Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

Тема этой статьи – системы автономного отопления. Мы постараемся выяснить, какими они бывают и что может использоваться в качестве источника тепловой энергии для них. Кроме того, нам предстоит провести сравнительный анализ экономичности и удобства использования тех или иных решений.

Красивый дом. А чем его отапливать?

Классификация

Начнем с того, по каким признакам можно классифицировать автономное отопление.

По источнику тепловой энергии.

Вот список возможных решений:

• Газ (магистральный и сжиженный – в газгольдерах и баллонах).
• Уголь.
• Дрова.
• Пеллеты (гранулированные отходы деревообработки).
• Дизтопливо.
• Электроэнергия.

По способу переноса тепла от котла к периферийным помещениям.

Их всего два.

1. Водяное отопление наиболее популярно из-за высокой теплоемкости воды.

Заметьте: наряду с водой могут использоваться теплоносители с более низкой температурой кристаллизации, позволяющие не бояться разморозки при остановке нагрева и циркуляции. В основной массе это смеси воды с этилен- и пропиленгликолем.

2. Воздушное отопление часто совмещается с вентиляцией. Для обогрева помещения используется поток воздуха.

Разводка воздушного отопления.

Экономичность

Давайте сравним расходы, которые сулит владельцу каждый из перечисленных источников тепла.

Газовый котел – лидер экономичности.

Нюанс: в отдельных регионах страны конкретные цены могут отличаться. Впрочем, их соотношение сохранится.

Особый случай

Исследование эксплуатационных расходов принесло нам неожиданное открытие: в 21 веке дрова по-прежнему остаются самым дешевым источником тепла в отсутствие магистрального газа. Мало того: для жителей сельской местности расходы на них могут и вовсе свестись к нулю – сбор валежника и обрезка деревьев на участке способы покрыть потребность в топливе. А вот самый, казалось бы, прогрессивный источник тепла – электроэнергия – оказался внизу списка.

Однако  этот расклад будет верным лишь для приборов прямого нагрева, преобразующих киловатт электрической мощности в киловатт мощности тепловой. Для теплового насоса картина принципиально другая: его устройство позволяет на каждый потраченный киловатт-час электроэнергии получить от 2 до 5 киловатт-часов тепла.

За счет чего?

Секрет прост: энергия тратится не на выработку тепла, а на его перемещение от низкопотенциального источника к высокопотенциальному. Проще говоря, устройство теплового насоса позволяет охладить и без того холодную среду еще сильнее и нагреть полученным теплом дом.

Как достигается этот эффект?

Принципиальная схема теплового насоса.

• Летучий хладагент сжимается компрессором и переходит в жидкую фазу с выделением большого количества тепла.
• Это тепло отдается теплообменнику и используется для нагрева помещения.
• После теплообменника отдавший тепло хладагент проходит расширительный клапан и переходит в газообразное состояние, резко охлаждаясь при расширении.
• Затем он направляется во второй теплообменник. Поскольку тот при прохождении хладагента охлаждается до температуры, куда более низкой, чем у окружающей среды, возникает постоянный тепловой поток: хладагент нагревается и, нагревшись, возвращается к компрессору на повторный цикл.

Тепловые насосы с наиболее высоким COP (coefficient of performance, параметр, которым обозначается отношение тепловой и электрической мощности насоса в режиме нагрева) уменьшают стоимость киловатт-часа тепла до 3,6/5=0,72 рубля, что практически уравнивает их экономичность с газовым оборудованием и оставляет далеко позади конкурирующие решения.

Впрочем: для большинства тепловых насосов более реален средний в течение сезона  COP, равный 3 – 3,5.

Удобство использования

На экономичности список важных для потребителя качеств не заканчивается. Как минимум не менее важен еще один параметр – удобство использования.

А с этой точки зрения выстраивается совсем другая табель о рангах.

1. Все электрооборудование (как приборы прямого нагрева, так и тепловые насосы) полностью автономны и не требуют ухода или обслуживания. Отвод продуктов сгорания им по очевидным причинам тоже ни к чему.

Электрокотел требует минимума внимания.

2. Газовые и солярные котлы отопления тоже способны на длительную автономную работу. Однако по удобству эксплуатации они несколько уступают электроприборам: всем им требуется отвод продуктов сгорания; для соляры добавляется необходимость оборудовать для нее емкость объемом в несколько кубов и терпеть шум горелки, мало уступающий реву самолета на взлете.

Использование баллонного газа требует дополнительного внимания: баллон придется менять от раза в сутки до пары раз в неделю.

3. Срок автономной работы пеллетного котла может достигать недели за счет автоматизированной подачи топлива из бункера. Впрочем, как и всем твердотопливным устройствам, ему нужна периодическая чистка зольника.

Подача пеллет из бункера обеспечивает относительную автономность.

4. Наконец, дровяные и угольные котлы и печи требуют постоянного внимания: их приходится растапливать несколько раз в сутки.

Водяное отопление

Давайте ближе познакомимся с тем, какие источники тепла могут использовать автономные отопительные системы.

Газовые и соляровые котлы

Их устройство вполне понятно: газовая горелка греет теплообменник и передает тепло циркулирующему через него теплоносителю.

Что еще потенциальному покупателю полезно знать о газовом оборудовании?

• Энергонезависимые устройства оснащаются пьезорозжигом и используют для воспламенения основной горелки при падении температуры теплоносителя так называемую пилотную. Котлы с электророзжигом ее не имеют и за счет этого обеспечивают примерно 20-процентную экономию газа.

Обратите внимание: электророзжиг плохо сочетается с нестабильностью подачи электроэнергии в сельской местности. Отчасти, впрочем, проблема решается установкой источников бесперебойного питания, способных поддерживать работу котла в течение  4-6 часов.

• Атмосферная горелка отбирает воздух в помещении и отводит продукты сгорания в вентканал или дымоход. Закрытая горелка подразумевает отбор воздуха с улицы и отвод продуктов сгорания по той же коаксиальной (с двойными стенками) трубе.

Коаксиальный дымоход.

• Конденсационные котлы обеспечивают 9-11% экономии газа по сравнению с классическими. Они не только отбирают тепло у продуктов сгорания, но и конденсируют их на дополнительном теплообменнике. К слову, температура обратки в 30С, характерная для систем теплого пола, для них оптимальна; в обычном котле она вызывает выпадение конденсата на не приспособленном для этого теплообменнике и его досрочный выход из строя.
• Газовые котлы часто унифицируются с соляровыми. Существует много конструкций, позволяющих сменить вид топлива простой заменой горелки.

Твердотопливные котлы

Классическое устройство этого типа состоит из топки с рубашкой-теплообменником, входного и выходного патрубков, зольника с поддувалом и нехитрой системы автоматизации. При перегреве теплоносителя простейший механический термостат прикрывает поддувало, ограничивая доступ воздуха и уменьшая тепловую мощность прибора.

На фото хорошо виден термостат, регулирующий положение поддувала.

Такая схема проста, исключительно отказоустойчива, но имеет пару серьезных недостатков:

1. Загрузка топки требуется каждые 2-4 часа.
2. Ограничение притока воздуха приводит к катастрофическому падению КПД из-за того, что через дымоход улетучиваются продукты неполного сгорания. При ограниченном доступе кислорода дрова и уголь образуют угарный газ (к слову, токсичный) и летучие углеводороды.

В попытках решить эти проблемы была создана пара весьма любопытных конструкций.

Газогенератор

Газогенераторный (пиролизный) котел разбивает процесс сжигания топлива на два этапа.

1. Оно тлеет при ограниченном притоке воздуха, прогорая до состояния золы и производя пиролизный газ – те самые летучие углеводороды.
2. Затем пиролизный газ поступает в расположенную под основной топкой камеру дожигания, где через инжекторы к нему поступает новая порция воздуха. При высоких температурах это приводит к мгновенному воспламенению газовоздушной смеси.

Что в результате?

• Гибкая регулировка мощности без потери КПД.
• Длительное (до 12 часов) горение на одной закладке топлива.

Так работает газогенератор.

Верхнее горение

Еще более любопытна модификация газогенератора – печь верхнего горения. Принцип ее работы сводится к переносу процесса тления дров или угля с нижней на верхнюю поверхность закладки.

Как это работает?

1. В загруженную и разожженную сверху топку опускается подвижный воздуховод, заканчивающийся массивным диском – воздухораспределителем.
2. Приток воздуха обеспечивается по всей поверхности слоя топлива. Он дозируется регулируемым вручную или автоматически клапаном.
3. Камера над диском-воздухораспределителем используется для дожигания продуктов неполного сгорания. При этом восходящим потоком воздуха полностью уносится зола, способная помешать тлению.

Схема верхнего горения.

Максимальная продолжительность автономной работы, показанная котлом верхнего горения от литовской компании Stropuva – 31 час.

Электрокотлы

Приборы прямого нагрева тоже делятся на несколько категорий. ТЭНовые используют для нагрева трубчатые нагреватели, помещенные в проточный бак. Мощность регулируется ступенчато. Конструкция достаточно отказоустойчива, недорога и не имеет каких-то серьезных недостатков, кроме типичной для всех приборов прямого нагрева низкой экономичности.

Электродные котлы используют прохождение непосредственно через воду переменного тока. Их главное достоинство – компактность. Недостатки – постепенное растворение электродов и способность работать лишь в воде с определенным минерально-солевым составом.

Схема работы электродного котла.

Индукционный котел представляет собой помещенный в трубу из диэлектрика ферромагнитный сердечник и обмотку, возбуждающие в нем нагревающие металл вихревые токи. Главное достоинство индукционного котла – его феноменальная отказоустойчивость и неограниченный ресурс работы: в нем просто-напросто нет изнашивающихся со временем  деталей.

Важно: любые заявления о том, что какой-то электрический котел более экономичен, чем конкурирующие решения – первостатейная ложь. Любой прибор прямого нагрева превращает в тепло 100% потраченной электроэнергии. Даже если тепловая энергия в силу конструктивных особенностей не полностью передается теплоносителю, а частично  рассеивается в воздухе – она все равно греет ваш дом.

Тепловые насосы

Они могут использовать несколько типов источников низкопотенциального тепла.

Геотермальные

Теплообменники помещаются ниже уровня промерзания и отбирают тепловую энергию у грунта. Главная проблема этих насосов – дорогостоящий монтаж.

Возможны два его варианта.

1. Зонды опускаются в вертикальные скважины глубиной 30 – 100 метров.

Вертикальные теплообменники.

2. Коллектор укладывается горизонтально.

Второй вариант привлекателен тем, что траншею под горизонтальный коллектор можно вырыть своими руками, что заметно сократит расходы на монтаж. Однако площадь земли под коллектор должна примерно втрое превышать отапливаемую; при этом под посадки ее использовать нельзя – растения не перенесут температурного режима коллектора.

Водяные

Они могут быть реализованы двумя способами:

1. Коллектор помещается на дно незамерзающего водоема.

Укладка теплообменника на дно пруда.

2. Для теплообмена используется две скважины – дебитная и дренажная. Отдавшая тепло вода сливается обратно в водоносный горизонт.

Воздушные

Они могут стать идеальным вариантом для теплых климатических зон. Невысокая стоимость решения, дешевый и простой монтаж делают их очень привлекательным источником тепла в отсутствие магистрального газа.

Стоит, однако, учесть пару тонкостей.

• Даже лучшие устройства этого типа сохраняют работоспособность при температурах уличного воздуха до -25С.
• С падением температуры падает COP прибора. Если при +10 он равен пяти, то при -25С снизится до двух.

Важный момент, актуальный для всех типов тепловых насосов: чем ниже температура теплоносителя, тем меньше дельта между ней и окружающей средой, а значит – тем выше COP прибора. Именно поэтому с тепловыми насосами всех видов используются радиаторы с большим количество секций, а температура теплоносителя не поднимается выше +45С.

Внешний  блок теплового насоса “воздух-вода” от Buderus.

Воздушное отопление

Газовые, соляровые и твердотопливные котлы воздушного отопления полностью дублируют особенности своих собратьев, предназначенных для нагрева воды. Отдельно стоит выделить лишь пару конструкций.

Булерьян

Под этим названием, взятым у одного из первых производителей, скрывается конвекционная печь-газогенератор. Ее главная особенность – в том, что топка окружена открытыми снизу и сверху стальными трубами большого диаметра, в которых при нагреве возникают устойчивые конвекционные потоки. Криволинейность труб способствует эффективному перемешиванию воздуха в помещении.

Печь-булерьян.

Заметьте: нагретый воздух может быть разведен системой воздуховодов. Для его принудительной подачи могут использоваться обычные канальные вентиляторы.

Инверторный кондиционер

Любой кондиционер представляет собой частный случай теплового насоса, работающего по схеме “воздух-воздух”. Именно инвертор отличается тем, что использует преобразование переменного тока в постоянный, что позволяет гибко управлять мощностью компрессора. При нагреве воздуха до нужной температуры компрессор не останавливается, а снижает обороты.

Побочное следствие того, что компрессор постоянно в работе – способность инвертора выполнять свои функции при низких (вплоть до уже упомянутых -25С) температурах. Собственно, многие модели позиционируются производителями именно как бытовые тепловые насосы.

Отопление инверторами – несомненно, лучшее решение в регионах, где зимние температуры не опускаются ниже -10 – -20 градусов. Чтобы инструкция по выбору схемы отопления не была голословной, автор поделится собственным опытом использования инверторного кондиционера для обогрева мансарды прошлой зимой.

Инвертор серии Nordic способен работать при температурах до -25С.

Заключение

Надеемся, что наш миниатюрный обзор поможет читателю выбрать оптимальное для его условий решение. Дополнительную информацию о том, какой может быть автономная система отопления, предложит прикрепленное видео. Успехов!