Системы автономного горячего водоснабжения и отопления: оборудование и материалы

Котельная, обеспечивающая частный дом теплом и горячей водой

Наша сегодняшняя тема — оборудование для горячего водоснабжения и отопления и материалы, применяющиеся при монтаже этих систем. Мы обсудим сильные и слабые стороны каждого решения и сравним их по ряду эксплуатационных характеристик. Приступим.

Определения

Что такое автономное водоснабжение применительно к горячей воде?

Это всего лишь ее нагрев с температуры магистрального водопровода (+5 — +25 градусов в зависимости от времени года и климатической зоны) с использованием локального источника тепла до значений, комфортных для приема душа, мытья посуды и прочих хозяйственных нужд.

Электроприборы для автономного горячего водоснабжения

Полезно: согласно СП 30-13330-2012, центральное горячее водоснабжение должно подавать потребителю воду  с температурой в точке водоразбора 60-75 °С.  Этот же диапазон можно считать нормой для автономного приготовления горячей воды.

По аналогии, автономным отоплением называется поддержание в квартире, в загородном доме, в торговой точке и т.д. комфортной температуры с применением собственной генерации тепла, без подключения к тепловым сетям.

Автономное газовое отопление в квартире

Экономическая эффективность

Как мы выяснили, система автономного отопления и горячего водоснабжения нуждается в источнике тепловой энергии. Какой параметр этого источника наиболее важен для владельца? Разумеется, цена киловатт-часа тепла: чем она меньше, тем меньше будут расходы на отопление и ГВС.

Давайте сравним по этому параметру разные теплогенераторы. Приведенные ниже цены не претендуют на абсолютную точность, поскольку сильно зависят от местных условий (насыщения рынка соответствующими предложениями, коммунальных тарифов и т.д.); однако они позволяют составить представление о соотношении расходов при разных способах нагрева воды для ГВС и теплоносителя отопительной системы.

Изображение	Источник тепла и стоимость киловатт-часа тепловой энергии
Если дом газифицирован, вы уже обеспечены самым дешевым теплом	Природный газ с подачей из магистрали газоснабжения — 0,7 рубля
В 21 веке дрова остаются одним из наиболее доступных энергоносителей	Сухие дрова — 1,2-1,4 рубля
Уголь-антрацит	Каменный уголь — 1,4-1,7 рубля
Пеллеты — гранулированные отходы деревообработки	Пеллеты — 1,6-1,8 рубля
Установка газгольдера во дворе частного дома	Сжиженный газ с подачей из газгольдера — 2,4-2,8 рубля
Колонка с дизтопливом на автозаправке	Дизельное топливо — 3,4-4 рубля
Ввод электроэнергии в частный дом	Электроэнергия (приборы прямого нагрева) — 4-5,5 рублей

Соотношение цен говорит само за себя: выгоднее всего отапливать дом и греть воду газом. Электрическое автономное отопление и водоснабжение — явный аутсайдер.

Источники тепла

А теперь давайте ближе познакомимся с каждой разновидностью оборудования для ГВС и отопления, по возможности изучив их сильные и слабые стороны.

Газовый котел

Назначение: нагрев теплоносителя системы отопления; двухконтурные котлы, кроме того,  греют воду для нужд системы ГВС во встроенном проточном теплообменнике (см. Газовый котел для отопления и горячего водоснабжения: разновидности и особенности, на которые нужно обратить внимание при выборе).

Подключение двухконтурного котла

Классификация приборов возможна:

• По установке (настенные и напольные). Настенный котел обычно представляет собой полноценную мини-котельную: он оборудуется группой безопасности, циркуляционным насосом и (опционально) расширительным быком. Напольные котлы в среднем имеют большую тепловую мощность, но элементы обвязки приобретаются и монтируются отдельно;
• По материалу теплообменника (сталь, чугун или медь). Медные теплообменники применяют, в основном, для компактных настенных котлов, чугунные устанавливают в напольных агрегатах. Стальные варианты применяются по большей части в мощных промышленных отопительных установках;

Чугунные секционные теплообменники

• По побуждению тяги (естественному или принудительному). В первом случае котлу нужен отвод продуктов сгорания в дымоход и отбор воздуха для горелки из помещения, во втором воздухообмен с улицей (и только с улицей) осуществляется по коаксиальному (труба в трубе) дымоходу, проходящему через наружную стену дома;

Коаксиальный дымоход: в нём по внутренней трубе отводятся продукты сгорания, а по внешней — поступает к горелке уличный воздух

• По типу розжига. Он может быть пьезоэлектрическим или электронным.

В первом случае энергонезависимый котел разжигается вручную; при отключении основной горелки (после достижения заданной температуры теплоносителя) горение поддерживается запальником (пилотной горелкой), потребляющей до четверти от общего количества газа.

Во втором случае при простое котла потребление газа отсутствует. Кроме того, электронное управление позволяет задействовать внешние терморегуляторы (в том числе уличные), подключать метеостанции, управление по wi-fi и sms;

Панель прибора с электронным розжигом

• По полноте утилизации теплоты сгорания. Конденсационные котлы имеют дополнительный низкотемпературный теплообменник, отбирающий тепло у продуктов сгорания газа при изменении их агрегатного состояния. За счет этой особенности конденсационный газовый котел на 12-14% экономичнее традиционного.

Конденсационный газовый котел — самый экономичный отопительный прибор

Преимущества:

• Минимальная стоимость тепловой энергии;
• У котлов с наддувной горелкой — отсутствие отбора воздуха из помещения;
• У приборов с электронным розжигом — удобное дистанционное управление и возможность программирования температурных циклов (например, снижение дневной температуры в доме в рабочие дни недели и повышение в выходные).

Программируемая панель управления для газового котла

Недостатки: отсутствие магистрального газа в части населенных пунктов и дороговизна подключения к газовой магистрали.

Твердотопливный котел

Назначение: нагрев теплоносителя системы отопления (см. Твердотопливный котел на отопление и водоснабжение в вашем доме).

Классификация:

• По материалу корпуса и теплообменника (чугун имеет большую тепловую инерционность и более долговечен, зато стальные котлы заметно дешевле);
• По автоматизации подачи топлива. Классические твердотопливные котлы требуют ручной растопки, а автоматические пеллетные и угольные самостоятельно подают топливо из бункера, что обеспечивает время автономной работы до недели;

Пеллеты автоматически подаются из топливного бункера

• По способу сжигания топлива. В классических котлах весь его объем поджигается снизу; ограничение тепловой мощности достигается уменьшение притока воздуха прикрытом поддувалом и приводит к падению КПД из-за неполного сгорания.

В пиролизных устройствах топливо (дрова или пеллеты) тлеют в бедной кислородом атмосфере, а газообразные продукты их неполного сгорания затем смешиваются  в дополнительной камере с атмосферным воздухом и дожигаются. Такая схема дает гибкую регулировку мощности и отсутствие падения КПД;

Пиролизный котел, или газогенератор

Любопытно: обычно (но не обязательно) пиролизные устройства оборудуются дымососными вентиляторами, делающими регулировку мощности еще более гибкой.

Наконец, котлы верхнего горения — разновидность пиролизных, но с другим механизмом сжигания топлива. В них дрова или уголь поджигаются сверху и тлеют при ограниченной подаче воздуха через подвижный воздуховод. При этом зола уносится восходящим потоком продуктов сгорания.

Устройство котла верхнего горения

Преимущества:

• Доступность топлива в любых регионах;
• Относительная дешевизна тепла;
• Отказоустойчивость классических твердотопливных котлов (в них просто-напросто нечему ломаться).

Недостатки:

• У котлов с ручной загрузкой топлива — потребность в частой растопке (с промежутками от 4-6 часов у классических конструкций до 24-30 часов у приборов верхнего горения);

Растопка угольного котла

• Необходимость хранения запаса топлива;
• Зарастание дымохода сажей и необходимость его периодической чистки.

Дизельный котел

Назначение: автономное тепло- и водоснабжение (при наличии дополнительного контура).

Напольный дизельный котел

Классификация:

• По материалу теплообменника (чугун или сталь). Здесь действует тот же принцип, что и при выборе газового отопительного котла: чугун медленнее остывает, дольше служит, но стоит заметно дороже;
• По функциональности (одноконтурный, двухконтурный и двухконтурный с встроенным бойлером);
• По полноте использования тепловой энергии (как и газовые, дизельные котлы бывают конденсационными);
• По возможности смены горелки для перехода на газ. Универсальное оборудование, работающее на солярке и магистральном газе, позволяет вам сменить источник тепла после газификации дома с минимальными затратами.

Преимущества: автономность (время работы отопительного оборудования без вмешательства владельца ограничено только объемом топливного бака), доступность топлива на любой автозаправке.

Недостатки:

• Дороговизна тепла;
• Необходимость хранения большого запаса дизтоплива;

Баки с топливом в дизельной котельной

• Запах и высокий уровень шума при работе котла.

Электрокотлы

Назначение: отопление и (при наличии дополнительного контура) ГВС (см. Электрический котел для отопления и горячего водоснабжения: в погоне за экономией).

Классификация:

• По способу нагрева.

Наиболее распространены котлы с трубчатыми нагревателями (ТЭНовые). Индукционные котлы отдают тепло за счет нагрева ферромагнитного сердечника, погруженного в теплоноситель, наведенными внешней обмоткой вихревыми токами. Достоинство этой конструкции — абсолютная отказоустойчивость.

Индукционный котел

Электродные котлы работают только с умеренно чистой (но не дистиллированной) водой и греют ее за счет протекания тока между погруженными в теплоноситель электродами. Их преимущество — компактность при относительно большой мощности; ее оборотная сторона — необходимость периодической замены растворяющихся в воде электродов;

Электродный котел (слева внизу)

Важный момент: позиционирование любой из разновидностей электрокотлов, как экономичных нагревательных приборов — это, цитируя незабвенного Михаила Булгакова, случай самого настоящего вранья. Все они имеют КПД, с минимальной погрешностью равный 100%. Тепло, которое рассеивается через корпус прибора, при его установке в отапливаемом помещении, тоже способствует нагреву воздуха.

• По функциональности (дополнительный теплообменник для ГВС, подключение выносных термодатчиков, модули управления по GSM и т.д.);
• По наличию встроенных элементов обвязки (большая часть ТЭНовых котлов оснащается группой безопасности, расширительным баком и насосом).

ТЭНовые котлы: элементы обвязки расположены в корпусе

Преимущества:

• Гибкое управление тепловой мощностью;
• Отсутствие продуктов сгорания;
• Неограниченная автономность.

Недостатки: дороговизна тепла, большая нагрузка на энергосеть.

Тепловые насосы

Вначале — несколько слов о том, что это  такое.

Тепловым насосом называется электроприбор для перемещения тепловой энергии между двумя теплообменниками. Частные случаи теплового насоса — хорошо знакомые нам кондиционер и холодильник.

Холодильник работает на том же принципе, что и отопительный тепловой насос

Перекачка тепла достигается использованием циклического сжатия и расширения хладагента — фреона, имеющего достаточно низкую температуру фазового перехода между жидким и газообразным состоянием.

Цикл работы прибора выглядит так:

1. Фреон сжимается компрессором, в полном соответствии с законами физики нагреваясь при этом;
2. Затем он проходит внутренний теплообменник, где отдает избыток тепла и, остывая, переходит в жидкое агрегатное состояние;
3. Продолжая двигаться по замкнутому контуру, фреон проходит расширительный клапан и испаряется при резком падении давления. При этом его температура падает на несколько десятков градусов;
4. Холодный фреон проходит через второй теплообменник и отбирает у среды, в которую тот помещен, тепловую энергию;
5. Хладагент возвращается к компрессору, и цикл повторяется.

Принцип работы теплового насоса

Этот цикл имеет две очень полезных особенности:

1. Он позволяет перекачивать тепловую энергию от холодной среды — к более теплой;
2. Эффективная тепловая мощность прибора многократно превышает электрическую мощность компрессора, приводящего в движение хладагент.

Большую часть тепла вы получаете бесплатно

В качестве низкопотенциальной (холодной) среды, выступающей в роли источника тепла, современные отопительные тепловые насосы могут использовать:

• Теплоту грунта. Ниже глубины промерзания она стабильна. Теплообменники помещаются в глубокие траншеи (горизонтальный коллектор) или в скважины (вертикальный коллектор);
• Теплоту воды (из скважины с достаточно большим дебитом или незамерзающего водоема);
• Теплоту окружающего воздуха.

Обратите внимание: из-за ограничений, связанных с температурой фазового перехода существующих хладагентов, воздушные тепловые насосы могут работать на нагрев при уличной температуре не ниже -25 — -30 градусов.

Воздушный тепловой насос Mitsubishi Zubadan работает на тепло при температуре до -30 градусов

Тепловой насос может обеспечить дом отоплением и горячей водой, потребляя при этом в 2,5-6 раз меньше энергии по сравнению с любым прибором прямого нагрева.

Нюанс: эффективность нагрева (так называемый C.O.P., отношение эффективной тепловой мощности к электрической) будет падать по мере роста дельты температур между внутренним и внешним теплообменниками прибора.

Что это значит с практической стороны? Только то, что в частных домах с тепловыми насосами выгоднее использовать низкотемпературное отопление (в частности, теплые полы с температурой теплоносителя до 40 градусов).

Принципиальная схема отопления с тепловым насосом и теплым полом

Преимущества:

• Неограниченная автономность;
• Работа с термостатами, GSM-модулями и т.д.;
• Цена киловатт-часа тепла, вполне сравнимая с затратами на твердое топливо и приближающаяся к расходам на магистральный газ.

Недостатки:

• Падение эффективности нагрева по мере роста температуры теплоносителя и воды в системе ГВС;
• Дороговизна оборудования и его монтажа (в случае геотермальных и водяных насосов);

Укладка горизонтального коллектора геотермального теплового насоса

• Невозможность работы при низких уличных температурах (в случае воздушных насосов).

Лазейка: В теплой климатической зоне расходы на отопление в отсутствие магистрального газа могут заметно сократить… кондиционеры. Как мы уже писали, они представляют собой частный случай воздушного теплового насоса и в режиме обогрева перекачивают в дом 3-5 кВт тепла на киловатт электрической мощности.

Газовые колонки

Газовая колонка способна обеспечить автономное горячее водоснабжение дома с минимальными эксплуатационными затратами. Колонка, как и котел, может снабжаться пьезоэлектрическим или электронным розжигом. Достоинство первой схемы — энергонезависимость, второй — большая точность поддержания температуры воды на выходе.

Газовая колонка с пьезорозжигом

Преимущество: экономичность.

Недостатки: необходимость отвода продуктов сгорания в вентканал или дымоход; у моделей с пьезоэлектрическим розжигом — нестабильная температура воды на выходе. Малейшее изменение напора воды может повлечь за собой значительное изменение мощности горелки и, соответственно, нагрев или охлаждение воды до некомфортной температуры.

Проточный электрический водонагреватель

Назначение: нагрев воды для нужд ГВС.

Классификация:

• По способу установки. Приборы могут работать без избыточного давления, обслуживая одну точку водоразбора (в этом случае проточник устанавливается после запорно-регулирующей арматуры) и под давлением (прибор ставится между подводками ХВС и ГВС и обслуживает несколько сантехнических приборов);

Стационарное подключение напорного Атмор Ин-Лайн

• По электрической мощности. Она может варьироваться от 3,5 до 24 кВт;
• По напряжению питания. Приборы мощностью до 8 кВт питаются от 220 вольт, а устройства большей мощности обычно подключаются к сети напряжением 380 вольт.

Преимущества: у старших моделей — точная регулировка температуры.

Недостатки:

• У младших моделей — грубая регулировка температуры (ступенчатым изменением мощности с точной подстройкой за счет изменения напора воды) и ограниченная мощностью температура нагрева (она падает с понижением температуры воды на входе в холодное время года);

За грубую настройку температуры отвечает ступенчатый регулятор мощности

• У старших моделей — значительная нагрузка на проводку и потребность в трехфазном питании, которое есть далеко не везде;
• Значительная стоимость тепловой энергии.

Электрический бойлер

Устройство: нагрев воды обеспечивается помещенными в теплоизолированный бак ТЭНами, снабженными терморегулятором.

Основные элементы электрического бойлера

Назначение: автономное горячее водоснабжение частного дома или квартиры.

Классификация:

• По объему бака (от 10 до 150 литров);
• По электрической мощности (от 1000 до 3000 ватт);
• По способу монтажа (навесной вертикальный, навесной горизонтальный, напольный);
• По расположению подводок (сверху или снизу);
• По типу антикоррозийной защиты бака (эмаль, стеклокерамика, нержавеющая сталь);
• По типу ТЭНа (мокрый или сухой — помещенный в герметичную колбу).

Сухой ТЭН не контактирует с водой и не обрастает накипью

Преимущества:

• Стабильная температура воды на выходе, вплоть до расхода большей части объема бака;
• Отсутствие ограничений по напору воды;
• Небольшая нагрузка на проводку;
• Возможность подключения к обычной розетке.

Недостатки:

• Высокая стоимость тепловой энергии;
• Большие габариты;
• Возможность крепления навесных водонагревателей только на капитальные стены;

Монтаж кронштейна под бойлер

• Нуждающиеся в компенсации за счет увеличенного расхода электроэнергии потери тепла через теплоизоляцию бака.

Бойлер косвенного нагрева

Устройство: в теплоизолированный бак помещен теплообменник, позволяющий использовать для нагрева воды энергию теплоносителя.

Типичное устройство косвенника

Классификация:

• По объему (наиболее востребованный диапазон — 100-300 литров);
• По наличию или отсутствию резервного ТЭНа;
• По наличию или отсутствию дополнительного выхода для рециркуляции ГВС.

Справка: непрерывная циркуляция в контуре горячего водоснабжения, гарантирует мгновенную подачу воды с нужной температурой к любому смесителю, и круглосуточный нагрев подключенных к ГВС полотенцесушителей.

Преимущество: бойлер косвенного нагрева позволяет использовать для приготовления горячей воды любой источник тепла (одноконтурный газовый, твердотопливный котел, тепловой насос и т.д.).

Схема с бойлером косвенного нагрева и твердотопливным котлом

Недостаток: большой занимаемый объем котельной.

Солнечный коллектор

Устройство: поверхность, абсорбирующая солнечное тепло, использует его для нагрева воды для нужд отопления и/или ГВС.

Классификация:

• По устройству: плоские коллекторы используют медный или алюминиевый плоский абсорбер, с закрепленными на нем трубками для воды. Трубчатые включают несколько колб-термосов с двойными стенками и вакуумом между ними;

Трубчатый (вакуумный) коллектор

Устройство плоского коллектора

• По наличию или отсутствию накопительного бака для нагретой воды;
• По наличию или отсутствию резервного ТЭНа, исключающего замерзание воды в накопительном баке.

Достоинство: отсутствие эксплуатационных расходов (с поправкой на работу циркуляционных насосов). Коллектор площадь 2 квадратных метра позволяет получить 5-7 киловатт-часов тепла в сутки абсолютно бесплатно.

Месячная и годовая инсоляция для разных широт, в зависимости от положения коллектора, кВт·ч на квадратный метр

Недостатки: нестабильность тепловой мощности. Она зависит от погоды и времени года.

Заметьте: среднесуточная выработка тепла коллектором минимальна зимой — то есть тогда, когда дом в наибольшей степени нуждается в тепле.

В холодное время года выработка тепла коллектором заметно падает

Трубы

Какие трубы можно использовать при разводке интересующих нас инженерных систем?

Условия эксплуатации

Вначале давайте вспомним, в каких условиях будут эксплуатироваться отопление и водопровод ГВС.

Если вы монтируете автономное отопление — горячее водоснабжение в вашем доме с наибольшей вероятностью тоже будет автономным. Просто потому, что источником горячей воды при ее централизованной подаче обычно является тепловая сеть.

Автоматика котла и группа безопасности обеспечат в отопительном контуре стабильные температуру и давление. Обычно они держатся в диапазоне 1-2,5 кгс/см2 и 50-75 градусов.

Электрокотел поддерживает температуру теплоносителя в 65 градусов

На ГВС штатная температура воды, как мы уже упоминали, равна 60-75°С. Давление в контуре горячего водоснабжения равно давлению на ХВС и редко превышает 4-5 атмосфер.

Гидроудары в тупиковой системе ХВС крайне маловероятны. При заполнении сброшенной системы, воздух в ней играет роль демпфера, а мгновенная  остановка циркуляции невозможна просто из-за отсутствия таковой.

Штатное давление на ХВС

Именно поэтому при монтаже автономных систем отопления и ГВС своими руками обычно используются полимерные и металлополимерные трубы — дешевые, долговечные и имеющие минимальное гидравлическое сопротивление.

Вот перечень их наиболее популярных разновидностей:

Изображение	Вид труб и его ключевые особенности
Слева направо — PPR трубы с армированием фиброй, алюминием и без армирующего слоя	Полипропиленовые (PPR). Поставляются в прямых отрезках (обычно длиной 2 метра), соединяются муфтовыми фитингами под низкотемпературную сварку. Рассчитаны на рабочее давление до 10-25 кгс/см2 и на температуру до 90-95°С. На ГВС и отоплении лучше использовать трубы с армированием фиброй или фольгой. Инструкция связана с тем, что армирование в несколько раз уменьшает удлинение трубопровода при нагреве, и тем самым упрощает его монтаж.
Монтаж водяного теплого пола трубой PEX	Из сшитого полиэтилена (PEX). Поставляются в бухтах, что позволяет обойтись минимальным количеством соединений. Эластичны и обладают памятью формы: растянутая труба быстро возвращается к первоначальному размеру. Рабочие параметры — давление в 10-16 кгс/см2 и температура до 90 градусов. Монтируются на компрессионных фитингах и на штуцерах, использующих память формы: растянутая труба надевается на штуцер и фиксируется надвижной гильзой. Используются преимущественно при коллекторной разводке ГВС, отопления и для укладки водяного теплого пола.
Бухта трубы PERT	Из термостойкого полиэтилена PERT. От сшитого он отличается большей стойкостью к температуре (до 110°С) и несколько меньшей прочностью. Монтируется на компрессионных фитингах и на фитингах под раструбную сварку. Области применения — те же, что у PEX.
Структура композитной трубы PERT/AL/PERT	Металлопластиковые трубы: между внутренней и внешней оболочками из PEX или PERT вклеен алюминиевый сердечник, увеличивающий прочность трубы на разрыв. Эксплуатационные параметры — давление до 16 атмосфер и температура до 90-95 градусов.  Монтируется на компрессионных, пресс- и пуш-фитингах.

Обратите внимание: металлопластик на компрессионных фитингах вызывает много нареканий из-за течей на соединениях, причиной которых является неправильная сборка. Как сделать эти соединения надежными? Очень просто: используйте для резки труб только труборез, и не пренебрегайте снятием внутренней фаски и калибровкой.

Заключение

Будем считать наше первое знакомство с водогрейным оборудованием состоявшимся. Узнать больше о том, чем и как монтируются отопление и горячее водоснабжение — автономное и центральное — вам поможет видео в этой статье. Успехов!