САМЫЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ НОВЫЙ ЧАСТНЫЙ ДОМ (газ)
Исходя из доступного или применяемого вида топлива, наличия существующих систем энергоснабжения, их изношенности и эффективности (электроэнергия, тепло и газ) возможно множество различных вариантов энергоснабжения строящихся зданий или модернизации существующих. И только один-два пакета решений могут оказаться наиболее оптимальными.
В качестве стартового примера предлагаю ознакомиться с возможным вариантом отопления и обеспечения ГВС, реализованным мной на практике, индивидуального, с хорошей изоляцией нового дома, например, монолит + теплоизоляция + воздушная прослойка + облицовка в полкирпича. Окна из двойного стеклопакета, дом 2-х этажный, общая отапливаемая площадь 200 кв. м, имеется возможность в качестве топлива использовать сетевой газ, климатические условия: Московская или прилегающие области, количество жильцов - 4 человека, электроснабжение, водоснабжение и водоотведение от сети.
Стандартные и массово применяемые решения, которые в подобных базовых условиях предлагают большинство проектировщиков и поставщиков оборудования, сводятся к следующему:
1. Отопление осуществляется от батарей с расчетной температурой теплоносителя 95/70°С. Для каждого этажа свой циркуляционный контур, подсоединение батарей параллельное с установкой регуляторов температуры на каждой батарее. Производительность насосов будет зависеть от количества батарей и их конструкции. В среднем циркулирующий теплоноситель охлаждается в батарее на 1-2°С и по этой причине расход циркуляционной воды и производительность насосов составит несколько куб. м/час на каждый этаж.
2. ГВС осуществляется через подогрев холодной воды в теплообменнике от теплофикационной воды со своим контуром циркуляции либо за счет дополнительной поверхности теплообмена, встроенной в котел.
3. Мощность котла рассчитывается по формулам с 15-20% запасом, но, как правило, определяется по укрупненному нормативу из расчета на отопление 10 кВт мощности на 100 кв. м отапливаемой площади плюс 10-15 кВт для покрытия пиковой нагрузки при нагреве около 200 л/час холодной воды для ГВС. Итого 30 - 35 кВт. Важно помнить, чем выше сметная стоимость строительства, тем больший доход получают проектировщики и монтажники. Они не заинтересованы в минимизации ваших затрат.
4. Вам будет предложено установить 2 газовых котла с мощностью каждого 75-100% от расчетной нагрузки. Марка котлов скорее всего будет предложена от наиболее дорогих и известных фирм с чугунными поверхностями нагрева с КПД 92-94%. Как обоснование: это дорогие котлы, но имеют более длительный срок службы и не боятся солевых и коррозионных отложений. На каждом котле изготовителями установлены газовые горелки со встроенными вентиляторами подачи воздуха на горение и насосы циркуляционного контура котла, гарантирующие проектный объем циркуляции теплоносителя. Стоимость каждого котла с горелкой составит несколько тысяч долларов.
5. Схема теплоснабжения дома наиболее вероятно будет следующей:
5.1. На каждом котле имеется свой встроенный циркуляционный насос. За счет этих насосов создается котловой контур. Каждый насос забирает воду из общего коллектора, прогоняет ее через свой котел, где вода нагревается на 10-12°С, и направляет воду в общий коллектор. Таким образом, создается условно замкнутый котловой контур с гарантированным для безопасности котла объемом прокачиваемого теплоносителя.
Автоматика котлов настраивается на поддержание температуры воды на входе в котлы на одном не ниже, например, 65°С, а на другом - 60°С. Это означает, что первый котел автоматически включается при понижении температура воды на входе до 65°С. Котел работает всегда на полной нагрузке, разогревая воду в котловом контуре до максимально разрешенной автоматикой температуры, например до 90°С, после чего останавливается. Котловой насос не останавливается.
Если тепловая потребность дома возросла на столько, что мощности одного котла не хватает для стабилизации температуры в помещениях, то температура воды на входе в котлы начнет понижаться и при ее достижении 60°С включится второй котел. В этом случае подъем температуры в котловом контуре будет обеспечиваться мощностью двух котлов. При достижении максимально заданной температуры оба котла остановятся и цикл включения произойдет при очередном понижении температуры вводы в циркуляционном контуре на входе в котлы.
При каждом пуске котла за 20 - 40 секунд до подачи и розжига газа включается вентилятор для проветривания камеры сгорания. Цель: продуть котел от возможной загазованности, чтобы исключить вероятность хлопка в котле при розжиге, что может привести к выводу его из строя. При каждой продувке свежий воздух фактически берется с уличной температурой, подается в котел, нагревается там за счет остаточного тепла, а затем в горячем виде выбрасывается в атмосферу. Количество пусков - остановок котла в зависимости от температуры наружного воздуха может достигать 3-8 раз в час, что безусловно приводит к снижению реального КПД котлов.
Бытовые котлы устроены таким образом, что их максимальный КПД обеспечивается при минимальной температуре теплоносителя на входе в котел, разрешенной изготовителем, т.е. при 60°С и при стабильном расходе газа и эквивалентном ему количестве воздуха. При повышении температуры воды на входе в котел КПД котла снижается. При каждом пуске котла происходит постепенное повышение температуры воды на входе в котел от 60-65°С до 80°С, которая соответствует температуре выхода воды из котла 90°С. Большинство поставщиков не приводит диаграммы изменения КПД в зависимости от температуры теплоносителя на входе, т.к. реальный средний КПД работы котла с повышением температуры воды на входе может отличаться от номинального на 5-15 абсолютных процентов.
Таким образом, за счет частых продувок котлов при многократных пусках и при повышении температуры воды на входе в котел при каждом его пуске, фактический среднегодовой КПД работы бытовых газовых котлов может составлять 80-85%.
5.2. Из верхней части общего коллектора котлового контура происходит забор воды насосами циркуляционных контуров для обогрева первого и второго этажей, а также насосом для подачи горячего теплоносителя для обеспечения ГВС. Как правило, перед каждым насосом отопительного контура устанавливается трехходовой кран, предназначенный для стабилизации средней температуры теплоносителя, подаваемого в батареи. Это необходимо, чтобы исключить колебания температуры воды в батареях при каждом цикле включения котлов в работу.
6. Средняя расчетная потребность в тепле на отопление для 2-х этажных домов с рассматриваемой конструкцией здания будет 0,13- 0,14 Гкал/кв. м, что составит 26-28 Гкал/год плюс на ГВС - 7,2 Гкал/год. ИТОГО: 33,2 -35,2 Гкал/год. Исходя из паспортных характеристик котлов потребность в газе на теплоснабжение должна составит около 4500 - 4800 куб. м/год, реально она будет около 4900 - 5200 куб. м /год или 24,5 - 26 куб. м./кв. м в год. При стоимости газа 3,8 руб./куб. м затраты на топливо составят 18620 - 19760 руб./год или 93,1 - 98,8 руб./кв. м в год.
7. Потребность в электроэнергии будет складываться из необходимости обеспечения работы вентиляторов горелок и насосов: циркуляционных на котлах, для ГВС и отопительных контуров. Циркуляционные насосы котлового и отопительных контуров работают в течении всего отопительного периода, например, 210 суток по 24 часа, что составит 5040 часов. При потребляемой мощности каждого насоса 100 Вт, потребность в электроэнергии составит 1512 кВтч/год. Вентиляторы горелок и циркуляционный насос для ГВС включаются в работу по мере необходимости. При рассматриваемой схеме суммарная длительность их работы может составить около 1500 час./год в расчете на один котел. При суммарной потребляемой мощности электродвигателей вентилятора и насоса 400 Вт потребность в электроэнергии составит 600 кВтч. Итого для целей теплоснабжения: 2112 кВтч/год или 10,6 кВтч/кв. м в год. При стоимости электроэнергии 4,01 руб./кВтч, затраты на оплату электроэнергии для теплоснабжения дома составят около 8469 руб./год или 42,3 руб./кв. м в год.
Мое предложение радикально иное:
1. Никаких батарей и видимых труб в доме! Отопление выполнить от теплого пола с использованием теплоносителя с расчетной температурой 30-40/28°С. На два этажа дома один циркуляционный контур с насосом меньшей производительности, с регулированием температуры воздуха в каждом помещении, с одним автоматическим трехходовым краном для регулирования температуры теплоносителя в отопительном контуре.
2. ГВС осуществить от бойлера емкостью 200-250 л со встроенным змеевиком, запитанным от котлового контура со своим насосом, включающимся при понижении температуры воды в бойлере для ГВС ниже 45-50°С.
3. Для отопления и ГВС установить один котел мощностью 10-15 кВт исходя из наличия на рынке и доступности по цене.
4. Для учета потребленной электроэнергии устанавливается двухтарифный счетчик, заключается соответствующий договор с электроснабжающей организацией.
5. Котел приобретается с медными поверхностями нагрева, с закрытой камерой горения, снабженный горелкой с вентилятором подачи воздуха и со своим циркуляционным котловым насосом. Стоимость котла 35000-45000 рублей, что в несколько раз дешевле предыдущего варианта.
Обвязка котлового контура следующая. Котловой насос забирает воду из нижней части вертикального коллектора. Далее вода прокачивается через котел, нагревается на те же 10-12°С и поступает в верхнюю часть коллектора, снизу которого вновь поступает на всас котлового насоса.
Отопительный контур состоит из трехходового крана, циркуляционного насоса и специальных полиэтиленовых труб разводки теплоносителя. Горячая вода с верха котлового коллектора через трехходовой кран забирается насосом теплофикационного контура, прокачивается по змеевикам, уложенным в теплых полах, и охлажденная на 5-10°С возвращается в нижнюю часть коллектора.
Средняя температура воздуха в доме поддерживается трехходовым краном, исключающим превышение температуры обратной воды выше заданной, поступающей с теплых полов, за счет постоянного перепуска части обратной холодной воды на смешение с горячим теплоносителем, поступающим на вход трехходового крана из котлового контура.
6. Подача теплоносителя в теплый пол в отопительный период осуществляется не непрерывно все 5040 часов/год, как с использованием батарей, а периодически в течении 1-14 часов в сутки в зависимости от температуры наружного воздуха, преимущественно в ночное время с 11 вечера до 7 утра. Это позволяет снизить количество пусков котла до 1 раза в сутки и потреблять электроэнергию по ночному тарифу, стоимость которого в 2,8 раза меньше среднесуточного. Подача теплоносителя в бойлер для ГВС в летнее время осуществляется по мере необходимости на 1 час, преимущественно после 11 часов вечера.
Автоматика котла настраивается таким образом, что котел автоматически включается в работу в 11 часов вечера каждый день с предварительной продувкой камеры горения либо при снижении температура воды для ГВС в бойлере ниже 45-50°С. Котел в отопительный период находится в работе непрерывно до тех пор, пока температура обратной воды в общем коллекторе на выходе из теплых полов не повысится до 30-32°С, что будет соответствовать средней температуре пола 24-26°С и гарантирует температуру воздуха в помещении на уровне заданной 22-23°С в оставшееся время суток до нового включения котла в работу. Кроме этого, остановка котла осуществляется при повышении температуры циркулирующей воды на выходе из котла до 85°С, что происходит в летнее время, когда котел включается для обеспечения ГВС.
Автоматика может включить котел в работу в любое время суток при понижении температуры воздуха в помещении ниже заданной на 0,5-1°С, но, как показывает многолетний личный опыт эксплуатации подобной схемы, устойчивость системы и запасы тепла в теплых полах столь высоки, что подача очередной порции тепла в пол осуществляется исключительно в очередное ночное время.
7. Средняя расчетная потребность в тепле на отопление в данном варианте будет около 0,1 Гкал/кв. м в год, что составит 20 Гкал/год плюс на ГВС - 7,2 Гкал/год. ИТОГО: 27,2 Гкал/год. Исходя из паспортной характеристик котла потребность в газе на теплоснабжение должна составит около 3700 куб. м/год или 18,5 куб. м/кв. м в год. Это позволяет экономить около 7 куб. м газа в год на каждом отапливаемом квадратном метре. При стоимости газа 3,8 руб./куб. м затраты на топливо составят 14060 руб./год или 70,3 руб./кв. м в год, что в 1,36 раз меньше типового варианта.
8. Потребность в электроэнергии будет складываться из необходимости обеспечения работы вентилятора горелки и насосов: циркуляционного на котле, для ГВС и в отопительном контуре. Насосы котлового и отопительного контуров работают большую часть времени отопительного периода от 1 до 8 часов в сутки, Только при среднесуточной температуре наружного воздуха ниже минус 15°С длительность непрерывной работы системы циркуляции теплоносителя увеличивается до 10-14 часов в сутки. Как показывает практика, период работы контура свыше 8 часов/сутки не превышает 20-30 суток в году. В среднем время работы котла с насосами в отопительный период составляет около 2000 часов за сезон. При потребляемой мощности насосов по 90 Вт и вентилятора горелки 150 Вт, потребность в электроэнергии составит 660 кВтч/год.
Насос для ГВС в отопительный период работает по 1 часу в сутки. При потребляемой мощности насоса для ГВС - 90 Вт, потребность в электроэнергии на него составит 19 кВтч за 210 суток. В летнее время длительность работы котла с насосом для ГВС не превышает 1 часа в сутки, что составляет около 155 часов. Потребляемая мощность насосов и вентилятора горелки в летний период времени составит 330 Вт, а потребность в электроэнергии за 155 суток составит 51,2 кВтч.
Итого для целей теплоснабжения: 730,2 кВтч/год или 3,7 кВтч/кв. м в год, что в 2,9 раза меньше выше рассмотренного варианта. При этом, только около 50 кВтч будет оплачено по дневному тарифу, а 680 кВтч по ночному. При стоимости электроэнергии по ночному тарифу 1,56 руб./кВтч и по дневному тарифу 4,6 руб./кВтч затраты на электроэнергию для теплоснабжения дома составят 1291,1 руб./год или 6,5 руб./кв. м в год, что в 8 раз меньше типового варианта.
* * *
Теплый пол представляет собой систему трубок из специального модифицированного полиэтилена с защитными покрытиями внутренней и внешней поверхности трубок от воздействия кислорода воды и воздуха Ду16*2,5мм. На квадратный метр черновых полов по специальной методике укладывается 3-4 погонных метра трубок, которые затем заливаются песчанно-цементной стяжкой толщиной 50-60мм. Выравнивающая стяжка в доме делается в любом случае независимо от типа отопления, так что все затраты сводятся к приобретению и укладке специальных трубок под выравнивающей стяжкой, суммарная стоимость которых сопоставима со стоимостью дорогих батарей с регуляторами температур и затрат на их монтаж.
Преимущества предлагаемой схемы теплоснабжения дома (теплый пол + периодическая подача теплоносителя) сводятся к следующему:
1. Потребление тепла и топлива на отопление дома снижается на 25-30% по сравнению с батареями. Это происходит по следующим причинам.
1.1. При отоплении дома от батарей для передачи необходимого количества тепла в помещение температуру воздуха, отходящего от относительно малых по площади батарей, необходимо поддерживать на 10-20°С выше, чем в среднем по комнате. Более горячий воздух поднимается от батарей вдоль внешней стены здания и этим предопределяет большую, чем по сравнению с теплым полом, разницу температур между внешней температурой и температурой воздуха внутри помещения у стены здания. От теплого пола теплый воздух, нагревшись на 0,5-1°С выше средней по помещению, поднимается к потолку, создавая равномерный температурный профиль по всему объему отапливаемого помещения. Из формул теплопередачи известно, что при прочих равных условиях именно разность температур внутреннего и внешнего воздуха определяет количество тепловых потерь из дома в атмосферу.
1.2. Для нормальной жизнедеятельности человека воздух в доме должен постоянно заменяться на более насыщенный кислородом. Вентиляция помещений осуществляется через вентиляционные шахты с решетками, расположенными под потолком. При отоплении от батарей под потолком всегда находится слой воздуха, имеющий температуру на 1-3°С выше, чем в среднем по комнате. При отоплении от теплого пола температура воздуха под потолком всегда на 0,5-1°С ниже, чем в среднем по комнате. Соответственно, при одинаковом объеме сбрасываемого из помещения воздуха, потери тепла через вентиляцию из помещений, отапливаемых от батарей, всегда будут выше, чем при отоплении от теплого пола.
1.3. В районе батарей стена здания всегда имеет более высокую температуру за счет лучистого тепла, излучаемого батареей. При теплом поле этот эффект отсутствует, соответственно, нет потерь тепла, вызванных данной причиной.
1.4. При однократном в сутки включении в работу котла в сотни раз снижается количество времени продувки и выдуваемого в атмосферу тепла из камеры котла, что снижает потребность в газе и электроэнергии.
1.5. Применение медных нагревающих поверхностей в котле вместо чугунных и исключение повышения температуры циркуляционной воды на входе в котел выше 60-65°С (температура обратки всегда 28-32°С) обеспечивает режим работы котла с его КПД максимально близким к номинальному, т.е. к 92-94%, что недостижимо для типовых схем.
Суммарный тепловой эффект приводит к снижению теплопотребления на отопление, к повышению КПД котла, к снижению его необходимой установленной мощности.
2. Установленная мощность котлов может быть в 2 раза ниже, соответственно и затраты на их приобретение и монтаж, чем при использовании батарей по следующим причинам:
2.1. Как показано выше, снижается теплопотребление дома и повышается среднегодовой КПД работы котла.
2.2. Наличие бойлера с запасом горячей воды, наличие теплого пола с запасом тепла, обеспечивающим сохранение необходимой температуры в помещении на 10-20 часов даже при отключении подачи теплоносителя, что невозможно сделать при использовании батарей, позволяет исключать необходимость создания специальной тепловой мощности, покрывающей пиковые потребности в ГВС. Как известно, дневная температура воздуха зимой всегда на 5-15°С выше, чем ночью. В течении суток автоматика всегда найдет возможность подогреть объем воды в бойлере до нужной температуры.
2.3. Теплый пол обладает запасом тепла, который обеспечивает сохранение в зимнее время положительных температур в доме в течение 5-15 суток при отключенной системе теплоснабжения. Это позволяет без проблем переживать возможные краткосрочные аварии с подачей электроэнергии или газа, а также, при наличии в регионе специализированных служб в ремонте соответствующих видов котлов (например, газовые службы, как правило, согласовывают установку только тех типов котлов, на ремонт которых они имеют специалистов и запасные части), исключать необходимость тратить средства на создание резервной мощности, которая, чаще всего, никогда не будет использована.
3. Система теплоснабжения на основе труб из модифицированного полиэтилена имеет целый спектр преимуществ по сравнению с батареями:
- имеет срок службы более 100 лет,
- не забивается продуктами коррозии из-за их отсутствия,
- коэффициент трения воды по полиэтилену в 8-11 раз меньше, чем воды по металлу, что позволяет с меньшим перепадом давления прокачивать большие объемы теплоносителя,
- теплосъем на батарее обычно не превышает 1-2°С, при теплом поле - 8-12°С, что позволяет кратно снижать объем циркулирующего теплоносителя,
- теплый пол при повышении температуры всего объема стяжки на 1-3°С позволяет относительно быстро накапливать тепло, а затем равномерно в течении длительного времени отдавать его через любое покрытие (плитка, паркет с коврами, линолеум и т.п.) в количестве, достаточном для сохранения комфортной температуры в помещении.
4. Как следствие вышеперечисленного, кратно снижается объем перекачиваемого теплоносителя за отопительный сезон с одновременным снижением гидравлического сопротивления системы. Это создает условия для снижения количества установленных циркуляционных насосов в отопительном контуре и их производительности. Снижается необходимый напор на насосах и мощность двигателей на них и, как итог, снижает время циркуляции теплоносителя и электропотребление для работы системы отопления в среднем в 2,5 - 3 раза.
5. Перевод подачи теплоносителя на преимущественно ночной период времени, одновременно с использованием, например, стиральной машинки преимущественно ночью, позволяет снизить затраты на оплату электроэнергии по сравнению с типовыми схемами отопления в 7 - 8 раз.
Приведенный выше пример позволяет будущим владельцам домов значительно снизить затраты на теплоснабжение, как на стадии строительства, так и при эксплуатации здания, одновременно создавая более комфортные условия проживания в доме. Предлагаемое решение самое эффективное из известных мне для отдельно строящегося здания. Я с удовольствием делюсь им с вами. Если у кого-нибудь есть идеи, как еще снизить затраты, давайте вместе улучшать условия нашей жизни.
Предлагаемый комплексный вариант снижения энергоемкости зданий с определенными нюансами безусловно применим для любых видов зданий, включая многоэтажные многоквартирные дома. В России объем ввода новых зданий (жилье + бюджетные и прочие отапливаемые здания) в последние годы составляет около 75-80 млн. кв. м/год. Предлагаемое решение позволяет снижать потребность в топливе только для теплоснабжения зданий на 550 млн. куб. м/год в газовом эквиваленте, а с учетом снижения потребности в топливе на производство электроэнергии на 700 млн. куб. м/год.
Как следует из приведенных аргументов, для снижения энергоемкости строящихся и модернизируемых помещений никаких специальных затрат не требуется. Нужно желание снижать затраты на теплоснабжение и воля обеспечить это снижение не только со стороны застройщиков, но и будущих владельцев помещений, которым в последующие годы эксплуатации придется достаточно много средств ежемесячно переплачивать за однажды принятое и выполненное неэффективное проектное решение.
В месте с тем, при одновременном строительстве группы подобных и рядом стоящих зданий, может быть предложен другой набор еще более экономически привлекательных технических решений. Но об этом, как и об экономичном теплоснабжении домов при отсутствии газа, например, с использованием угля, в следующих публикациях и при условии, если почувствую, что мои предложения востребованы.