Анализ систем отопления

В процессе строительства частного дома, дачи или коттеджа, его владелец обязательно столкнется с проблемой его отопления. У нас в России климат не тропический (только там топить не надо круглый год), а континентальный, иногда резко континентальный. Летом и + 30 не редкость, а зимой и -30 - штатная ситуация, к счастью, не долгая. Но надо быть к ней готовым, и даже –40 нет-нет, да и случаются…

Какой вариант отопления загородного дома выбрать (если есть из чего выбирать)… Сразу оговоримся, речь далее пойдет о дома для постоянного проживания за городом (в деревне, дачном поселке), а не об отоплении в домах «раз в неделю». Там все другое и все иначе. Самые сильные морозы владельцы таких домов переживают в теплых городских квартирах и многие проблемы для них остаются «за скобками». А вот людям, постоянно живущим в «автономном режиме» приходится решать эти проблемы - как обеспечить в загородном отдельном доме комфортное существование.

Итак, рассмотрим доступные (или потенциальные) варианты. Мы их будем рассматривать «вообще» и применительно к своему случаю, т.к. говорят умные – «не создавай себе чужих проблем». Мы решаем свои проблемы, а читатель, опираясь на наш опыт, может решить и свои, возможно, более оптимальным способом.

Однако, следует помнить что любая жидкостная система отопления имеет КПД 30%, а воздушная – КПД 90%.

Итак:

Газовое отопление

Газ один из самых «теплообразующих» энергоносителей. Возможность проведения магистрального газа к дому решает практически все проблемы с теплоснабжением. Даже по коммерческим ценам (от 300 – 500 тыс. руб. до 1 – 2 миллионов). Серьезный минус тут - постоянно растущие тарифы на газ, но они все же социальные тарифы и худо – бедно контролируются. В случае большого числа потребителей, централизованное газоснабжение не светит даже в отдаленной перспективе…

Газгольдер

Газгольдер представляет собой большой газовый баллон (газгольдер), на несколько кубометров (или десятков кубометров) как правило, закопанный в землю. По мере надобности, к вам приезжает машина с цистерной сжиженного газа и сливает его в газгольдер. Для вас в доме - все так, как будто у вас магистральный газ. За исключением расходов… Цена устройства газгольдера сопоставима с ценой подводки магистрального газа. Но с тем отличием, что вы у себя на участке получаете независимую, автономную систему газоснабжения со стабильным давлением в трубе и, если будете внимательны, то с полной бесперебойностью газоснабжения. И покупать вы его будете по цене такой же, как и на автозаправках.

Отопление на жидком топливе

Как правило - дизельном, т.е. солярке. Вы уже не зависите от конкретного поставщика сжиженного газа, диктующего свои цены и условия поставки. А можете сами пополнять запасы топлива любыми доступными методами - завозить его канистрами, бочками, заказывать цистерны.

Немаловажный факт - для хранения дизельного топлива не требуется специального оборудования. Достаточно любой емкости, необходимого объема. И, кроме того - дизельное топливо можно продать в случае необходимости, использовать для автомобиля и пр.

Минус отопления на дизтопливе - это довольно неприятный запах дыма, шумно работающий котел, оседающие на участке отходы горения, выхлопы (в особенности они заметны на вывешенном белье и зимой на снегу). И еще, немаловажно, что дизельное топливо исключает возможность использования его для приготовления пищи. Вы вынуждены будете использовать электричество! Следует так же обратить внимание на систему дымоудаления в печи на дизельном топливе.

Несомненным преимуществом газовых и дизельных отопителей является их практически абсолютная автоматизированность. Они могут работать неделями и месяцами практически без вмешательства человека. Т.е. процесс отопления с их помощью заключается в его запуске и наблюдении. Ну и пополнении запаса топлива, при необходимости (или оплате счетов за газ). И это немаловажный плюс при выборе способа отопления для дома с постоянным проживанием.

Отопление с помощью гранулированного твердого топлива

Провести магистральный газ можно не всегда, а газгольдер и дизельная печь - очень дороги в эксплуатации. Более дешевым вариантом может быть печь на гранулированном топливе с автоматизированной подачей топлива в топку. Подача топлива, как правило, осуществляется с помощью специального механизма, оснащенного шнеком. И по мере необходимости, в топку добавляется очередная порция топлива.

В качестве топлива выступает либо фрезерованный торф (используется редко, т.к. образует много золы), или древесные прессованные опилки. Их называют пеллеты. Пеллеты (пилеты, пеллетс, древесные топливные гранулы) представляют собой прессованные отходы древесного производства, изготовленные без применения каких-либо химических добавок, что и обеспечивает экологическую чистоту топлива. Иными словами, это те же самые дрова, сформированные в удобную для транспортировки, хранения и использования форму. Теплотворная способность пеллет - около 20.000 КДж / кг. Т.е. примерно вдвое ниже, чем у газа или дизтоплива. Однако с учетом того, что килограмм пеллет стоит 3-5 руб (оптовые цены), пеллеты оказываются выгоднее газгольдера или дизельной отопительной системы. Отопление на пеллетах так же хорошо автоматизируется и не доставляет хозяевам больших хлопот при эксплуатации.

Электрическое отопление

Электричество - самый экологически чистый способ отопления и процесс отопления при этом автоматизируется просто идеально. 1 КВт*час электричества обладает теплотворностью 3.600 КДж. Как видите, это примерно в 6 раз хуже дров или пеллет. И в 10 раз хуже сжиженного газа или дизтоплива. А по соотношению тепло/стоимость - равно им и в 3 раза хуже пеллет или дров. Т.е. отопление электричеством никак нельзя признать дешевым. Кроме того, если печи и отопительные котлы для газа, дизтоплива и дров с легкостью реализуют мощности в 10-15 КВт (что достаточно для довольно большого дома), то выделенная электрическая мощность более 7-10 КВт даже в 3-х фазном варианте - редкость. Поэтому использовать электричество в качестве постоянного отопления большого дома не только очень невыгодно, и просто невозможно. Однако с его помощью удобно отапливать небольшие и хорошо утепленные специальные помещения, требующие небольшой мощности. В случае их удаленности от основной отопительной сети дома, это может оказаться выгоднее, чем делать к ним специальную подводку. Так же заслуживает внимание электричество в случае наличия т.н. «ночного» тарифа, когда стоимость 1 КВт*часа снижается в ночное время в несколько раз.

Отопление с помощью теплового насоса

В климатических условиях России использование теплового насоса является весьма проблематичным (за исключением самых южных районов страны и северного Кавказа). Но не и невозможным. Тепловой насос работает точно так же как и холодильник, что стоит у вас на кухне. Принцип его работы заключается в том, что «отнять» тепло у некоего продукта (охладив его) и передать это тепло в отопительную систему. Ведь согласно закона сохранения энергии, тепло (как вид энергии) никуда не девается, не пропадает и не возникает из ниоткуда. Оно просто или меняет свой вид или переходит от одного тела к другому.

Кухонный холодильник, «отняв» тепло у продуктов, затем лишь поддерживает их низкую температуру. Поэтому работает периодически, компенсируя теплопотери через свои стенки. Но если продукты постоянно заменять – то холодильник будет работать непрерывно. Так и устроен тепловой насос. Он постоянно охлаждает какой то источник тепла (воздух, воду, грунт), и передает отнятое тепло воде в системе отопления или воздуху внутри дома.

Прелесть теплового насоса состоит в том, что 1 КВт затраченной при его работе электроэнергии, мы можем получить 3-5 КВт тепловой энергии! Такое соотношение «затраты – результат» делает использование теплового насоса весьма заманчивым и перспективным. И стоимость отопления с помощью теплового насоса становится весьма конкурентоспособной даже по сравнению с пеллетами и дровами! При этом оно гораздо экологичнее и чище.

Естественно, для нормальной работы теплового насоса требуется «бесконечный» источник материала, у которого можно отнимать тепло. В их качестве выступает атмосферный воздух, вода (грунтовая, озерная или проточная), сам грунт ниже глубины промерзания (там он имеет температуру +4 градуса). Каждый из вариантов теплового насоса имеет свои особенности, поскольку в тепловом насосе используется хладагент, который способен «отнимать тепло» до определенной температуры (минус 15-20 градусов).

Тепловой насос типа «воздух – вода» или «воздух-воздух» использует в качестве источника тепла атмосферный воздух. Его теплообменник представляет собой «абстрактную» скульптуру из труб, высотой несколько метров. Она устанавливается на самом продуваемом месте участка. Дело в том, что для того, что бы отопить дом, потребуется примерно 10 КВт в час. (или 36.000 КДж тепла). Один кубометр воздуха имеет теплоемкость около 1,3 КДж на 1 градус. Воздух мы сможет остудить только до -15 градусов. И если он имеет температуру, например, -5 градусов, то мы сможет «отнять» всего лишь 10 градусов его температуры, т.е. 13 КДж тепла. А что бы отопить дом, надо будет охладить 36.000/13 = 2800 кубометров воздуха за час! Не стоит пугаться такой большой цифры… В часе 3600 секунд, в ветер дует со скоростью несколько метров в секунду… Т.е. теплообменник площадью в несколько метров с лихвой перекроет наши потребности.

Проблема тут в том, что температура воздух зимой в средней полосе России бывает значительно ниже рабочей температуры теплового насоса. Поэтому использовать тепловой насос «воздух» в чистом виде весьма проблематично.

Тепловой насос использующий тепло Земли, вернее грунта более надежен. Если уложить достаточное количество труб в грунт и прокачивать по ним некий промежуточный теплоноситель, то он будет нагреваться до температуры +4 градуса. Но и тут не все так просто. Нагреваясь, он будет охлаждать прилегающий к нему грунт. И необходимо некоторое время, что бы тот снова нагрелся. Т.е. требуется прокладка трубопроводов в грунте очень большой длины (сотни метров). Трудозатраты на обустройство такого коллектора делают проект трудноосуществимым.

Тепловые насосы типа «вода-вода» более перспективны. Они для своей работы используют тепло грунтовых, проточных и других вод, включая сточные. Вода значительно более теплоемкое вещество по сравнению с воздухом. И что бы получить заветные 36.000 КДж, требуется охладить примерно 3-4 тонны воды на 3-4 градуса. Это не мало, так как грунтовая вода имеет тоже не высокую температуру в + 4-5 градусов и сильно ее переохлаждать нельзя, что бы она не замерзла, а дренировалась обратно в землю. Добыть такое количество воды не проблема, грунтовых вод у нас избыток. Проблема в ее дренаже. Ведь за сутки придется достать, охладить и дренировать десятки тонн воды! Многие ошибочно полагают, что ее можно просто сливать в точно такую же скважину, как и та, через которую ее добывают. Но это не удастся сделать, так как грунт будет неспособен принять такое большое количество воды из-за трудности ее всасывания в грунт. Выход проблемы – сброс воды в ближайший ручей, речку, дренажную сточную систему. Хорошо тем, кто живет на берегу реки. Фактически только там без больших дополнительных затрат можно использовать тепловой насос типа «вода-вода», так рядом – естественная дренажная система, способная отвести любое разумное количество воды.

Тепловой насос «лед – вода». Как видите, ни один из предлагаемых дилерами тепловых насосов не подходит для российских условий. Однако, возможен вариант устройства теплового насоса типа «лед-вода». Дело в том, что вода, при замерзании выделяет очень много тепла (330 КДж/кг), что почти в 80 раз больше, чем она выделяет при остывании на 1 градус. При этом она фактически не меняет свою температуру (около -1 градусов) пока не замерзнет вся. Это тепло фазового перехода воды из жидкого в твердое агрегатное состояние заманчиво использовать. Для получения часовой нормы отопления (36.000 КДж) потребуется заморозить всего 120 литров воды! И при этом можно использовать тепловой насос «воздух-вода». Необходимо лишь доработать теплообменник, что бы он охлаждал не воздух, а воду и мог избавляться ото льда. Так же потребуется разработать систему удаления льда после его образования. Формально, его можно просто складировать, а весной и летом он сам растает… За зиму его может накопиться около 200-300 тонн. Это объем среднего бассейна. Такой тепловой насос имеет все шансы на использование в российских условиях.

Тепловые насосы все же являются достаточно экзотическими способами отопления в России, так как, как мы видим – отсутствуют как надежные и дешевые источники низкотемпературного тепла, так и цена самих тепловых насосов достаточно высока (от 10.000 $US). И, поскольку вопрос с топливом (газ, дрова, уголь) стоит в нашей стране не так остро, перспективы тепловых насосов весьма неоднозначны.

Дровяное отопление

Дровяное отопление, или отопление с помощью дров. Пожалуй, в средней полосе России дрова были, остаются, и еще долго будут оставаться одним из самых дешевых, доступных и, в общем-то, достаточно эффективным видом топлива. В самом деле, леса у нас имеют тенденцию к возвращению, т.е территория не перепахиваемая или не выкашиваемая постоянно достаточно быстро зарастает подлеском, а за 20 лет – и лесом. Лес довольно быстро самовоспроизводится, абсолютно экологически чист как топливо. Будучи правильно заготовленными и высушенными дрова достаточно теплотворны. Сухие дрова выделяют примерно 15.000 -20.000 КДж/кг веса. Что всего лишь в 2 раза хуже дизельного топлива. Т.е. для отопления достаточно большого дома можно сжигать 2-3 кг сухих дров в час (с учетом КПД печи). Дрова, правда, обычно измеряют кубометрами (1 кубометр сухих дров весит примерно 450 кг). И учитывая и разность цен, и доступность, можно сказать, что дрова выгоднее дизельного топлива до тех пор, пока цена кубометра дров не превышает цену 200 литров дизельного топлива.

Характеристики дров человеку поменять невозможно. Зато он может изменить способ их сжигания, увеличивать КПД печи, сделать пользование ими более комфортным. Итак, рассмотрим несколько способов отопления с помощью дров.

Обычные отопительные печи

Обычные отопительные печи. Отопительный щиток. Варочно-отопительные печи. Являются одними из самых распространенных печей в России в текущее время. Обладая невысокой тепловой массой (несколько сотен кирпичей, т.е., 1-2 тонны максимум), они достаточно быстро прогреваются, держат тепло после окончания топки несколько часов. Как правило - топятся 2 раза в сутки, утром и вечером. В сильные морозы - днем непрерывно при слабом горении. К таким печам относятся печки классом от «буржуйки» из металла, до достаточно больших кирпичных печей, сложной конструкции, предназначенные для отопления нескольких помещений. Используют как воздушный способ отопления, так и водяной, с разводкой системы отопления (трубы, радиаторы) по комнатам.

Основные преимущества - дешевизна и простота, достаточно высокая теплотворность, КПД на уровне 50-70%, универсальность (можно и отапливаться и готовить пищу), универсальность применяемого топлива (дрова, уголь, горючие нетоксичные отходы и пр.) Недостатки - малая тепловая инерционность, необходимость постоянного контроля в процессе топки, чистка печи при топке углем (дровами – реже).

Камины

В нашей стране с холодным климатом камины применяются как отопление исключительно редко. Скорее - это декоративная печь для создания особой атмосферы в доме. Хотя в последнее время появились камины с закрытыми топками, имеющие достаточно высокую эффективность как отопительные приборы, камин – это все же экзотика.

Преимущества каминов - неповторимый имидж помещения, прекрасное его проветривание. Наличие камина в помещении сразу делает его элитарным, повышает его статус. Недостатки - чрезвычайно низкий КПД каминов – 15-30%, «прожорливость», необходимость повышенных мер пожарной безопасности…

Печи-теплоаккумуляторы

К таким печам относятся прежде всего т. н. русские печи. Их масса в несколько тонн чрезвычайно долго прогревается, но так же долго и остывает. В старину - печь была центром избы, вокруг которой собственно и было жизненное пространство. В современных условиях печи – теплоаккумуляторы «из кирпича» потеряли свою актуальность и остались лишь в самых отдаленных лесных деревнях.

Современные печи – теплоаккумуляторы используют в качестве рабочего тела воду, чья теплоемкость несомненно выше чем теплоемкость кирпича, а транспортировать тепло с помощью воды можно достаточно далеко, в самые удаленные комнаты дома. Печь может быть любой, но обязательно с теплообменником (котлом), в котором подогревается вода. Так же неотъемлемая часть такой системы - хорошо утепленный бойлер на несколько тонн воды.

Мы знаем, что в среднем для отопления 1 кв.м дома требуется около 100 Ватт/час (или 360 КДж), то для всего дома (в 100 кв. метров) потребуется около 36.000 КДж/час. Литр воды имеет теплоемкость 4,2 КДж/градус Остывая, например с 75 градусов до 25, литр воды отдаст нам 210 КДж. Т.е. для отопления дома нам потребуется 36.000 / 210 = 170 – 200 литров воды в час. (Без учета тепловой инерции самого дома). Если мы заранее нагреем, например 2-3 тонны воды достаточно быстро и интенсивно до 75 градусов, то затем сутки – полтора можно печь не топить.

Однако природу не обманешь, и мы таким образом лишь пытаемся облегчить себе жизнь за счет того, что не надо постоянно подбрасывать дрова в печь. Человечество всерьез обеспокоено этой проблемой - как развязать человеку руки и позволить ему не быть истопником хотя бы 10-15 часов, что бы ни замерзать ночью от холода и не пополнять запас топлива в печи. Поэтому оно изобрело

Печи длительного горения

Такие печи обеспечивают длительное поступление тепла, но не за счет его накопления, а за счет большого запаса дров самой печи. Т.е. в печь сразу закладывается увеличенный запас дров и в печи обеспечивается такой режим, при котором горит лишь часть дров, а остальные - лишь дожидаются своей очереди. Обычно это обеспечивается перекрыванием заслонки поддувала (ограничением подачи кислорода в топку) и перекрыванием трубы (уменьшением тяги). В этом случае горит (вернее тлеет) только столько древесины, насколько хватает кислорода. Остальная же часть древесины подвергается процессу перегонки без доступа воздуха и при нагреве выделяет горючие газы, которые собственно и сгорают в топке, имеющей отдельный приток кислорода. Такие печи называю газогенераторными или пиролизными. Наиболее распространены из таких печей - Булерьян и Печь Бутакова. Это печи воздушного отопления. И они очень популярны среди дачников, посещающих свои дома наездами зимой. Они быстро прогревают помещение и после перевода их в экономичный, газогенераторный режим, снабжают дом теплом всю ночь, а иногда и сутки.

По сравнению с теплоаккумулирующими печами газогенераторные печи гораздо компактнее. По сравнению с простыми отопительными — экономичны и не требуют постоянной подпитки топливом.

Преимущества газогенераторных (пиролизных) печей: Очень высокий КПД (75-85%), экономичность, большая продолжительность горения на одной заправке дров (6-20 часов), возможность закладки дров без прерывания процесса горения. Недостатки: Только воздушное отопление, высокие требования к дымоходу (гладкий, прямой, утепленный, высокий…), высокие требования к топливу для экономичного горения, капризность настроек…

Среди ряда «клонов» газогенераторных печей типа «Булерьян» выделяется печь под названием «Стропува» (производится в Литве). Ее принцип работы построен точно так же, как у т.н. индейской свечи. В высокую металлическую «колонну» печи закладываются дрова или любое другое топливо (торфяные брикеты, прессованные опилки, просто дрова, уголь и пр.) практически на всю высоту колонны. Дрова разжигают сверху и печь закрывают. Воздух для горения подается сверху, непосредственно в зону горения, с помощью телескопической трубы. По мере сгорания топлива, зона горения опускается все ниже и ниже, вслед за ней опускается и воздухоподающая труба. Интенсивность горения регулируется заслонкой.

Фактически, печь «Стропува» представляет собой запас дров, медленно сгорающий сверху. На дровах печь работает без перезарядки до 2 суток, на угле – до 5 суток.

Достоинства печи «Стропува» - высокий КПД, высокая безопасность, экономичность, компактность, возможность работать с водяным отоплением. Недостатки - довольно большие габариты, невозможность добавления топлива без остановки печи, довольно громоздкая процедура загрузки и разжигания топлива.

Как видим, все «долгоиграющие» отопительные печи построены по принципу однократной загрузки топлива с последующим его сжиганием «по очереди». Такой принцип требует все же присутствия «истопника» и периодическое пополнение печи топливом, пусть всего и раз-два в сутки. Это является некоторым недостатком печей длительного горения. Хотелось бы иметь дровяную печь, работающую так же, как и газовый котел, котел на жидком топливе. Или хотя бы котел на пеллетах. Т.е. что бы цикл «заправка – горение» продолжался много дней, в идеале – весь отопительный сезон. Интенсивность горения можно было бы автоматизировать, в зависимости от нужд. А запас топлива в печи должен быть пополняем без прекращения режима горения и в любое время.

Таким образом, мы приходим к идее дровяной печи с автоматической загрузкой дров. Причем - не стандартизированных по размеру (как пеллеты, например), а обычных. Я не готов сейчас предложить готовую схему или чертежи печи с автоматической загрузкой дров, поскольку это пока только идея и разработка, то готов рассмотреть некоторые исходные постулаты для ее создания.

Печь с автоматической загрузкой дров

Печь c автоматом загрузки дров наверняка должна использовать режим относительно интенсивного горения, поэтому сама топка - будет достаточно компактной. Основную сложность будет представлять конструирование механизма подачи дров. Ведь дрова обычно заготавливают по такой схеме. Бревно пилят на чурбаки, длиной примерно 2/3 - ¾ длины топки печи. Затем чурбаки колют на чурки. Чурки укладывают в поленницы на сушку, желательно не менее чем на 2 года. Топить свежеспиленными или сырыми дровами невыгодно. Основная часть тепла при их горении идет на испарение воды из самих же дров. Чурки весьма разнородны и их подачу в печь весьма трудно автоматизировать.

Решение этой проблемы видится в изменении способа заготовки дров. Бревна надо пилить не на довольно длинные и тяжелые чурбаки, а на «блины», диски толщиной 10-15 сантиметров. Операция по колке дров - исключается. Если при распилке исключать самые сучковатые места (оставляя их для камина, например), то получатся достаточно круглые дрова – диски. А круглое, как известно, может катиться и значит, эти дрова могут закатываться в топку, при определенных условиях.

Команду на «запуск» в топку очередного диска можно давать от датчика температуры, она начнет снижаться, когда предыдущий «блин» прогорает. Или от веса печи, и т.д. Интенсивность горения также можно регулировать автоматически, стандартными методами - заслонкой поддувала, шибером.

Запас дров – дисков можно расположить на специальных наклонных полках – стеллажах и пополнять его в любой момент. Если принять расчетные цифры, то для суточного отопления потребуется примерно 30-50 поленьев – дисков. И построив достаточно большой стеллаж, можно обеспечить печь топливом на много дней. Тем более, что всегда есть возможность пополнить «обойму».

Developed by Nick Novikov