Основные критерии выбора теплогенератора для системы автономного теплоснабжения индивидуального жилого дома
Л. М. Махов, канд. техн. наук, профессор кафедры отопления и вентиляции Московского государственного строительного университета (МГСУ)
За последние годы в России, особенно в Московском регионе, отмечается значительный рост индивидуального жилищного строительства. Как правило, современный жилой дом представляет собой капитальное строение с постоянным проживанием людей, имеющее несколько этажей, включая цокольный, с большим количеством разнофункциональных помещений. Строительство подобного дома, естественно, сопровождается повышенными требованиями заказчика к комфорту проживания в нем. Помимо традиционных инженерных систем (отопление и горячее водоснабжение), в доме часто предусмотрены и другие теплопотребляющие системы: обогреваемые полы в отдельных помещениях, бассейн, приточная вентиляция, кондиционирование воздуха. Российский рынок очень быстро отреагировал на возросший спрос по современному оборудованию для подобных систем и, в том числе, по теплогенераторам. В настоящее время многочисленные зарубежные фирмы предлагают сертифицированное в России котельное оборудование, отличающееся как стоимостью, так и своими техническими возможностями. К сожалению, отечественная промышленность пока недостаточно удовлетворяет возросший спрос на подобную технику и предложить российскому потребителю высококачественное и многофункциональное теплогенерирующее оборудование для бытовых нужд. Приведенный ниже анализ основных критериев выбора котельного оборудования для индивидуальной жилой застройки предназначен, прежде всего, для проектировщика инженерных систем дома, так как только он сможет грамотно учесть при проектировании все требования заказчика к тепловому комфорту в его доме, оценить эксплуатационные характеристики различных теплопотребляющих систем, предложить и сопоставить различные варианты инженерного решения теплоснабжения здания.
Прежде всего, следует проанализировать стоимостной критерий, тем более что разница в цене на аналогичное по основным техническим характеристикам оборудование может быть существенная. Как и для любой импортной техники, наиболее низкие цены на теплогенераторы из южных стран Западной Европы (Италии, Испании, Югославии, Греции), стран бывшего соцлагеря (Чехии, Словакии, Польши, Венгрии) и стран Азии (Южной Кореи, Сирии). К этой категории можно отнести и оборудование из США, которое одно из первых появилось на российском рынке, но не получило в дальнейшем широкого распространения. Возрастание цены наблюдается по мере удаления страны-производителя на север Европы. У оборудования этих стран по опыту его многолетней эксплуатации в климатических и технических, часто отличающихся от идеальных, условиях средней полосы России мало отказов в работе. Оно лучше адаптировано, например, к возможным сбоям в подаче к нему энергоносителей*. Многие западные фирмы, давно работающие на российском рынке и заинтересованные в нем, специально занимаются вопросами, связанными с подобной адаптацией. Принимая решение о выборе теплогенератора, особенно в сложной с большим количеством разноплановых потребителей теплоты схеме теплоснабжения, необходимо помнить об обеспечении его надежности эксплуатации в более суровых условиях России. Экономия капитальных затрат в этом случае может впоследствии привести к большим эксплуатационным затратам и обернуться для заказчика в лучшем случае высокой стоимостью эксплуатации оборудования, в худшем — необходимостью дополнительных затрат на восстановительный ремонт инженерных систем, а иногда и самого здания. И все-таки главными критериями выбора теплового оборудования следует признать его технические, а не стоимостные показатели, так как квалифицированный выбор инженерного решения может привести, в том числе, и к снижению капитальных и эксплуатационных затрат на систему автономного теплоснабжения дома. Ниже рассмотрены именно эти критерии.
Конструктивные особенности
Конструктивные особенности теплогенератора определяются, прежде всего, видом используемого в нем топлива. Наиболее доступным и дешевым в настоящее время является природный газ. Газовые водогрейные котлы оборудуются либо встроенной атмосферной горелкой (поступление воздуха для горения газа за счет естественной тяги в дымовой трубе), либо выносной горелкой (принудительное создание газовоздушной смеси). Разница в конструкции котла при этом существенная, что связано с технологическим принципом устройства топочной камеры. Здесь необходимо отметить, что почти все импортные котлы рассчитаны на номинальное давление газа в подключаемой к ним сети не менее 20-25 мбар, чего практически никогда не бывает в наших газовых сетях низкого давления. Опыт эксплуатации показывает, что котлы с атмосферной горелкой достаточно устойчиво работают при снижении давления до 12-14 мбар, правда, с естественной потерей расчетной мощности. Если давление газа в сети значительно ниже номинала, рекомендуется применять котлы с выносной горелкой. Принципиально различаются теплогенераторы с емкостью для нагрева воды цельностальной или набранной из отдельных, как правило, чугунных секций. Последние более коррозионностойкие, что важно, так как качество воды, которой заполняются инженерные системы дома, часто далеко от идеального. Секционные котлы, которые могут поставляться на объект в разобранном виде, удобны при монтаже в стесненных условиях стройплощадки. Еще одно их преимущество — возможность быстрой аварийной замены в процессе эксплуатации вышедшей по какой-либо причине из строя секции. Стальной котел в этом случае придется менять целиком.
Бытовые котлы обычно устанавливаются непосредственно на пол котельной или на невысокий, до 200 мм, фундамент. В особую группу необходимо выделить настенные газовые котлы, или так называемые термоблоки, которые имеют очень широкое распространение на Западе. Их предлагают почти все фирмы, производящие и поставляющие на российский рынок котельное оборудование. Настенный генератор теплоты имеет много преимуществ. Он компактен, удобен в монтаже и эксплуатации, универсален в выборе места его размещения в доме. Котел оснащен уже встроенным в него необходимым оборудованием: циркуляционным насосом, расширительным мембранным баком, воздухоотводчиком, предохранительной и запорной арматурой. Определенный тип данного котла позволяет отказаться от традиционной дымовой трубы и отводить продукты сгорания через наружную стену с помощью специальной конструкции «труба в трубе». Настенные котлы выпускаются двух типов: одноконтурные и двухконтурные. Последние осуществляют как функцию отопления, так и горячего водоснабжения, однако их применение по рекомендации самих производителей ограничено двумя точками разбора горячей воды. В условиях России, где потребитель в отличие от западного пока не имеет экономических стимулов рационально расходовать воду, рекомендуется применять одноконтурный котел в сочетании с настенным или напольным емкостным водонагревателем. Однако, применительно к климатическим условиям России эти котлы имеют существенный недостаток — низкую расчетную мощность, составляющую не более 30 кВт. Это в настоящее время ограничивает их применение или реконструируемыми квартирами в условиях старой городской застройки, или небольшими, чаще всего вспомогательными, постройками (гараж, баня, дом охраны и т. п.) при основном загородном жилом доме. Если сопоставить мощностные возможности и стоимость такого оборудования, то его можно признать котлом будущего, котлом для так называемого среднего класса населения страны, который в России только еще зарождается.
При отсутствии газа следующим по значимости является более дорогое дизельное топливо. Его использование для работы теплогенератора заметно повышает стоимость самой котельной за счет появления в ее схеме дополнительного оборудования (топливных баков, системы топливоподачи, стабилизатора тяги и т. д.), а также эксплуатационную стоимость вырабатываемой генератором теплоты. Но при выборе для теплоснабжения высокоэффективного котла с надежной дизельной горелкой и многофункциональной автоматикой расходы можно свести к оптимальному минимуму. Здесь, как и для газового теплогенератора, многое зависит от грамотной наладки работы горелки и автоматики котла и профессионализма организации, осуществляющей его обязательное постоянное техническое обслуживание. Как правило, конструкция подобного котла универсальна и переход на использование в нем природного газа осуществляется простой и быстрой заменой выносной дизельной горелки на газовую с последующей ее наладкой. Котел продолжает работать с той же автоматикой, каких-либо переделок в тепловой схеме котельной при этом не требуется. Ряд стран (Германия, Швейцария, Финляндия) предлагают на нашем рынке и комбинированные горелки, работающие на двух видах топлива, в которых переход на другое топливо осуществляется простым поворотом крана. Но подобные горелки достаточно сложны в устройстве и наладке и, соответственно, значительно дороже и по своей стоимости, и в эксплуатации.
Электрические теплогенераторы не находят широкого применения в России, в основном, из-за высокого тарифа стоимости электроэнергии при ее использовании на отопительные нужды, а также из-за часто ограниченного лимита расчетной электрической мощности, выделяемого индивидуальному застройщику. Подобные котлы с мощностью до 20 кВт чаще всего используются для отопления и горячего водоснабжения жилых или вспомогательных домов с небольшой площадью.
Опыт эксплуатации котельного оборудования показывает, что при выборе даже дорогого теплогенератора следует стремиться к его максимальной конструктивной простоте, что является залогом его надежности. Некоторые фирмы предлагают комбинированные водогрейные котлы, конструкция которых позволяет использовать для его работы несколько, иногда до 4 видов топлива (природный газ, дизельное топливо, электричество, дрова или уголь). Наличие в котле дополнительного встроенного оборудования, не относящегося непосредственно к функционированию самого котла (циркуляционный насос, расширительный бак, нагреватель для горячей воды, предохранительная и иная арматура), несколько упростит и ускорит монтаж котельной. Но при этом, опять же, следует обратить внимание на то, чтобы не снизилась надежность теплогенератора, не усложнилась его дальнейшая эксплуатация, а также обслуживание и ремонт указанного выше оборудования, которое лучше при проектировании вынести за пределы котла. От чего не следует отказываться, так это от наличия в конструкции горелки котла возможности плавно или ступенчато изменять его мощность в зависимости от постоянно изменяющейся теплопотребности подключенных к нему систем. Это в значительной мере повысит устойчивость работы котельного оборудования в процессе эксплуатации.
Особо следует сказать о выборе нагревателя для системы горячего водоснабжения. Для этих целей в индивидуальном жилом доме больше всего подходит не скоростной, тем более встроенный в котел, а отдельно стоящий емкостной водонагреватель. Его объем определяется проектировщиком исходя из расчетного количества одновременно работающих точек водоразбора и согласованных с заказчиком предполагаемых индивидуальных особенностей водопотребления в его доме.
Тепловая мощность
Правильное и точное определение расчетной мощности теплогенератора не только экономит деньги заказчика, но и в значительной мере предопределяет устойчивость работы котельного оборудования в процессе эксплуатации, а также его долговечность. К сожалению, следует констатировать, что некоторые торгующие котлами фирмы продолжают практику подбора котельного оборудования для своих клиентов без должного в таком случае проектного сопровождения и расчета требуемой мощности в соответствии с действующими в России нормативными требованиями. Подобный подход к этому важному вопросу чаще всего выражается в определении мощности по отапливаемой площади дома без учета теплотехнических свойств его наружных ограждающих конструкций и функциональных особенностей других возможных теплопотребляющих систем.
Выбираемая мощность водогрейного котла складывается из расчетных мощностей теплопотребляющих систем жилого дома. Мощность системы отопления определяется в результате расчета теплопотерь дома при расчетной температуре наружного воздуха в районе строительства (средняя температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92) и расчетных или согласованных с заказчиком значениях температуры внутреннего воздуха в различных помещениях. При этом определяются точные значения коэффициентов теплопередачи всех наружных ограждений здания в соответствии с их конструкцией и теплотехническими характеристиками применяемых строительных материалов.
Мощность системы отопления определяется в результате расчета теплопотерь дома при расчетной температуре наружного воздуха в районе строительства (средняя температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92) и расчетных или согласованных с заказчиком значениях температуры внутреннего воздуха в различных помещениях.
Выбор расчетной мощности системы «теплый пол» зависит от ее функционального назначения. Если эта система предназначена для полной или частичной компенсации теплопотерь дома, то ее мощность уже учтена в предыдущем расчете. Однако часто эта система используется как дополнительный тепловой комфорт в отдельных помещениях (ванная комната, бассейн, сауна, зимний сад и т. п.). В этом случае требуется определение дополнительной мощности в зависимости от расчетной температуры на поверхности пола и внутреннего воздуха в этом помещении с учетом нагреваемой площади. В любом случае при выборе и расчете напольного отопления проектировщику следует помнить о том, что по санитарно-гигиеническим соображениям температура на поверхности нагретого пола ограничена. Причем по российским нормам эта температура (26°С) ниже, чем в нормах западных стран.
Если в доме предусмотрена система приточной вентиляции или система кондиционирования воздуха с использованием водяных калориферов, их расчетная мощность определяется при той же расчетной температуре наружного воздуха и принятой в проекте этих систем температуре приточного воздуха с учетом расчетного воздухообмена в вентилируемых помещениях.
Требуемая мощность системы теплоснабжения бассейна рассчитывается с учетом объема его ванны, возможных теплопотерь через ее конструкцию и с поверхности воды, а также требуемой продолжительности первоначального и текущего прогрева бассейна.
Особо следует оговорить учет при выборе мощности теплогенератора расчетной теплопотребности системы горячего водоснабжения. Связано это с тем, что автоматика выбранной конструкции котла может иметь возможность приоритетного включения водонагревателя этой системы. При этом работа системы отопления на этот период временно прекращается. В этом случае можно получить значительную экономию за счет частичного или полного снижения расчетной мощности теплогенератора на величину требуемой мощности системы горячего водоснабжения. Но принять такое решение можно только после тщательного анализа возможных последствий остановки системы отопления, проводимого проектировщиком с учетом ее расчетной продолжительности и теплоинерционных особенностей здания. Только в результате подобного анализа может выявиться возможность снижения требуемой теплопотребности системы горячего водоснабжения при определении мощности генератора теплоты.
Как это отмечалось выше, при окончательном выборе расчетной мощности газового котла необходимо вводить повысительный коэффициент, учитывающий реальное давление в сети газоснабжения дома. Величина этого коэффициента должна определяться проектировщиком на основании официальных условий присоединения к наружной сети, выдаваемых заказчику газоснабжающей организацией.
Возможности регулирования и управления
Особенностью всех импортных теплогенераторов является то, что они комплектуются собственными средствами автоматизации, которые обеспечивают регулирование и управление процессами функционирования не только самого котла, но и всех подключенных к нему теплопотребляющих систем. А они, в свою очередь, различаются как температурными и гидравлическими параметрами работы, так и временем и продолжительностью действия.
Система отопления и система вентиляции или кондиционирования воздуха потребляют теплоту только в холодный и переходный периоды года. Изменение теплоподачи в них осуществляется путем изменения температуры воды от котла по задаваемому на его блоке управления графику качественного регулирования в зависимости от текущей температуры наружного воздуха. В более простом варианте изменение теплоподачи в систему отопления осуществляется с помощью регулятора температуры внутреннего воздуха, установленного в контрольном помещении дома. Система «теплый пол» рассчитывается с более низкими, чем в системе отопления и системе вентиляции, температурными параметрами воды и имеет в схеме котельной самостоятельный узел регулирования и управления. Действует она, как правило, круглый год и, в зависимости от назначения, имеет переменный или постоянный режим работы. Подача теплоты от генератора в систему горячего водоснабжения и систему теплоснабжения бассейна осуществляется периодически по мере необходимости и с различной продолжительностью, но обычно при форсированном режиме работы котла. Еще одной особенностью системы вентиляции или кондиционирования воздуха и системы теплоснабжения бассейна является то, что они, как правило, оснащены собственной автоматикой управления, которая должна быть сблокирована с системой управления теплогенератором.
Таким образом, особенно при сложной схеме теплоснабжения дома, выбор котла должен сопровождаться тщательной оценкой возможностей средств автоматизации, которыми фирма-производитель может его укомплектовать.
Все рассмотренные выше критерии выбора теплогенератора должны в полной мере отражаться в проектном решении автономной системы теплоснабжения жилого дома. Ведь наличие технически грамотного и обоснованного проекта инженерных систем строящегося здания — главный залог отсутствия проблем у его заказчика в будущем.
