Зоря И.В.;Чапаев Д.Б.;Оленников А.А. - Перспективы развития систем отопления для малоэтажного строительства в Сибирском регионе

Аннотация

Рассмотрены варианты отопления для загородных малоэтажных зданий. Подробно изучена наиболее предпочтительная система отопления - тепловой насос с пиковым доводчиком тепла.

Цикл разработки проектов по отоплению малоэтажного строительства стал интереснее и сложнее.

Интереснее потому, что сняты ограничения в выборе систем, и в настоящее время схемные решения, при соблюдении требований нормативных документов, зависят не только от технических условий по теплоснабжению, но и от пожеланий и финансовых возможностей заказчика. К тому же, в последние изменения СНиПов включены требования по повышению уровня теплозащиты зданий, экономичности, учету тепловой энергии и расхода теплоносителя. Вопрос по энергосбережению для систем отопления стоит особенно остро, т.к. данные системы относятся, наряду с системами вентиляции, к самым энергопотребляющим инженерным системам жилых домов.

Сложнее потому, что значительно расширена номенклатура материалов, оборудования, арматуры, приборов регулирования, управления и учета тепловой энергии. Кроме того закладка энергосберегающего оборудования связана с большими капитальными затратами, по сравнению с типовым оборудованием. Значительная экономия просматривается только на стадии эксплуатации.

Системы отопления малоэтажных домов с круглогодичным проживанием жильцов имеют некоторые особенности в сравнении с системами отопления городских жилых зданий:

поскольку дома усадебного типа имеют небольшой объем и, соответственно, небольшие теплопотери, их обычно подсоединяют к наружным теплосетям, обслуживаемым групповой или индивидуальной котельной с температурой теплоносителя не более 95°С. Присоединение квартирных систем отопления к теплосети в этом случае можно производить без подмешивающих устройств;
ввиду того, что усадебные дома имеют один — два этажа, в них, как правило, целесообразно применять наиболее простую однотрубную систему отопления.

Возможно несколько вариантов отопления малоэтажных загородных зданий:

В газифицированных районах наиболее удобным является газовое отопление. Серьезный минус такого способа отопления — постоянно растущие тарифы на газ. В негазифицированных районах возможна подземная установка газгольдеров с сжиженным газом. Цена устройства газгольдера сопоставима с ценой подводки магистрального газа. Стоимость газа в этом случае — 50 % от стоимости бензина в регионе.
Отопление на жидком (обычно — дизельном) топливе. Дизельное топливо более теплотворно, чем газ, гораздо удобнее, менее взрывоопасно и более ликвидно. Один килограмм сжиженного топлива и один килограмм сжиженного газа стоят примерно одинаково. Для хранения жидкого топлива не требуется специального оборудования. Единственный минус отопления на жидком топливе — это довольно неприятный запах дыма, что предъявляет повышенные требования к системе дымоудаления.

Преимуществом систем отопления на газе и жидком топливе является их полная автоматизированностъ. Это немаловажный плюс при выборе способа отопления дома с постоянным проживанием. Однако такое отопление является наиболее дорогим.

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 или фрезерованный торф (используется редко, т.к. образует много золы), или древесные прессованные опилки.
Электрическое отопление. Электричество — самый экологически чистый способ отопления и процесс отопления при этом полностью автоматизируется. Один квтчас электричества обладает теплотворностью 3600 кДж. Это примерно в 6 раз хуже дров, в 10 раз хуже сжиженного газа или дизельного топлива. А по соотношению тепло/стоимость — равно им и в 3 раза хуже дров. 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. Однако с его помощью удобно отапливать небольшие и хорошо утепленные специальные помещения, требующие небольшой мощности.
Обычные отопительные печи и камины. В эту категорию можно отнести отопительные щитки, варочно — отопительные печи, печи — теплоаккумуляторы («русские печи»), печи длительного горения. Основные преимущества такого способа отопления — дешевизна и простота, достаточно высокая теплотворность, КПД на уровне 50 — 70%, универсальность применяемого топлива (дрова, уголь, горючие нетоксичные отходы и пр.). Недостатки — необходимость постоянного контроля в процессе топки, чистка печи при топке углем, незначительная автоматизированность процессов.
Перспективным вариантом отопления малоэтажных загородных зданий является отопление с помощью теплового насоса (рисунок 1). Этот вариант отопления успешно применяется в европейских странах.

Рис. 1 — Тепловой насос

По прогнозам Мирового энергетического комитета (МИ — РЭК), примерно к 2020 году большинство развитых стран мира перейдет к теплоснабжению посредством тепловых насосов. Эти устройства уже более четверти века с успехом используют в быту и промышленности в Соединенных Штатах и Европе. Причем во многих городах работают сотни крупных сооружений, обладающих мощностью средней величины ТЭЦ. Теплонасосы обеспечивают в Швеции половину всего тепла, в США — 37%, в России пока что всего 0,1%.

Тепловые насосы — это компактные экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления коттеджей за счет использования тепла низкопотенциального источника (тепло грунтовых, артезианских вод, озер, морей, грунтовое тепло, тепло земных недр) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Работа установки схожа с процессом холодильника. Тепло — насос собирает энергию земли, скал, воздуха и солнца для дома и воды. Техника проста, надежна и была известна уже сто лет тому назад. Данный принцип работает в морозильных и холодильных шкафах. С ростом цен на энергию и большими требованиями к окружающей среде увеличилось использование теплонасосов в качестве отопительных систем в домах. Две трети отопительной энергии можно получить бесплатно из природы и только одну треть за счет работы насоса (электричество).

С тепловыми насосами идеально сочетаются системы отопления на базе теплых полов.

Преимущество теплового насоса:

полная автоматизация процессов;
для выработки тепловой энергии не требуется газ, жидкое или твердое топливо;
относительно (по сравнению с электрокотлами) недорогая выработка тепловой энергии. Один кВт затраченной при работе теплового насоса электроэнергии дает от трех до пяти кВт тепловой энергии;
компактность установки;
удобство обслуживания (обслуживание установок заключается только в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы);
отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу.

Тепловой насос типа «воздух — вода» или «воздух — воздух» использует в качестве источника тепла атмосферный воздух. Его теплообменник устанавливается на самом продуваемом месте участка. Однако температура воздуха зимой в средней полосе России и Сибири бывает значительно ниже рабочей температуры теплового насоса. Поэтому использовать тепловой насос «воздух» в чистом виде весьма проблематично.

Тепловой насос, использующий тепло грунта (рисунок 2), более надежен. Если уложить достаточное количество труб в грунт на глубину одного метра 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). Таким образом, тепло поверхности земли является эффективным решением, когда участок позволяет разместить достаточное количество труб.

Рис. 2 — Тепловой насос, использующий тепло грунта

Существует вариант тепловых насосов, использующих тепло грунта, в которых тепло извлекается из энергетического колодца, пробуренного в грунте (рисунок 3). Скважина занимает мало места. Такие схемы рекомендуются на небольших участках. Иногда вместо энергетического колодца применяют специальные компактные коллекторы.

Тепловые насосы типа «вода — вода» более перспективны. Они для своей работы используют тепло грунтовых, проточных и других вод, включая сточные.

Использование в качестве источника тепла воды ближайшего водоема или реки является идеальным вариантом. В этом случае контур укладывается на дно водоема.

Рис. 3 — Тепловой насос с энергетическим колодцем

Преимущества такого метода — короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом.

Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 300 метров.

Существует и ряд других комбинаций тепловых насосов, например — тепловой насос, использующий тепло грунта + тепло вытяжного воздуха системы вентиляции и т.д. Цена самих тепловых насосов (капитальные затраты) достаточно высока (от 10.000 $US). И поскольку вопрос с топливом (таз, дрова, уголь) стоит в нашей стране не так остро, перспективы тепловых насосов весьма неоднозначны. Но, с другой стороны, тепловые насосы имеют большой срок службы до капитального ремонта (до 10 — 15 отопительных сезонов); срок окупаемости оборудования не превышает 2 — 3 отопительных сезонов.

Кроме того, следует сказать, что в условиях России (особенно — Сибири) желательно комбинированное использование теплового насоса и пикового котла на жидком, газообразном или твердом топливе. При этом тепловой насос обеспечивает здание теплом в диапазоне наружных температур от +10°С до — 10°С, а при более низкой температуре в работу включается пиковый котел. Тем не менее, следует считать, что в рамках программы строительства энергоэффективных малоэтажных жилых зданий комбинированные системы отопления «тепловой насос + пиковый котел» найдут широкое применение.