеспечивающая частный дом теплом и горячей водой
Наша сегодняшняя тема — оборудование для горячего водоснабжения и отопления и материалы, применяющиеся при монтаже этих систем. Мы обсудим сильные и слабые стороны каждого решения и сравним их по ряду эксплуатационных характеристик. Приступим.
Что такое автономное водоснабжение применительно к горячей воде?
Это всего лишь ее нагрев с температуры магистрального водопровода (+5 — +25 градусов в зависимости от времени года и климатической зоны) с использованием локального источника тепла до значений, комфортных для приема душа, мытья посуды и прочих хозяйственных нужд.
Электроприборы для автономного горячего водоснабжения
Полезно: согласно СП 30-13330-2012, центральное горячее водоснабжение должно подавать потребителю воду с температурой в точке водоразбора 60-75 °С. Этот же диапазон можно считать нормой для автономного приготовления горячей воды.
По аналогии, автономным отоплением называется поддержание в квартире, в загородном доме, в торговой точке и т.д. комфортной температуры с применением собственной генерации тепла, без подключения к тепловым сетям.
Автономное газовое отопление в квартире
Как мы выяснили, система автономного отопления и горячего водоснабжения нуждается в источнике тепловой энергии. Какой параметр этого источника наиболее важен для владельца? Разумеется, цена киловатт-часа тепла: чем она меньше, тем меньше будут расходы на отопление и ГВС.
Давайте сравним по этому параметру разные теплогенераторы. Приведенные ниже цены не претендуют на абсолютную точность, поскольку сильно зависят от местных условий (насыщения рынка соответствующими предложениями, коммунальных тарифов и т.д.); однако они позволяют составить представление о соотношении расходов при разных способах нагрева воды для ГВС и теплоносителя отопительной системы.
Если дом газифицирован, вы уже обеспечены самым дешевым теплом
Пеллеты — гранулированные отходы деревообработки
Установка газгольдера во дворе частного дома
Колонка с дизтопливом на автозаправке
Ввод электроэнергии в частный дом
Соотношение цен говорит само за себя: выгоднее всего отапливать дом и греть воду газом. Электрическое автономное отопление и водоснабжение — явный аутсайдер.
А теперь давайте ближе познакомимся с каждой разновидностью оборудования для ГВС и отопления, по возможности изучив их сильные и слабые стороны.
Назначение: нагрев теплоносителя системы отопления; двухконтурные котлы, кроме того, греют воду для нужд системы ГВС во встроенном проточном теплообменнике (см. Газовый котел для отопления и горячего водоснабжения: разновидности и особенности, на которые нужно обратить внимание при выборе).
Подключение двухконтурного котла
Классификация приборов возможна:
- По установке (настенные и напольные). Настенный котел обычно представляет собой полноценную мини-котельную: он оборудуется группой безопасности, циркуляционным насосом и (опционально) расширительным быком. Напольные котлы в среднем имеют большую тепловую мощность, но элементы обвязки приобретаются и монтируются отдельно;
- По материалу теплообменника (сталь, чугун или медь). Медные теплообменники применяют, в основном, для компактных настенных котлов, чугунные устанавливают в напольных агрегатах. Стальные варианты применяются по большей части в мощных промышленных отопительных установках;
Чугунные секционные теплообменники
- По побуждению тяги (естественному или принудительному). В первом случае котлу нужен отвод продуктов сгорания в дымоход и отбор воздуха для горелки из помещения, во втором воздухообмен с улицей (и только с улицей) осуществляется по коаксиальному (труба в трубе) дымоходу, проходящему через наружную стену дома;
Коаксиальный дымоход: в нём по внутренней трубе отводятся продукты сгорания, а по внешней — поступает к горелке уличный воздух
В первом случае энергонезависимый котел разжигается вручную; при отключении основной горелки (после достижения заданной температуры теплоносителя) горение поддерживается запальником (пилотной горелкой), потребляющей до четверти от общего количества газа.
Во втором случае при простое котла потребление газа отсутствует. Кроме того, электронное управление позволяет задействовать внешние терморегуляторы (в том числе уличные), подключать метеостанции, управление по wi-fi и sms;
Панель прибора с электронным розжигом
- По полноте утилизации теплоты сгорания. Конденсационные котлы имеют дополнительный низкотемпературный теплообменник, отбирающий тепло у продуктов сгорания газа при изменении их агрегатного состояния. За счет этой особенности конденсационный газовый котел на 12-14% экономичнее традиционного.
Конденсационный газовый котел — самый экономичный отопительный прибор
- Минимальная стоимость тепловой энергии;
- У котлов с наддувной горелкой — отсутствие отбора воздуха из помещения;
- У приборов с электронным розжигом — удобное дистанционное управление и возможность программирования температурных циклов (например, снижение дневной температуры в доме в рабочие дни недели и повышение в выходные).
Программируемая панель управления для газового котла
Недостатки: отсутствие магистрального газа в части населенных пунктов и дороговизна подключения к газовой магистрали.
- По материалу корпуса и теплообменника (чугун имеет большую тепловую инерционность и более долговечен, зато стальные котлы заметно дешевле);
- По автоматизации подачи топлива. Классические твердотопливные котлы требуют ручной растопки, а автоматические пеллетные и угольные самостоятельно подают топливо из бункера, что обеспечивает время автономной работы до недели;
Пеллеты автоматически подаются из топливного бункера
- По способу сжигания топлива. В классических котлах весь его объем поджигается снизу; ограничение тепловой мощности достигается уменьшение притока воздуха прикрытом поддувалом и приводит к падению КПД из-за неполного сгорания.
В пиролизных устройствах топливо (дрова или пеллеты) тлеют в бедной кислородом атмосфере, а газообразные продукты их неполного сгорания затем смешиваются в дополнительной камере с атмосферным воздухом и дожигаются. Такая схема дает гибкую регулировку мощности и отсутствие падения КПД;
Пиролизный котел, или газогенератор
Любопытно: обычно (но не обязательно) пиролизные устройства оборудуются дымососными вентиляторами, делающими регулировку мощности еще более гибкой.
Наконец, котлы верхнего горения — разновидность пиролизных, но с другим механизмом сжигания топлива. В них дрова или уголь поджигаются сверху и тлеют при ограниченной подаче воздуха через подвижный воздуховод. При этом зола уносится восходящим потоком продуктов сгорания.
Устройство котла верхнего горения
- Доступность топлива в любых регионах;
- Относительная дешевизна тепла;
- Отказоустойчивость классических твердотопливных котлов (в них просто-напросто нечему ломаться).
- У котлов с ручной загрузкой топлива — потребность в частой растопке (с промежутками от 4-6 часов у классических конструкций до 24-30 часов у приборов верхнего горения);
- Необходимость хранения запаса топлива;
- Зарастание дымохода сажей и необходимость его периодической чистки.
Назначение: автономное тепло- и водоснабжение (при наличии дополнительного контура).
Напольный дизельный котел
- По материалу теплообменника (чугун или сталь). Здесь действует тот же принцип, что и при выборе газового отопительного котла: чугун медленнее остывает, дольше служит, но стоит заметно дороже;
- По функциональности (одноконтурный, двухконтурный и двухконтурный с встроенным бойлером);
- По полноте использования тепловой энергии (как и газовые, дизельные котлы бывают конденсационными);
- По возможности смены горелки для перехода на газ. Универсальное оборудование, работающее на солярке и магистральном газе, позволяет вам сменить источник тепла после газификации дома с минимальными затратами.
Преимущества: автономность (время работы отопительного оборудования без вмешательства владельца ограничено только объемом топливного бака), доступность топлива на любой автозаправке.
- Дороговизна тепла;
- Необходимость хранения большого запаса дизтоплива;
Баки с топливом в дизельной котельной
Наиболее распространены котлы с трубчатыми нагревателями (ТЭНовые). Индукционные котлы отдают тепло за счет нагрева ферромагнитного сердечника, погруженного в теплоноситель, наведенными внешней обмоткой вихревыми токами. Достоинство этой конструкции — абсолютная отказоустойчивость.
Электродные котлы работают только с умеренно чистой (но не дистиллированной) водой и греют ее за счет протекания тока между погруженными в теплоноситель электродами. Их преимущество — компактность при относительно большой мощности; ее оборотная сторона — необходимость периодической замены растворяющихся в воде электродов;
Электродный котел (слева внизу)
Важный момент: позиционирование любой из разновидностей электрокотлов, как экономичных нагревательных приборов — это, цитируя незабвенного Михаила Булгакова, случай самого настоящего вранья. Все они имеют КПД, с минимальной погрешностью равный 100%. Тепло, которое рассеивается через корпус прибора, при его установке в отапливаемом помещении, тоже способствует нагреву воздуха.
- По функциональности (дополнительный теплообменник для ГВС, подключение выносных термодатчиков, модули управления по GSM и т.д.);
- По наличию встроенных элементов обвязки (большая часть ТЭНовых котлов оснащается группой безопасности, расширительным баком и насосом).
ТЭНовые котлы: элементы обвязки расположены в корпусе
- Гибкое управление тепловой мощностью;
- Отсутствие продуктов сгорания;
- Неограниченная автономность.
Недостатки: дороговизна тепла, большая нагрузка на энергосеть.
Вначале — несколько слов о том, что это такое.
Тепловым насосом называется электроприбор для перемещения тепловой энергии между двумя теплообменниками. Частные случаи теплового насоса — хорошо знакомые нам кондиционер и холодильник.
Холодильник работает на том же принципе, что и отопительный тепловой насос
Перекачка тепла достигается использованием циклического сжатия и расширения хладагента — фреона, имеющего достаточно низкую температуру фазового перехода между жидким и газообразным состоянием.
Цикл работы прибора выглядит так:
- Фреон сжимается компрессором, в полном соответствии с законами физики нагреваясь при этом;
- Затем он проходит внутренний теплообменник, где отдает избыток тепла и, остывая, переходит в жидкое агрегатное состояние;
- Продолжая двигаться по замкнутому контуру, фреон проходит расширительный клапан и испаряется при резком падении давления. При этом его температура падает на несколько десятков градусов;
- Холодный фреон проходит через второй теплообменник и отбирает у среды, в которую тот помещен, тепловую энергию;
- Хладагент возвращается к компрессору, и цикл повторяется.
Принцип работы теплового насоса
Этот цикл имеет две очень полезных особенности:
- Он позволяет перекачивать тепловую энергию от холодной среды — к более теплой;
- Эффективная тепловая мощность прибора многократно превышает электрическую мощность компрессора, приводящего в движение хладагент.
Большую часть тепла вы получаете бесплатно
В качестве низкопотенциальной (холодной) среды, выступающей в роли источника тепла, современные отопительные тепловые насосы могут использовать:
- Теплоту грунта. Ниже глубины промерзания она стабильна. Теплообменники помещаются в глубокие траншеи (горизонтальный коллектор) или в скважины (вертикальный коллектор);
- Теплоту воды (из скважины с достаточно большим дебитом или незамерзающего водоема);
- Теплоту окружающего воздуха.
Обратите внимание: из-за ограничений, связанных с температурой фазового перехода существующих хладагентов, воздушные тепловые насосы могут работать на нагрев при уличной температуре не ниже -25 — -30 градусов.
Воздушный тепловой насос Mitsubishi Zubadan работает на тепло при температуре до -30 градусов
Тепловой насос может обеспечить дом отоплением и горячей водой, потребляя при этом в 2,5-6 раз меньше энергии по сравнению с любым прибором прямого нагрева.
Нюанс: эффективность нагрева (так называемый C.O.P., отношение эффективной тепловой мощности к электрической) будет падать по мере роста дельты температур между внутренним и внешним теплообменниками прибора.
Что это значит с практической стороны? Только то, что в частных домах с тепловыми насосами выгоднее использовать низкотемпературное отопление (в частности, теплые полы с температурой теплоносителя до 40 градусов).
Принципиальная схема отопления с тепловым насосом и теплым полом
- Неограниченная автономность;
- Работа с термостатами, GSM-модулями и т.д.;
- Цена киловатт-часа тепла, вполне сравнимая с затратами на твердое топливо и приближающаяся к расходам на магистральный газ.
- Падение эффективности нагрева по мере роста температуры теплоносителя и воды в системе ГВС;
- Дороговизна оборудования и его монтажа (в случае геотермальных и водяных насосов);
Укладка горизонтального коллектора геотермального теплового насоса
Лазейка: В теплой климатической зоне расходы на отопление в отсутствие магистрального газа могут заметно сократить… кондиционеры. Как мы уже писали, они представляют собой частный случай воздушного теплового насоса и в режиме обогрева перекачивают в дом 3-5 кВт тепла на киловатт электрической мощности.
Газовая колонка способна обеспечить автономное горячее водоснабжение дома с минимальными эксплуатационными затратами. Колонка, как и котел, может снабжаться пьезоэлектрическим или электронным розжигом. Достоинство первой схемы — энергонезависимость, второй — большая точность поддержания температуры воды на выходе.
Газовая колонка с пьезорозжигом
Недостатки: необходимость отвода продуктов сгорания в вентканал или дымоход; у моделей с пьезоэлектрическим розжигом — нестабильная температура воды на выходе. Малейшее изменение напора воды может повлечь за собой значительное изменение мощности горелки и, соответственно, нагрев или охлаждение воды до некомфортной температуры.
Назначение: нагрев воды для нужд ГВС.
- По способу установки. Приборы могут работать без избыточного давления, обслуживая одну точку водоразбора (в этом случае проточник устанавливается после запорно-регулирующей арматуры) и под давлением (прибор ставится между подводками ХВС и ГВС и обслуживает несколько сантехнических приборов);
Стационарное подключение напорного Атмор Ин-Лайн
- По электрической мощности. Она может варьироваться от 3,5 до 24 кВт;
- По напряжению питания. Приборы мощностью до 8 кВт питаются от 220 вольт, а устройства большей мощности обычно подключаются к сети напряжением 380 вольт.
Преимущества: у старших моделей — точная регулировка температуры.
- У младших моделей — грубая регулировка температуры (ступенчатым изменением мощности с точной подстройкой за счет изменения напора воды) и ограниченная мощностью температура нагрева (она падает с понижением температуры воды на входе в холодное время года);
За грубую настройку температуры отвечает ступенчатый регулятор мощности
- У старших моделей — значительная нагрузка на проводку и потребность в трехфазном питании, которое есть далеко не везде;
- Значительная стоимость тепловой энергии.
Устройство: нагрев воды обеспечивается помещенными в теплоизолированный бак ТЭНами, снабженными терморегулятором.
Основные элементы электрического бойлера
Назначение: автономное горячее водоснабжение частного дома или квартиры.
- По объему бака (от 10 до 150 литров);
- По электрической мощности (от 1000 до 3000 ватт);
- По способу монтажа (навесной вертикальный, навесной горизонтальный, напольный);
- По расположению подводок (сверху или снизу);
- По типу антикоррозийной защиты бака (эмаль, стеклокерамика, нержавеющая сталь);
- По типу ТЭНа (мокрый или сухой — помещенный в герметичную колбу).
Сухой ТЭН не контактирует с водой и не обрастает накипью
- Стабильная температура воды на выходе, вплоть до расхода большей части объема бака;
- Отсутствие ограничений по напору воды;
- Небольшая нагрузка на проводку;
- Возможность подключения к обычной розетке.
- Высокая стоимость тепловой энергии;
- Большие габариты;
- Возможность крепления навесных водонагревателей только на капитальные стены;
Монтаж кронштейна под бойлер
- Нуждающиеся в компенсации за счет увеличенного расхода электроэнергии потери тепла через теплоизоляцию бака.
Устройство: в теплоизолированный бак помещен теплообменник, позволяющий использовать для нагрева воды энергию теплоносителя.
Типичное устройство косвенника
- По объему (наиболее востребованный диапазон — 100-300 литров);
- По наличию или отсутствию резервного ТЭНа;
- По наличию или отсутствию дополнительного выхода для рециркуляции ГВС.
Справка: непрерывная циркуляция в контуре горячего водоснабжения, гарантирует мгновенную подачу воды с нужной температурой к любому смесителю, и круглосуточный нагрев подключенных к ГВС полотенцесушителей.
Преимущество: бойлер косвенного нагрева позволяет использовать для приготовления горячей воды любой источник тепла (одноконтурный газовый, твердотопливный котел, тепловой насос и т.д.).
Схема с бойлером косвенного нагрева и твердотопливным котлом
Недостаток: большой занимаемый объем котельной.
Устройство: поверхность, абсорбирующая солнечное тепло, использует его для нагрева воды для нужд отопления и/или ГВС.
- По устройству: плоские коллекторы используют медный или алюминиевый плоский абсорбер, с закрепленными на нем трубками для воды. Трубчатые включают несколько колб-термосов с двойными стенками и вакуумом между ними;
Трубчатый (вакуумный) коллектор
Устройство плоского коллектора
- По наличию или отсутствию накопительного бака для нагретой воды;
- По наличию или отсутствию резервного ТЭНа, исключающего замерзание воды в накопительном баке.
Достоинство: отсутствие эксплуатационных расходов (с поправкой на работу циркуляционных насосов). Коллектор площадь 2 квадратных метра позволяет получить 5-7 киловатт-часов тепла в сутки абсолютно бесплатно.
Месячная и годовая инсоляция для разных широт, в зависимости от положения коллектора, кВт·ч на квадратный метр
Недостатки: нестабильность тепловой мощности. Она зависит от погоды и времени года.
Заметьте: среднесуточная выработка тепла коллектором минимальна зимой — то есть тогда, когда дом в наибольшей степени нуждается в тепле.
В холодное время года выработка тепла коллектором заметно падает
Какие трубы можно использовать при разводке интересующих нас инженерных систем?
Вначале давайте вспомним, в каких условиях будут эксплуатироваться отопление и водопровод ГВС.
Если вы монтируете автономное отопление — горячее водоснабжение в вашем доме с наибольшей вероятностью тоже будет автономным. Просто потому, что источником горячей воды при ее централизованной подаче обычно является тепловая сеть.
Автоматика котла и группа безопасности обеспечат в отопительном контуре стабильные температуру и давление. Обычно они держатся в диапазоне 1-2,5 кгс/см2 и 50-75 градусов.
Электрокотел поддерживает температуру теплоносителя в 65 градусов
На ГВС штатная температура воды, как мы уже упоминали, равна 60-75°С. Давление в контуре горячего водоснабжения равно давлению на ХВС и редко превышает 4-5 атмосфер.
Гидроудары в тупиковой системе ХВС крайне маловероятны. При заполнении сброшенной системы, воздух в ней играет роль демпфера, а мгновенная остановка циркуляции невозможна просто из-за отсутствия таковой.
Именно поэтому при монтаже автономных систем отопления и ГВС своими руками обычно используются полимерные и металлополимерные трубы — дешевые, долговечные и имеющие минимальное гидравлическое сопротивление.
Вот перечень их наиболее популярных разновидностей:
Слева направо — PPR трубы с армированием фиброй, алюминием и без армирующего слоя
Монтаж водяного теплого пола трубой PEX
Структура композитной трубы PERT/AL/PERT
Обратите внимание: металлопластик на компрессионных фитингах вызывает много нареканий из-за течей на соединениях, причиной которых является неправильная сборка. Как сделать эти соединения надежными? Очень просто: используйте для резки труб только труборез, и не пренебрегайте снятием внутренней фаски и калибровкой.
Будем считать наше первое знакомство с водогрейным оборудованием состоявшимся. Узнать больше о том, чем и как монтируются отопление и горячее водоснабжение — автономное и центральное — вам поможет видео в этой статье. Успехов!
15 Мар 2019 admin 10