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.

Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

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.

  • 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.

  • Воздушное отопление часто совмещается с вентиляцией. Для обогрева помещения используется поток воздуха.
  • Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    Разводка воздушного отопления.

    Экономичность

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

    Источник тепловой энергии Цена киловатт-часа тепла, рубли
    Газ (магистральный) 0,7
    Дрова 1,1
    Каменный уголь 1,3
    Пеллеты 1,4
    Газ (газгольдер) 1,8
    Газ (баллоны) 2,8
    Солярка 3,2
    Электроэнергия 3,6

    Автономные системы отопления: исследуем источники 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?

    Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    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.

  • 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.
  • Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    Электрокотел требует минимума внимания.

  • 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.

  • 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.
  • Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    Подача пеллет из бункера обеспечивает относительную автономность.

  • 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.

    Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    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.

    Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    На фото хорошо виден термостат, регулирующий положение поддувала.

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

  • Загрузка топки требуется каждые 2-4 часа.
  • 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.

  • Оно тлеет при ограниченном притоке воздуха, прогорая до состояния золы и производя пиролизный газ – те самые летучие углеводороды.
  • 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.

    Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    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?

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

    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.

    Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    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.

  • Зонды опускаются в вертикальные скважины глубиной 30 – 100 метров.
  • Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    Вертикальные теплообменники.

  • 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:

  • Коллектор помещается на дно незамерзающего водоема.
  • Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    Укладка теплообменника на дно пруда.

  • 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.

    Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    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.

    Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    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.

    Параметр Значение
    Модель кондиционера Cooper&Hunter CH-S12FTXN
    Стоимость с установкой 27000 рублей
    Тепловая мощность в режиме нагрева 4,12 КВт
    COP 4,2
    Потребляемая мощность в режиме нагрева 0,22 – 1,55
    Отапливаемая площадь 60 м2
    Поддерживаемая температура +22С
    Средняя температура месяца +2С
    Нижний пик температуры -21С
    Фактический расход электроэнергии кондиционером за месяц 400 КВт*ч
    Расположение Севастополь, Крым

    Автономные системы отопления: исследуем источники тепла

    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!

    Понравилась статья? Подписывайтесь на наш канал Яндекс.Дзен

    Оставить комментарий

    ОБЯЗАТЕЛЬНО приложите ФОТО проблемы — так ответ эксперта будет гораздо точней

    Оставляя комментарий, Вы принимаете пользовательское соглашение

    Ваше имя:
    Ваш e-mail:
    Источник gidroguru.com