Возможности индивидуального теплоснабжения: состояние и перспективы развития

А. Л. Наумов, вице-президент НП «АВОК», генеральный директор ООО «НПО ТЕРМЭК», otvet@abok.ru

На выбор мощности котла существенно влияет площадь коттеджа и количество человек, постоянно проживающих в доме: если в городских условиях плотность проживания достаточно высокая (как правило, на одного человека приходится 20–25 м²), то в загородных домах зачастую на одного человека приходится 40–60, а иногда и 100 м². Это влияет на внутренние тепловыделения, которые надо учитывать при проектировании и расчете источников теплоснабжения. Равное количество тепловыделяющего оборудования (холодильники, телевизоры, компьютеры, чайники) будет давать в пересчете на 1 м² разную тепловую нагрузку для загородного дома и городской квартиры: в первом случае нагрузка будет гораздо меньше. Если для городских квартир величина внутренних тепловыделений для расчетов принимается порядка 10 Вт/м², то для загородного дома она составляет 3–5 Вт/м². С другой стороны, уровень требований к теплозащите загородных домов несколько ниже, чем в городской застройке. Это связано с тем, что удельные теплопотери для загородного дома по конфигурации самого здания, по его этажности несколько выше, чем для городской застройки. Обычная квартира на среднем этаже со всех сторон, кроме фасадной, наружной стены, окружена отапливаемыми помещениями. В случае коттеджа все помещения, по существу, имеют несколько наружных ограждений. У одноэтажного дома это и покрытие, и стены, у двух- или трехэтажного дома верхние этажи тоже имеют большую поверхность наружных ограждений. И объективно трансмиссионные теплопотери в малоэтажной застройке выше, чем в многоэтажной. Тем не менее уровень требований к теплозащите ограждающих конструкций на сегодняшний день для средней полосы характеризуется цифрами в 50–60 Вт/м² для малоэтажной застройки (до 4 этажей) в то время, как еще в 1980–90-х годах эта цифра приближалась к 100–120 Вт/м².

Выбирая мощность котла, следует учитывать не только отопительную, но и горячеводную нагрузку, которая во многих случаях является определяющей. Так, например, коттедж площадью 150 м² имеет две ванные комнаты, которые могут эксплуатироваться одновременно. В этом случае один полностью открытый кран примерно соответствует мощности котла 25 кВт, т.е. два крана – 50 кВт, в то время как для теплоснабжения системы отопления дома 120–150 м² достаточно 6–7 кВт отопительной нагрузки. Исходя из этого, на выбор котла повлияет в первую очередь горячеводная, а не отопительная нагрузка. Как правило, это относится к коттеджам сравнительно небольшой площади (250 м²). Для больших коттеджей надо принимать во внимание количество ванных комнат и площадь, и в зависимости от этого выбирать мощность системы теплоснабжения.

Особенности современных источников теплоснабжения для коттеджей

Преобладающим источником теплоснабжения для коттеджей остаются индивидуальные котлы. Как правило, это газовые котлы (около 70%): газ до сих пор остается самым дешевым источником энергоснабжения, а масштабы газификации страны постоянно увеличиваются, чему способствуют соответствующие муниципальные программы. В районах, где нет газа, применяются электрическое отопление, дизельное и твердое топливо, но существенно меньше. Встречаются и комбинированные котлы, где с целью повышения надежности используется два разных вида источника теплоснабжения, например электрическое и газовое отопление или газовое с дизельным. Но степень надежности газоснабжения непрерывно повышается, и зачастую в резервном топливе нет необходимости.

Типов котлов достаточно много. Двухконтурные котлы одновременно могут готовить горячую воду для горячего водоснабжения и для отопления. Как правило, это котлы сравнительно небольшой мощности (до 30–40 кВт), они предназначены для небольших коттеджей и зданий небольшой застройки. Котлы минимальной мощности (16–20 кВт) рассчитаны на один полностью открытый кран горячей воды. Такие котлы в большинстве случаев работают по приоритету горячего водоснабжения: если возникает потребность в горячей воде, котел всю свою мощность направляет на контур горячего водоснабжения, на короткий период времени оставляя отопление без энергоисточника. Благодаря теплоустойчивости ограждений здания, температура воздуха в помещениях в этот период, как правило, практически не снижается, потому что период использования максимального расхода горячей воды сравнительно невелик: полчаса, максимум час.

Когда речь идет о теплоснабжении больших зданий, как правило, используется одноконтурный котел с дополнительным теплообменником для горячего водоснабжения. Он может быть емкостным, скоростным, пластинчатым. Это зависит от разных факторов: от потребности в горячей воде, от предпочтительного режима использования горячей воды, который зависит от выбора заказчика. Если речь идет о сравнительно небольших расходах горячей воды и небольшом количестве водоразборных точек, то преимущества имеют скоростные теплообменники, как правило, пластинчатые, которые позволяют быстро обеспечить достаточно большой расход воды и достаточно продолжительное время. В случаях, когда необходим запас горячей воды, т.е. возможен очень большой пиковый водоразбор, как правило, используют емкостные теплообменники для приготовления большого количества горячей воды (до 500 л), что позволяет наполнить несколько ванн одновременно (если количество ванных комнат больше двух–трех). Емкостные теплообменники имеют свое преимущество по сравнению со скоростными: они менее чувствительны к качеству нагреваемой воды. Дело в том, что при температурах выше +50…+60 °C происходит активное отложение солей карбонатной жесткости на нагреваемых поверхностях, и пластинчатые теплообменники могут достаточно быстро зарастать. Их очистка зачастую становится проблемой, поэтому скоростные теплообменники достаточно часто приходится менять. Если вода мягкая, с небольшим содержанием солей жесткости, пластинчатые теплообменники могут работать достаточно продолжительное время без существенных проблем. Емкостные теплообменники, как правило, гладкотрубные, встроены в большую емкость, в теплоизолированный бак. Даже если происходит отложение солей, оно не столь чувствительно с точки зрения работоспособности системы теплоснабжения. Для жесткой воды рекомендуется ставить именно емкостные теплообменники, которые позволяют увеличивать срок службы оборудования по сравнению со скоростными.

Использование конденсационных котлов

Конденсационные котлы используют тепло конденсации водяных паров продуктов сгорания. Как правило, КПД котлов устанавливается по явной теплоотдаче без учета скрытой теплоты. У современных котлов КПД обычно находится в диапазоне 92–95%. Это означает, что соответствующая доля теплотворной способности топлива превращается в тепловую энергию, которая переходит к теплоносителю, к воде. Оставшиеся 5–8% – это потери, связанные с продуктами сгорания, с потерей самого котла через стенки в окружающую среду. Это показатели достаточно высоки. По действующим нормативам планка в 92% является минимальной для всех стран Европейского союза, в США, в Канаде. Эти нормы пытаются реализовать и российские производители. Применительно к действующей на сегодняшний день классификации КПД, конденсационные котлы имеют так называемый условный КПД больше 100%. Это означает, что к явным процентам мы добавляем то количество тепла, которое выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Поэтому зачастую вызывает недоумение, когда написано, что котел имеет КПД 102, 104, 106%. Это означает, что добавка в 8–10% к тепловой эффективной производительности происходит за счет конденсации водяных паров. Это показатель полноты использования теплотворной способности топлива.

Другая характеристика – это температурный режим. Для конденсации водяных паров нужна достаточно низкая температура поверхностей, на которых эти пары конденсируются. Конденсация водяных паров начинается, как правило, с температурой на теплообменной поверхности +40…+60 °C. Если температура теплообменной поверхности выше +60 °C, то конденсации практически не происходит. Поэтому либо в котлах имеются дополнительные поверхности, на которых конденсируются водяные пары, они выполняют функции предварительного подогрева воды, либо развитая поверхность самой топки, теплообменных поверхностей позволяет обеспечить достаточно низкую температуру поверхности теплообмена. Как правило, конденсационные котлы – это котлы низкотемпературных режимов работы. Большинство обычных котлов работает с температурой обратной воды порядка +50…+60 °C, конденсационные котлы работают с температурой обратной воды порядка +35…+40 °C, а иногда и ниже – до +30 °C. Это обуславливает отличие в конструкции таких котлов. Лидером по производству и разработке конденсационных котлов является, безусловно, Германия. Широкая линейка конденсационных котлов выпускается фирмами Viessmann, Vaillant, Bosch и рядом других. Эти котлы принципиально дороже, чем обычные, и добавка в 10% эффективности должна окупаться за разумные сроки. При высокой стоимости топлива, которая на сегодняшний день существует в Европе, конденсационные котлы вполне приемлемы с позиции энергоэффективности. В условиях нашей страны при существующей стоимости топливных ресурсов срок окупаемости конденсационных котлов свыше 10–15 лет. Поэтому с точки зрения энергоэффективности конденсационные котлы пока не имеют широкого рынка сбыта в России. С повышением стоимости топлива их привлекательность будет возрастать.

Использование котлов совместно с альтернативными источниками энергии

Сочетание котлов с альтернативными источниками энергии, такими как солнечные коллекторы и тепловые насосы, в нашей стране на сегодняшний день реализуется в основном в пилотных проектах. Реализация комбинированного теплоснабжения связана с тем, что оборудование альтернативной энергетики, те же тепловые насосы, достаточно дорогое: расчет и выбор оборудования на пиковые нагрузки приводит к большим срокам окупаемости. Если тепловые насосы использовать примерно на 50–70% от пиковой нагрузки, они будут покрывать порядка 80–90% годовой потребности в тепловой энергии. А оставшиеся 10–20% от пиковой нагрузки могут компенсировать недорогие котлы. Такое сочетание котлов с тепловыми насосами достаточно часто используется, позволяет снизить срок окупаемости и повысить энергоэффективность применения тепловых насосов. То же самое можно сказать и о солнечных коллекторах. Как правило, солнечные коллекторы рассчитаны на пиковую нагрузку и имеют достаточно высокий срок окупаемости. Сочетание с котлами и тепловыми насосами позволяет найти оптимум первоначальных инвестиционных затрат и экономии энергетических ресурсов. Эта комбинация широко используется в южноевропейских странах, в США, на севере Африки. Особенно популярно и эффективно использование таких сочетаний, в основном с солнечными коллекторами, в курортных странах: Турции, Испании, Марокко, Египте.

Требования к помещениям для котлов

Требования к помещениям, в которых устанавливаются котлы, достаточно стандартные. Для котлов сравнительно большой мощности требуется выделять отдельное помещение – теплогенераторное. Для коттеджей иногда строят отдельные котельные, чтобы отделить помещение повышенной пожарной опасности.

Малые котлы для небольших коттеджей разрешается устанавливать непосредственно в доме. Как правило, для этих целей используют помещение кухни или вспомогательное помещение.

В помещениях для котлов должен быть достаточный объем, высота, воздухообмен. Такое помещение должно хорошо проветриваться, и самое главное – продукты сгорания не должны распространяться по помещению. Это достигается путем создания в помещении небольшого разрежения. Большое разрежение не допускается, поскольку многие котлы могут работать с горелками на естественной тяге, т.е. не с надувными, а с атмосферными. Если будет очень большое разрежение, тяга в котлах может опрокинуться. Котел – это средство повышенной опасности, поэтому к выбору помещения и к месту размещения котла надо подходить очень аккуратно. Конструкции, расположенные вокруг котла, должны быть, безусловно, несгораемыми. Вентиляция должна быть гарантирована с учетом возможности как механического, так и естественного проветривания. Система вентиляции должна работать круглосуточно и круглогодично.

Как правило, внутри дома и на кухне можно устанавливать котлы мощностью до 35 кВт. Для более мощных котлов должна быть предусмотрена отдельная теплогенераторная либо отдельное здание с отдельным входом. Также регламентируется размер светопрозрачного ограждения, которое в случае взрыва котла должно выполнить функции легко сбрасываемой конструкции и принять на себя взрывную волну, чтобы напряжение взрыва не передалось на конструкцию дома и не привело к его разрушению. Естественно, в помещении теплогенераторной должна быть огнезащитная несгораемая конструкция; как правило, это штукатурка на стенах, на полу – керамическая плитка. Деревянной отделки в помещении теплогенераторной не должно быть. Использование помещения теплогенераторной для других целей (например, в качестве гардеробной или склада) недопустимо. Пожарной нагрузки в помещении теплогенераторной, в котельной не должно быть.

Напольные котлы, если это монокотлы, должны устанавливаться на небольшом постаменте, фундаменте. Котел должен быть выше пола на 5–10 см. В случае, если происходит авария, связанная с разрывом трубопроводов, это позволит избежать залива котла водой. Иногда в конструкции котлов уже заложена возможность подъема – специальные ножки. В некоторых современных котлах используется так называемый режим самосохранения. Когда жители уезжают на долгий период, они ставят режим самосохранения внутренней циркуляции, который при возникновении аварийной ситуации не позволяет котлу замерзнуть и выйти из строя. Но это не гарантирует незамерзаемость систем теплоснабжения: в этом режиме могут порваться трубы горячего водоснабжения, трубы отопления, но сам котел может остаться работоспособным.

Выбор котельного оборудования

Котельное оборудование можно условно разделить на три класса: элитный (высококачественное оборудование с хорошей автоматикой и высокими показателями надежности защиты), средний и эконом-класс. Ценовые характеристики соответствуют этим трем категориям. К элитному классу относятся в первую очередь немецкие производители. Отечественные котлы, к сожалению, можно отнести только к эконом-классу. Наибольшее массовое использование получили котлы типа АГВ и их модификации – достаточно надежные и простые, на сегодняшний день они являются комбинацией различных комплектующих, в том числе и высокотехнологичных, например, на них устанавливается автоматика Honeywel. К сожалению, основная доля отечественного рынка (порядка 70%) занята зарубежным оборудованием.

Выбор котла зависит от возможностей заказчика, от требований, предъявляемых к степени комфортности. Для небольших коттеджей площадью 120–150 м² используют, как правило, настенные двухконтурные котлы. Они широко применяются и в таун-хаусах эконом- и среднего бизнес-класса. В индивидуальных больших коттеджах, как правило, используются напольные котлы. Как правило, есть два типа теплообменников – стальные либо комбинированные (сталь или цветной металл) котлы и чугунные. Несмотря на то, что чугунные котлы достаточно тяжелые, они надежны, обладают достаточно высоким КПД и имеют свой сегмент применения. Почти все серьезные производители имеют свои линейки чугунных котлов. Отечественные чугунные котлы типа КЧМ обладают существенным недостатком. Если импортные котлы хорошо защищены с точки зрения режимов эксплуатации, то эта защита не всегда срабатывает на отечественных котлах. Дело в том, что чугун – достаточно хрупкий материал, и при возникновении конденсации на отдельных теплообменных секциях возникают сильные температурные напряжения, которые могут привести к разрыву чугунных теплообменников. Такие ситуации возникают, когда резко понижается температура обратной воды. Если она падает до +25…+30 °C, то на первых секциях по ходу обратной воды образуется конденсат, который приводит как раз к таким напряжениям, что может привести к повреждению котла. Автоматика должна предусматривать защиту от таких ситуаций. Как правило, импортные котлы имеют защитный контур циркуляции, который не позволяет снижать температуру поверхности теплообменной секции ниже температуры точки росы продукта сгорания. Отечественные модели, в отличие от импортных, не всегда снабжены такой защитой, поэтому они требуют аккуратной эксплуатации.

Котлы и отопительные системы

На сегодняшний день в коттеджах, в загородных домах наиболее распространены системы с местными отопительными приборами, которые ставятся, как правило, под окнами в помещениях. Разводка осуществляется традиционно вертикальными стояками, если это 2–3-этажный загородный дом; в случае горизонтальных систем разводка осуществляется, как правило, периметрально, трубы закладываются в подготовку пола либо в плинтусы, нижняя донная подводка – к отопительным приборам. В качестве трубопроводов используются как стальные, так и металлопластиковые трубы либо трубы из сшитого полиэтилена. Для открытой прокладки пластиковые и металлопластиковые трубы не подходят, т.к. имеют высокие коэффициенты линейного расширения и склонны к деформациям. Стояки из таких труб выглядят неэстетично. Эти трубы хорошо подходят для замоноличивания и вполне пригодны для систем отопления. Учитывая, что повысились требования к уровню теплозащиты наружных ограждений, и максимальные нагрузки в расчетный период снизились (для Москвы, в частности, при –28 °C, уровень максимальной теплоотдачи 50–60 Вт), при такой теплоотдаче уже вполне можно использовать системы напольного отопления. Они могут полностью компенсировать теплопотери дома, включая и нагрев вентиляционного воздуха, т.е. компенсацию теплопотерь, связанную с инфильтрацией. Как правило, системы напольного отопления зонные, т.е. для каждого помещения создается отдельный контур, и теплоснабжение дома осуществляется от общей коллекторной гребенки, на которой устанавливаются балансировочные клапаны и термостат. Эти системы, безусловно, более комфортны, чем с местными приборами, и постепенно они начинают применяться в загородном коттеджном строительстве. Иногда системы комбинируют: напольное отопление сочетают с местными приборами, например напольное отопление устраивают в прихожих, на кухне, в ванных комнатах; в остальных помещениях (спальнях, детских, игровых) устанавливают местные нагревательные приборы. Такие варианты должны быть грамотно запроектированы с тем, чтобы циркуляция и расход воды в контурах для напольного отопления и местных приборов соответствовали расчетным характеристикам. Это делается либо с помощью соответствующих балансировочной арматуры, либо с использованием дополнительных циркуляционных насосов для отдельных контуров, например для контуров напольного отопления. Стоит помнить, что для длительного постоянного пребывания максимальная температура поверхности пола не должна превышать +26 °C, для ванных комнат она может быть около +30 °C, для бассейнов – до +33 °C, поэтому температурный режим системы теплоснабжения для напольного отопления отличается от температурного режима для местных приборов. Местные приборы, как правило, подбираются для коттеджей по графику в расчетном режиме +80…+60 °C, реже +85…+90 °C. Это связано с тем, что пластиковые трубы имеют ограничения по максимальной температуре теплоносителя, и их долговечность существенно снижается при его высоких температурах. Что же касается систем напольного отопления, если они используются в комбинации с местными приборами, то в контур напольного отопления уже подается обратная вода после местных приборов. Но, повторюсь, на сегодняшний день требования по уровню теплозащиты таковы, что можно обойтись без местных приборов, чисто напольным отоплением. В этом случае режим приготовления воды для систем напольного отопления будет низкотемпературным, температура подающей воды должна быть +40…+45 °C, а температура обратной воды не более +25…+30 °C. В таком режиме надо соответствующим образом устанавливать регулировку, чтобы не было конденсации водяных паров (если это не конденсационные котлы) – специальный циркуляционный контур должен защищать поверхность котлов от внутренней конденсации.

Интересно, что систему напольного отопления можно использовать для охлаждения помещения летом. Такие системы появились в Европе сравнительно недавно. Они более комфортны и имеют преимущества по сравнению с традиционными системами кондиционирования (сплит-системами или фэнкойлами): отсутствие шума, движущихся частей, больших градиентов по температуре и скорости движения воздуха в помещении. Однако надо отметить, что температура поверхности пола не должна падать ниже +20…+21 °C. При этом нагрузка на систему охлаждения – возможность снять тепло с квадратного метра такой напольной системы охлаждения – ограничивается величиной порядка 25–30 Вт/м². Это сравнительно небольшая нагрузка, но в сочетании с тепловой защитой наружных ограждений ее достаточно для того, чтобы поддерживать комфортную температуру в помещении даже при самых высоких экстремальных наружных температурах летом. Другой особенностью такой системы, которая используется и летом, и зимой, является то, что рассчитывать эту систему надо не по холодному периоду года, не по режиму отопления, а по режиму охлаждения, поскольку режим охлаждения предполагает более плотную укладку трубопроводов с тем, чтобы обеспечить соответствующую теплоотдачу. Потом рассчитанную укладку трубопроводов необходимо проверить в режиме отопления.

Возможные ошибки при проектировании

Существует определенный класс ошибок, связанный с неправильным выбором мощности котла. Некоторые проектировщики, исходя из того, что большой запас мощности гарантирует высокую степень комфортности, зачастую закладывают 2–3-кратный запас мощности котла. Это приводит к достаточно напряженным режимам эксплуатации. Котлы работают в режимах частых перерывов с напряжением систем регулирования (балансировочной и термостатической арматуры, электроники). Режим «on/off» при частом использовании приводит к быстрому выходу из строя систем терморегулирования. Для нормальной работы котла достаточен запас не более 10–15% по отношению к расчетной мощности.

Другая ошибка связана с тем, что зачастую не предусматривается компенсация нагрузки на вентиляцию. Как правило, в загородных домах стараются не применять механическую вентиляцию, а ориентируются на местную. Если пренебречь этой вентиляционной составляющей, то можно не обеспечить комфортной среды обитания. Иногда приходится сталкиваться с ситуациями, когда в особо холодные периоды, да еще при невысоком уровне теплозащиты дома и высоком уровне инфильтрации, жители вынуждены закрывать вентиляционные отверстия, ограничивая воздухообмен, чтобы поддерживать нужный уровень температуры. Эта ситуация связана с неправильной оценкой тепловой потребности здания. То же касается недоучета потребности в горячем водоснабжении. Иногда при использовании котла малой мощности, особенно со скоростными теплообменниками, надо ждать 30–40 мин, чтобы наполнить ванну на 170–200 л. Может возникнуть и ситуация, когда одновременно требуется пользоваться горячей водой и на кухне, и в ванных, поэтому при выборе котла надо обращать внимание на приоритет горячего водоснабжения.

Что касается внутренних систем отопления, здесь важно не экономить и обеспечивать возможность автономного регулирования в каждом помещении. Термостатические регуляторы с автонастройкой позволят достаточно надежно регулировать температуру в зданиях разной ориентации: даже при низком зимнем солнце солнечная радиация в помещениях южной ориентации может приводить к перегреву. Если системы не имеют позонного регулирования и приборы не оборудованы регулирующими термостатами, вероятно возникновение существенной диспропорции. С южной стороны температура может подниматься до +27 °C, а с северной оставаться на уровне +18…+20 °C. Такие температурные контрасты нежелательны. При использовании местных отопительных приборов необходимо ставить на каждый из них термостатический регулятор, а для напольного отопления использовать зональные нагреватели.

Конечно, необходим правильный подбор материалов. Иногда используются трубы, не соответствующие режимам отопления: например, ППРЦ (полипропиленовые трубы) не выдерживают высокую температуру. Если система отопления эксплуатируется с температурой на подаче +85…+90 °C, обычные трубы ППРЦ деформируются и могут разрушиться. Необходимо учитывать это и закладывать трубопроводы, которые гарантированно предназначены для систем отопления.

В современном строительстве при монтаже систем отопления и горячего водоснабжения все большее распространение получают медные трубы, и здесь важно учитывать вопросы, связанные с компенсацией тепловых удлинений. Медь имеет достаточно большой коэффициент линейного удлинения, поэтому надо обратить внимание на самокомпенсацию тепловых удлинений, чтобы ситуация не привела к разрушению систем. Если из-за теплового удлинения трубопровод упрется в стенку, может случиться авария. При прохождении трубопровода через стены должны использоваться хорошие гильзы.