Принципы энергоэффективного отопления загородного дома

Рис. 1. Двухканальный таймируемый термостат фирмы ELCO

Существенное подорожание электроэнергии, природного и сжиженного газа, дизельного топлива заставляет застройщиков искать наиболее эффективные способы обогрева загородных домов. Особенно это касается систем отопления для дачных строений сезонного и постоянного проживания и небольших коттеджей общей площадью до 200 м₂. Какое же оборудование лучше всего подходит для реализации таких систем?

Обзор существующих систем отопления

Сразу оговоримся, что будем рассматривать только системы отопления, способные работать автономно. А значит, сразу придется исключить из обзора котлы и печи на твердом топливе, требующие постоянного контроля и поддержания горения с участием человека.

Системы отопления на природном газе охватывают практически весь спектр мощностей — от 6 кВт и выше. Однако для многих садоводческих товариществ и дачных поселков централизованное газоснабжение еще долгое время будет недоступно по экономическим соображениям. В среднем затраты на разработку и реализацию проекта газификации небольшого поселка в Московской области на сегодня равны расходам на отопление электричеством в течение 20 лет. Кроме того, содержание обслуживающего персонала газового хозяйства и регламентные работы тоже требуют денег, да и сам газ дорожает из года в год. Так что этот вариант — далеко не самый экономичный.

Хорошо подходят для индивидуального использования системы на сжиженном газе. Но стоимость оборудования и монтажа для них, пожалуй, наиболее высока. Не каждый индивидуальный застройщик примет решение устанавливать на садовом участке под землей емкость высокого давления объемом в несколько кубометров. И опять же существенным недостатком остается высокая стоимость топлива, к которой прибавляются еще и расходы на его транспортировку.

Стоимость тепловой энергии, получаемой при помощи системы на дизельном топливе, ниже, чем при газовом отоплении. Однако такие системы не очень подходят для небольших строений — используемые в них дизельные котлы в подавляющем большинстве дорогостоящи и рассчитаны на тепловую мощность от 40 кВт и выше. Для установки котла и емкости с топливом требуется отдельное помещение. Монтаж, наладка и обслуживание систем возможны только с участием специалистов обслуживающих организаций. Это оборудование нельзя назвать безопасным для окружающей среды — при его эксплуатации воздух, почва и вода загрязняются продуктами сгорания дизельного топлива. Из-за его низкого качества регулярно возникает необходимость в чистке горелки.

Рис. 2. Электрокотлы семейства ЭОВ предприятия ВНИИЭТО, г. Истра

В сегменте мощностей от 3 до 18 кВт основную долю занимают системы с электрическими нагревателями. Они наиболее эффективны с точки зрения стоимости оборудования, управления, КПД, безопасности и эргономики. Их монтаж, ввод в эксплуатацию и обслуживание индивидуальный застройщик может произвести самостоятельно. К недостаткам систем электрического отопления можно отнести прежде всего высокую стоимость киловатта электроэнергии, кроме того, во многих поселениях наблюдаются скачки напряжения и дефицит мощности, последнее может стать причиной ограничения потребления электричества. Однако стоимость можно компенсировать за счет возможности двух- или трехтарифного учета расхода электроэнергии. Проблемы загрузки сетей и нестабильности параметров тока могут быть решены переходом на трехфазное электроснабжение и установкой индивидуальных стабилизаторов. Из сказанного выше следует, что наилучшим образом для обогрева небольших частных домов подходят системы отопления с электрическим источником тепла.

Наиболее простое и дешевое решение заключается в использовании автономных электрических конвекторов, которые в широком спектре представлены на российском рынке. Однако последние могут применяться только для местного отопления (например, в санузлах), а самое главное — они пожароопасны и должны находиться под постоянным наблюдением.

Этого недостатка лишены системы с жидким теплоносителем, включающие в свой состав котел, радиаторы, сеть гидравлических коммуникаций и управляющую автоматику с насосами и запорно-регулирующей арматурой.

До недавнего времени наиболее популярными среди жидкостных установок были гравитационные системы, в которых теплоноситель двигался за счет разности температур прямой и обратной магистрали. Основными достоинствами таких систем являются простота монтажа, минимум компонентов, а следовательно — высокая надежность, возможность работы без источника электроэнергии (с газовым котлом). Сейчас такие системы, оснащенные газовым или твердотопливным котлом, распространены там, где наблюдаются регулярные перебои с подачей электроэнергии. Среди недостатков гравитационных установок можно отметить высокую металлоемкость, вызванную необходимостью применения трубопроводов относительно большого диаметра для устойчивой циркуляции, инерционность, некомфортную высокую температуру теплоносителя в подающей магистрали, невозможность гибкого перераспределения мощности тепловой установки между отапливаемыми помещениями, слабую управляемость.

Появление на рынке широкого спектра компонентов автоматики управления, а также трубопроводов из композитных материалов привело к распространению отопительных систем с принудительной циркуляцией. Именно с их помощью можно добиться максимальной энергоэффективности.

Управляемость системы

Рис. 3. Погодозависимый контроллер серии Е8 фирмы KromSchroder (Германия): внешний вид (а); семейство относительных кривых (б)

Базовым принципом, характеризующим энергоэффективную систему отопления, является ее управляемость. С точки зрения управления можно выделить два основных режима работы: статический, когда длительное время поддерживается постоянная температура, заданная потребителем, и динамический, когда производится интенсивный нагрев помещения до нужной температуры (форсирование). Температура теплоносителя устанавливается в зависимости от режима.

Самый простой вариант реализации этого принципа — установка термостата с датчиком температуры теплоносителя в подающей или обратной магистрали котла. Котел при этом включается или выключается в зависимости от соотношения заданной и реальной температур.

Следующий шаг — установка таймируемого («недельного») термостата, который позволяет управлять температурой теплоносителя не только в заданных пределах, но и по часам и дням недели. Температура может быть снижена в ночное время или для предотвращения замерзания трубопроводов водоснабжения. В настоящее время на рынке представлено большое количество термостатов с различным набором функций в широком ценовом диапазоне. Один из полнофункциональных таймируемых термостатов изображен на рис. 1.

Применение комнатных термостатов и термостатических клапанов (головок) эффективно лишь в том случае, если необходимо управлять отоплением отдельных помещений посредством включения и отключения отдельного радиатора или зависимого контура. Управление отопительной установкой по температуре воздуха неэффективно из-за неизбежного перерегулирования, возникающего вследствие высокой инерционности отапливаемого помещения.

Следует особо подчеркнуть, что для обеспечения безопасности системы в магистрали котла должен быть в обязательном порядке установлен резервный термостат, например механического типа, настроенный на максимальную температуру.

Управляемость тепловой установки

Потребность в тепле зависит от температуры ограждений и воздуха в сооружении, а также уличной температуры. Управление мощностью котлов осуществляется следующими способами: включением и отключением в соответствии с величиной регулируемой температуры, подключением дополнительных ступеней, модуляцией.

В электрических котлах реализуются все изложенные способы. В приборах, доступных на российском рынке, как правило, предусмотрено две-три ступени мощности. Каждая ступень обеспечивается отдельным тэном и может управляться независимо. Среди отечественных электрокотлов с возможностью управления отметим семейство нагревателей марки ЭОВ предприятия ВНИИЭТО, г. Истра Московской области (рис. 2).

Их отличительная особенность — высокая надежность, которую обеспечивают простота конструкции и применение тэнов из нержавеющей стали. Малые габариты позволяют установить агрегат в жилом помещении, например на кухне или в санузле. Диапазон мощностей — от 2 до 18 кВт.

Управление включением и отключением ступеней котла осуществляется контроллером или термостатом посредством электромагнитного или твердотельного реле. Последнее предпочтительнее, благодаря широкому диапазону управляющих напряжений, отсутствию помех при переключении, бесшумной работе и большому ресурсу. Из недостатков твердотельных реле можно отметить более высокую стоимость и необходимость отвода тепла, что также удорожает конструкцию. Наиболее доступны на отечественном рынке реле фирмы CRYDOM (США).

Модуляция — один из перспективных способов управления котлом. Она представляет собой плавное регулирование мощности устройства за счет управляющего сигнала на входе. Управление может быть как аналоговым — посредством изменения управляющего (модулирующего) напряжения или тока в установленном диапазоне — или цифровым, путем передачи команд по специальной шине.

Использование модуляции в общем случае позволяет повысить КПД установки и минимизировать колебательные процессы в работе системы.

В современных котлах на газе и жидком топливе регулирование мощности производится за счет изменения расхода топлива, поступающего через форсунку, и положения дроссельной заслонки. Оборудование, оснащенное такой системой, стоит дорого и предназначено для выработки больших тепловых мощностей.

В системе с электрическим котлом использование модуляции оправдано лишь в случае, если мощность нагревательной установки выбрана с запасом, что редкость в условиях дефицита электроэнергии. Тогда плавное регулирование мощности позволит снизить мгновенный ток, потребляемый котлом, а следовательно, разгрузить сеть.

Осуществляется регулирование мощности при помощи тиристорных регуляторов, работающих по фазовому принципу, или за счет коммутации напряжения в момент переходов фазы через ноль. Для управления регулятором используются управляющие сигналы в одном из стандартов: аналоговое напряжение 0–10 В, 2–10 В или 1–5 В, ток 5–20 мА. Среди доступных на отечественном рынке регуляторов можно отметить изделия фирм FOTEC, SIPIN, WATT, AUTONICS и другие. Следует иметь в виду, что тиристорные регуляторы создают электрические помехи в сети. Особенно ощутимо они проявляются при работе на половинной мощности. Поэтому при использовании данных устройств необходимо соблюсти все требования по минимизации помех. Наиболее эффективным и дешевым способом снижения помех, на наш взгляд, является использование отдельной выделенной шины питания силовой части электроустановки.

Погодозависимое управление

Рис. 4. Упрощенная функциональная схема погодозависимой системы отопления с независимым и зависимым контурами

В большинстве доступных систем температура теплоносителя в контурах, а следовательно, и мощность тепловой установки устанавливается, исходя из значений температуры на улице и в помещении.

Основные преимущества погодозависимого управления системой заключаются в увеличении комфортности отопления, эффективности использования мощности отопительной установки и экономии энергии.

Для реализации такого управления применяется погодозависимый контроллер. В простейшем случае он представляет собой таймируемый термостат с включенными контурами регулирования температуры теплоносителя в зависимости от внешних условий.

Температура теплоносителя рассчитывается по так называемой кривой отопления. На рис. 3б представлено типичное семейство таких кривых для контроллеров серии E8 фирмы KromSchröder (Германия).

Параметры кривых отопления, как правило, находятся экспериментальным путем, в ходе многочисленных наблюдений и анализа накопленного опыта. Чем точнее задана кривая, тем выше эффективность работы системы.

Некоторые погодозависимые контроллеры имеют канал пропорционально-интегрального (ПИ) регулирования температуры теплоносителя по температуре воздуха в помещении. Благодаря электронным датчикам, подключенным к управляющим контроллерам, процесс может быть реализован с высокой точностью. В контроллерах KromSchröder серии E8 точность поддержания температуры с учетом погрешности измерения составляет ±0,3 °C.

При отклонении температуры помещения от заданного значения контроллеры серии E8 корректируют температуру теплоносителя в соответствующем отопительном контуре. В результате для контуров, отапливающих сильно охлажденные помещения, теплоноситель будет нагреваться максимально интенсивно (в режиме форсировки). По мере прогрева помещений температура теплоносителя будет пропорционально снижаться, вплоть до величины, определяемой отопительной кривой.

Рассмотренный способ регулирования температуры помещений эффективен при совместном использовании, например, электрического и печного отопления. При повышении температуры помещения за счет теплоотдачи печи температура теплоносителя в соответствующем отопительном контуре снижается, вплоть до отключения контура. Тем самым исключается необходимость управления системой вручную.

Типичные представители погодозависимых контроллеров — уже упоминавшийся KromSchröder серии E8, Honeywell (Германия) семейства Smile версии 3.0, Fantini Cosmi (Италия) EV87. Также на рынке представлены устройства производителей Siemens и Danfoss.

Термостатирование помещений по программе отопления

Изменение заданных значений температуры отапливаемых помещений по установленной программе особенно удобно, когда номинальный режим отопления нужен лишь в определенные дни и часы, когда в помещении предполагается присутствие людей, а в остальное время достаточно работы в режиме защиты от промерзания.

Полезным дополнением является наличие нескольких программ, что позволяет быстро изменять график отопления без перенастройки оборудования.

Большинство представленных на рынке погодозависимых контроллеров (KromSchröder, Honeywell, Fantini Cosmi и другие) обеспечивают данную возможность.

Независимое отопление помещений

Рис. 5. Применение исполнительных устройств для реализации маломощных систем отопления

Следующий шаг в достижении комфорта и экономии энергии — отопление отдельных помещений, их групп или строений собственной отопительной подсистемой (контуром). Это особенно актуально, если помещения используются с неодинаковой периодичностью, когда их конфигурация, масса и теплоемкость ограждающих конструкций различны. Типичный пример: первый этаж с тяжелыми капитальными стенами из кирпича или дерева, где находятся все коммуникации, отапливается круглосуточно. Второй этаж, легкое щитовое сооружение, отапливается лишь во время присутствия там людей. Дополнительно сооружение может быть оснащено системой ГВС и «теплым полом».

Раздельное отопление осуществляется за счет устройства многоконтурной системы с раздельными независимыми контурами с одним котлом или каскадом теплогенераторов. Вопросу проектирования таких систем посвящен ряд книг. Мы же рассмотрим их функционирование на уровне общих принципов. На рисунке 4 представлена упрощенная функциональная схема погодозависимой системы отопления с независимым контуром.

Эта система работает следующим образом. Циркуляция теплоносителя через коллектор и зависимый контур обеспечивается насосом Нк; через независимый контур — насосом Н2. В цепи теплогенератора (коллекторе) потоки теплоносителя из обоих контуров складываются. По данным датчиков: уличной температуры Ду, температур помещений Дп₂ и Дп₁ управляющим контроллером К рассчитывается величина температуры теплоносителя в коллекторном контуре. Как правило, она соответствует максимальной из температур, запрашиваемых каждым потребителем с учетом потерь на доставку теплоносителя. Температура теплоносителя на выходе теплогенератора непрерывно контролируется датчиком Дк, показания которого учитываются при управлении мощностью теплогенератора или каскада теплогенераторов.

Температура теплоносителя на входе независимого контура, рассчитанная с учетом уличной температуры и температуры отапливаемого помещения, контролируется датчиком Д₂. Согласно его показаниям и рассчитанному значению температуры производится управление смесительным клапаном СМ₂ посредством электропривода. При большой разнице расчетной и фактической температур теплоносителя на входе независимого контура прямая ветвь клапана полностью открыта. По мере прогрева теплоносителя в контуре прямая ветвь смесительного клапана начинает закрываться совместно с открытием входа, подключенного к обратной магистрали, охлажденный теплоноситель из которой частично подмешивается к поступающему на вход контура. Вне зависимости от величины открытия смесительного клапана циркуляция через контур остается постоянной, и это является существенным преимуществом по сравнению с классической одно- или двухтрубной системой отопления с параллельными контурами. При полном закрытии прямой ветви циркуляция в отопительных контурах производится раздельно.

Один погодозависимый контроллер, такой как KromSchröder E8.5064 — топовая модель серии E8 (рис. 3а) способен одновременно управлять двухступенчатым котлом, двумя независимыми отопительными контурами со смесительными клапанами и насосами, контуром ГВС, твердотопливным котлом и солнечным коллектором. При этом измеряется и поддерживается температура в двух раздельных помещениях. При использовании модулей расширения, управляемых по цифровой шине, число независимых отопительных контуров может быть увеличено до 16, а число котлов или отдельных ступеней — до 8.

Исполнительные элементы рассмотренной системы отопления — циркуляционные насосы, смесительные, байпасные, зональные и другие клапаны и привода к ним широко представлены на отечественном рынке. Наиболее востребованы компоненты производителей: MUT Mechanics (Италия), ESBE (Швеция), Honeywell (Германия), Oventropp (Германия), Heimeir (Германия), Danfoss (Дания), Grundfos (Дания) и другие. Примеры исполнительных устройств для организации маломощных систем отопления с независимыми контурами представлены на рис. 5.

Для облегчения и упрощения монтажа оборудования разработан широкий спектр так называемых готовых гидроколлекторов, созданных по принципу «все в одном»: все исполнительные элементы расположены в одном модуле, при необходимости легко демонтируются и заменяются. При монтаже остается только подключить котел и магистрали отопительных контуров. На рис. 5е представлен комплект на базе гидроколлектора «Элемент 2» (ГидроЛОГО) для реализации двухконтурной системы отопления, представленной на рис. 4.

При проектировании системы отопления выбор исполнительных элементов должен производиться на основе гидравлических и тепловых расчетов. Для гарантированной совместимости и экономии денежных средств к выбору и приобретению оборудования лучше всего привлечь специалистов с многолетним опытом по монтажу и эксплуатации.

Дистанционное управление

Рис. 6. Общий вид системы отопления

Возможность дистанционного управления системой отопления позволяет достичь дополнительного комфорта в случае, когда помещение посещается нерегулярно. Рассматриваемая функция реализуется при помощи внешней шины контроллера, которая также часто используется для конфигурирования и ввода рабочих параметров устройства через персональный компьютер. В контроллерах KromSchröder серии E8 предусматривается до двух аналоговых входов для управления режимом работы и оптический вход — для подключения к ПК. В контроллере EV87 возможность двустороннего обмена данными реализуется посредством интерфейса RS 232 и открытого протокола обмена данными, поддерживаемого GSM-модемом; управление производится по SMS.

Если в доме смонтированы охранная сигнализация или устройства домашней автоматики, управляемые по телефонной сети, GSM, контроль работы системы отопления можно обеспечить, например, при помощи релейных выходных каналов, интерфейса RS 232 или другим способом.

Ряд современных контроллеров поддерживают возможность удаленного мониторинга состояния отапливаемого объекта и системы отопления. Он используется для отслеживания внештатных ситуаций в работе системы, регистрации выхода температур за пределы установленных значений, накопления статистик для точной настройки параметров регулирования, проведения планового техобслуживания.

Минимальная тепловая инерционность системы

При высокой инерционности в системе отопления имеют место такие негативные эффекты, как перерегулирование, колебательный характер и высокая длительность переходных процессов. Помимо дополнительных затрат энергии это приводит к сокращению ресурса отопительного оборудования.

Снизить инерционность системы можно, уменьшив металлоемкость и объем теплоносителя за счет выбора оптимальных сечений гидравлических магистралей и установки теплоотдающих приборов с минимальной емкостью.

Отдельно следует подчеркнуть, что снижение расхода энергии на отопление при любой организации системы может быть достигнуто только при устройстве ограждающих конструкций здания в соответствии с последними нормами [8, 10] с использованием современных материалов и технологий.

Вопрос выбора управляющего и приводного оборудования для автоматизации системы отопления решается совместно с оценкой эффективности и окупаемости затрат на стадии проектирования системы отопления.

Пример реализации системы

В заключение рассмотрим пример реализации погодозависимой системы отопления в двухэтажном деревянном доме с общей отапливаемой площадью 100 м². Мощность теплогенератора — 6 кВт. Общий вид такой системы представлен на рис. 6.

Система состоит из теплогенератора и двух отопительных контуров.

Один контур предназначен для постоянного отопления первого этажа, имеющего массивные бревенчатые ограждающие конструкции, является зависимым и совмещен с коллектором. В контуре реализовано погодозависимое ступенчатое регулирование с учетом температуры воздуха в помещениях первого этажа. В качестве исполнительных механизмов в нем использованы: циркуляционный насос, трехходовой разделительный клапан с термоэлектроприводами, предназначенный для отключения отопительных приборов от контура и подключения байпаса во время, когда нагрев помещений не требуется. Клапан совместно с байпасным контуром обеспечивает постоянство циркуляции жидкости через коллектор при отсутствии необходимости подачи тепла в нагревательные приборы первого этажа.

Другой — независимый контур предназначен для периодического отопления второго этажа, имеющего легкие деревянные ограждающие конструкции. В нем реализовано погодозависимое пропорциональное регулирование с учетом температуры воздуха в помещениях второго этажа. В качестве исполнительных механизмов использованы циркуляционный насос и трехходовой смесительный клапан с трехточечным приводом.

Коллекторный контур включает двухступенчатый электрокотел с независимым управлением и тепловые приборы, установленные в помещениях, требующих постоянного отопления: санузлах первого и второго этажей и на кухне.

Управление системой производится погодозависимым контроллером KromSchröder E8.5064. Каждый контур включает в себя датчики температуры теплоносителя, температуры воздуха в помещении и на улице. Дополнительно предусмотрены: блок бесперебойного питания, поддерживающий работу контроллера в случае обесточивания электросети, и релейный блок домашней автоматики с модулем GSM, реализующий функции дистанционного управления режимами работы контроллера. Управление теплогенератором производится посредством твердотельных реле.

Заключение

Безусловно, в статье удалось рассмотреть далеко не весь спектр системных решений и компонентов для энергоэффективного отопления для малых зданий. Но такой задачи и не ставилось, цель статьи — рассказать об основных принципах, применение которых позволит добиться существенной экономии энергии как во вновь проектируемых, так и при модернизации существующих систем отопления.

Будущее энергоэффективных систем отопления в секторе малой частной застройки, на наш взгляд, в широком внедрении удаленного управления и мониторинга, в том числе интерактивного, посредством сети Интернет. Не последнюю роль здесь играют беспроводные технологии, позволяющие организовать информационный обмен с удаленными районами.

Использованные источники:

1. Кокорин О.Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования (систем ВОК). — М.: Проспект, 1999. — 208 с.
2. Умнякова. Н. П. Как сделать дом теплым. — справ. пособие. — М.: Стройиздат, 1996. — 386 с.
3. Порецкий В. В., Березович И. С., Стомахина Г. И. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: жилые здания со встроенно-пристроенными помещениями общественного назначения и стоянками автомобилей. Коттеджи: справочное пособие. — М.: ПАНТОРИ, 2003. — 308 с.
4. Пырков В. В. Особенности современных систем водяного отопления. — Киев: «Таки справи», 2003. — 176 с.
5. Русланов Г. В., Розкин М. Я., Ямпольский Э. Л. Отопление и вентиляция жилых и гражданских зданий: Проектирование: справочник. — Киев: Будiвельник, 1983. — 272 с.
6. Ткачук А. Я., Зайченко Е. С., Потапов В. А, Цепелев А. П. Системы отопления. Проектирование и эксплуатация. — Киев: Будiвельник, 1985. — 136 с.
7. СНиП 41–01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
8. СНиП 23–02–2003. Тепловая защита зданий.
9. СП 7.13130.2009. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Противопожарные требования.
10. СНиП 23–01–99. Строительная климатология.
11. СНиП 21–01.97. Пожарная безопасность зданий и сооружений.
12. ГОСТ 12.1.004–91. Пожарная безопасность. Общие правила.
13. www.hydromontage.ru
14. http://www.honeywell-ec.ru/
15. http://www.vniieto.su
16. http://www.kromschroeder.de
17. http://www.fantinicosmi.com

А. В. Бумагин, кандидат технических наук