ОТОПЛЕНИЕ ДОМА в ЦИФРАХ и ФАКТАХ

построить энергосберегающий дом
кварцевые обогреватели для дома энергосберегающие теплэко
экодом калуга

ОТОПЛЕНИЕ ДОМА в ЦИФРАХ и ФАКТАХ

1. Физический смысл и основные принципы отопления частного дома

Для чего нужна система отопления частного дома?
— Конечно же, чтобы обогревать дом, в холодное время года!

Наружные поверхности дома (стены, окна, кровля) в осенне-зимний период, находясь на открытом воздухе, интенсивно им охлаждаются, и их температура приближается температуре окружающего воздуха. Ветер значительно ускоряет охлаждение дома. Прямые солнечные лучи, наоборот, нагревают его наружные поверхности, но только в дневное время.

экодом карелия

Изнутри дом получает тепловую энергию от системы отопления, бытовых электроприборов, ламп накаливания и людей (температура тела человека +36,6°С, а температура в комнате +23°С). При этом, вся выделяемая различными источниками (внутри дома) тепловая энергия, идет, если быть точным, не на нагрев дома, а на компенсацию потерь тепла, которые происходят у него, за счет охлаждения холодным атмосферным воздухом снаружи.

экодом минск

Этот физический смысл системы отопления, предопределяет очень важные выводы:

эко тепло отопление дома

1.1. Мощность элементов системы отопления рассчитывается исходя не из площади и объема дома, а из суммы теплопотерь через пол 1-го этажа, кровлю, стены, окна, и конечно же систему вентиляции.

1.2. Если создать дом с очень низкими значениями теплопотерь (герметичную конструкцию с мощной теплоизоляцией), то для такого дома полноценная система отопления уже будет не нужна. Поскольку, теплопотери будут полностью компенсироваться тепловой энергией от бытовых приборов, человека и солнечной энергией, поступающей через окна в светлое время суток. Самое невероятное, что первый такой дом был построен в Германии более чем 20 лет назад, а в настоящее время в мире таких домов уже тысячи. Поэтому, при проектировании, система отопления должна рассматриваться только в неразрывной связи с конструкциями всех элементов дома, поскольку именно так, достигается наибольшая экономия затрат на строительство.

На фото ниже представлен первый в мире пассивный дом Passive House, построенный в 1991г в Германии. Его фактические теплопотери почти в 10 раз меньше, чем уровень нормативных требований Российского СНиПа 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». Дом обходится без традиционной системы отопления, хотя находится в той же географической широте, что и г. Ростов-на-Дону, т.е. в аналогичном климате. Съемка этого дома тепловизором доказывает отсутствие мостиков холода и существенных теплопотерь (красный цвет на фото).

А вот так выглядит самый типичный пример Российской реальности. Дом со стенами в 1,5 кирпича и обычными м/пластиковыми окнами, без применения технологий энергосбережения, построен в 2012г. Его конструкция — самая распространенная в г. Ростове-на-Дону, так возводятся более 70% всех новых домов и более 90% домов для последующей продажи.

Пока природный газ дешев, массовое строительство таких домов сокращаться не будет. Рекламные уловки и сложившиеся за десятилетия стереотипы развеются, как только цена за 1м3 природного газа приблизится к среднемировому уровню. При ежегодном росте тарифов на 7-8%, это произойдет не далее, чем через 10 лет. После чего, эксплуатация таких домов станет серьезным финансовым бременем для семьи. Их хозяева, уже через 8-9 лет будут стоять перед выбором: либо тратить по 350-400$ ежемесячно на отопление в осенне-зимний период, либо сделать серьезное утепление, потратив на это несколько сотен тысяч рублей, либо продать дом со значительной скидкой (относительно домов аналогичной площади, но имеющих более высокую степень тепловой защиты).

1.3. Идеальная система отопления – та, которая работает на бесплатных энергоресурсах с КПД близким к 100%, вырабатывая тепловую энергию с минимальной стоимостью 1кВт (учитывая все расходы на монтаж и эксплуатацию).

Технический прогресс, произошедший в 21 веке, существенно обогатил знания по материаловедению. Благодаря чему, были созданы очень высокотехнологичные и эффективные системы отопления. Некоторые из них, как например, пленочные инфракрасные обогреватели, сначала были разработаны для обогрева отсеков с людьми внутри космических кораблей. в 2000-х они уже стали активно использоваться в частном домостроении во многих странах мира

1.4. Важно помнить, что учитывая реалии жизни, а именно случающиеся отключения электроэнергии, суточные задержки с расчисткой дорог, падение давления газа в газопроводах, нужно еще при проектировании предусмотреть дублирующую систему отопления, которая обеспечит комфортное и безопасное проживание в доме, в случае перебоев с подачей энергоносителей.
Например, установка параллельно к основному газовому котлу второго, твердотопливного котла полностью обезопасит дом от перебоев с подачей газа и электроэнергии.

1.5. Крайне важно, технически грамотно подобрать все элементы системы отопления (трубы, краны, радиаторы, соединения и т.п.) и произвести их монтаж в полном соответствии с техническими нормами и рекомендациями заводов изготовителей. К сожалению, не редко, самые лучшие технические решения проектировщика и серьезные капиталовложения будущего собственника дома на элементы системы отопления, уничтожаются некомпетентностью и безграмотностью монтажников.

2. Эффективность в системах отопления.

2.1. Системы, использующие бесплатную энергию природы

Самыми экологически эффективными, являются системы, использующие возобновляемые источники энергии — солнца, ветра и Земли, преобразуя их в тепловую энергию.

Солнечные батареи. Они преобразуют энергию солнца в электрическую, а электричество используется для обогрева дома с помощью эффективной и малоинерционной системы отопления. Например, системы пленочных инфракрасных обогревателей.

За время светового дня энергия накапливается в специальных аккумуляторах, для последующего использования в темное время суток. У таких систем есть только 2 недостатка, они пока еще относительно дороги, и их КПД очень зависит от географической широты. К примеру, для дома в 100м2 стоимость установки такой системы, по состоянию на 28.07.2015г. составляла более 1,3 млн руб.

Солнечные плоские и вакуумные коллекторы. В первых вода нагревается до 80-85°С , а во вторых может до 100-120°С. Принцип их действия таков: солнечные лучи нагревают специальный антифриз внутри них до 90-170°С , а он передает свое тепло через теплообменник воде. Вода в дальнейшем, может использоваться, как для системы горячего водоснабжения, так и отопления.

Данные системы значительно дешевле, чем солнечные батареи, однако, так же очень зависят от географической широты местонахождения дома. Т.е. в Греции, Испании и на юге Турции они будут незаменимы. Но в широте г. Ростова-на-Дону они смогут на 100% обеспечить потребность в бесплатной горячей воде только в течение 7-7,5 месяцев. В осенне-зимний период их КПД падает до 15-25%.

Для очень холодных (-25°С) и очень мрачных дней (небо наглухо затянуто тучами), должны быть продуманы резервные способы обогрева дома и получения горячей воды.

Геотермальные системы. Они так же являются одними из самых безопасных систем отопления в плане экологии, так как их принцип работы заключается в использовании тепла земли.

Тепловой насос (heat pump) – прибор, перекачивающий тепловую энергию от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю, с более высокой температурой. Тепловой насос обладает отличным КПД, — он получает из источников в окружающей среде до 80% энергии, и лишь 20-25% он потребляет из источников электроэнергии, которые идут на обеспечение работы компрессора. На 1 кВт затраченной электроэнергии, можно получить 3-5 кВт тепловой. Основное преимущество грунтовых насосов перед воздушными, в том, что на глубине температура практически постоянна в течение всего года и не зависит от погодных условий. Проблема тепловых насосов, использующих энергию воздуха, состоит в том, что размещенный снаружи теплообменник при 0°С начинает покрывается наледью из-за замерзающего конденсата, соответственно теплоотдача резко снижается. При дальнейшем понижении температуры до -10°С, эффективность работы воздушного теплонасоса становится близкой к нулю и аппарат переходит на обычное электропитание, что резко повышает расход электроэнергии. Поэтому, воздушные теплосистемы, более приемлемы в теплых странах.

Принцип работы теплового насоса. Компрессор обеспечивает циркуляцию по контуру хладагента. Контур, внутри которого циркулирует хладагент, может быть опущен в пробуренную скважину, уложен под землей или на дно близлежащего водоема, или же просто находится на открытом воздухе. При этом, температура кипения хладагента ниже — 40°С. В условиях суровых морозов в широте г. Ростова-на-Дону, температуры воды, земли и воздуха крайне редко опускаются ниже — 40°С . А это всегда теплее, чем циркулирующий в системе отопления хладагент. Благодаря этой разнице температур, внутри контура происходит нагрев хладагента, а он через теплообменник отдает полученное тепло теплоносителю системы отопления, то есть воде или воздуху.

Тепловой насос в летний период может использоваться для охлаждения помещений, отдавая тепло контуру грунтовых зондов, и охлаждая рабочую жидкость, а соответственно и помещения.

Недостатка у геотермальных систем всего два:

высокая стоимость (для дома 100м2 установка грунтового теплового насоса обойдется около 20000 $, воздушного теплового насоса в 14000-17000$.
грамотная техническая эксплуатация и регулярное сервисное обслуживание.

Тепловые насосы, уже давно и эффективно работают во многих странах мира, климат которых вполне сравним с Российским. К примеру, в Соединенных Штатах каждый год производят почти 1 миллион геотермальных тепловых насосов, причем, не только для индивидуальных жилых домов. Все вновь возводимые общественные здания оборудуются исключительно геотермальными тепловыми насосами. И это требование закреплено на уровне закона. По официальным данным в 2012г.: в Японии эксплуатировалось более 3.5 миллионов установок, а в Швеции около 0,5 млн установок различных типов обогревали частные дома.

Ветрогенераторы. Наиболее оправдано их применение вблизи морей и в горных районах, т.е. там, где постоянно есть движение воздушных масс. Например: ветрогенератор WindCore от компании WIPO Wind Power — тихая и компактная турбина, начинающая работать уже при 3 м/с. При скорости ветра в 5 м/с генератор вырабатывает в год 2000 кВт*ч. Выдерживает ураган скоростью 45 м/с. Встроенный микропроцессор производит автоматическую регулировку наклона лопастей для контроля разгона. Контроль за работой турбины может осуществляться с сотового телефона. Диаметр лопастей 1,5 м, скорость вращения –500 оборотов в минуту, номинальная мощность – 1200 Вт при 12,5 м/с, напряжение на выходе – 150 В переменного тока.

Недостатком ветрогенераторов является их полная зависимость от наличия ветра, и цена. Например, данная модель стоит около 6000$.

2.2. Эффективность преобразования энергоносителей в тепло, в различных системах отопления.

Это отношение количества потребленной энергии к количеству выработанной тепловой энергии. По этому критерию, все системы, перечисленные в п.2.1. являются наиболее эффективными, та как они используют бесплатные энергоресурсы. Во всех других формах тепловых систем, часть тепла будет теряться в системе при преобразовании топлива в другой вид энергии:

Используемый энергоноситель	Источник тепла в отопительной системе	Максимальный КПД источника тепла, %
Дрова	Кирпичная печь	70
Дрова	Печь профессора Бутакова	85
Дрова	Газогенераторный котел	85
Пеллеты	Газогенераторный котел	90
Уголь	Печь кирпичная или котел	75
Дизтопливо	Жидкотопливный котел	90
Электричество	Электрокотел	96
Сжиженный газ	Газовый котел	90
Природный газ	Газовый котел	90
Природный газ	Конденсационный газовый котел	97
Электричество	Система электрический жидкостный «теплый пол»	98
Электричество	Инфракрасные обогреватели	98
Электричество	Воздушный тепловой насос	220-380*
Электричество	Грунтовый тепловой насос	330- 500**
Солнечная радиация	Батарея солнечных коллекторов	85

* — в сравнении с обычным газовым котлом
** — условный КПД, т.к. в расчетах используется потребляемая электроэнергия, и не учитываются энергии земли, водоема и воздуха

2.3. Эффективность распределения тепла по площади дома

Проектирование системы отопления не заканчивается выбором источника тепла и энергоносителя (топлива). Эффективность системы отопления напрямую зависит того, как тепло будет распространяться внутри дома. Во всех системах отопления, устанавливаемых в частных домах, это происходит только двумя способами – конвекцией (перемещение нагретого воздуха) и лучистым излучением (в инфракрасном спектре). Например, тепловые пушки – самый яркий пример конвекционного нагрева помещения, т.к. они выдувают поток горячего воздуха.

Лучший наглядный пример лучистого тепла – печи и камины. Поднося руки к огню, или нагретым каменным элементам камина, мы сразу ощущаем идущее от них тепло.

Современные алюминиевые радиаторы, получившие сейчас наибольшее распространение в частном домостроении, отдают 55-60% тепла конвекционным способом, и 40-45% в виде теплового излучения
На картинке снизу хорошо видно, как тепловая энергия от радиатора, с потоком воздуха, устремляется вверх, под потолок. Поэтому, чтобы в нижней части помещения было комфортно, его нужно сильнее прогревать, расходуя больше энергоносителя.

А на этой картинке видно, как лучистая тепловая энергия идет от одного инфракрасного обогревателя к полу, формируя именно там, в наиболее чувствительной для человека зоне, комфортную температуру.

Система отопления, в которой тепловая энергия, нагревает всю плоскость пола, является самой эффективной системой распределения тепла. Поскольку тепло распределяется равномерно, и теплый воздух, поднимающийся от пола к потолку, также распределяется равномерно по всему помещению.
К примеру, именно так работает система отопления из пленочных потолочных инфракрасных обогревателей.

А на схеме ниже, наглядно представлено отличие в местонахождении температурных зон и ощущение комфорта для человека в случае обогрева дома радиаторами и системой «теплый пол».

2.4. Финансовая эффективность систем отопления

Финансовая эффективность системы отопления – фактическая средняя стоимость 1 кВт тепловой энергии, вырабатываемой ею, применительно ко всему сроку ее эксплуатации (фактический срок эксплуатации элементов системы).

Для получения наиболее точных результатов нужно учесть прогноз изменения стоимости потребляемых энергоресурсов, надежность системы, безопасность ее эксплуатации, легкость обслуживания и ремонтопригодность.

Совокупные финансовые затраты на установку и эксплуатацию системы отопления складываются из:

стоимости подключения к соответствующей магистрали с энергоносителем,
стоимости оборудования и монтажа всей системы,
стоимости обслуживания и ремонтов системы в течение всего периода эксплуатации оборудования,
расходов на оплату потребленного энергоносителя, с учетом ежегодного его удорожания.

Для дома площадью 100м2, имеющего теплопотери -94кВт/м2 в год (в рамках допуска по СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»), располагающегося в географической широте г. Ростова-на-Дону, финансовая эффективность систем отопления на 1.09.2014г. выглядела так:

Как видно из таблицы, с точки зрения финансовой эффективности, наилучшими системами отопления являются:

Русская кирпичная печь, расположенная в центре дома
Печь профессора Бутакова с системой воздуховодов
Кирпичная печь на угле с радиаторами отопления
Твердотопливный котел на угле с системой «теплый пол».

Однако у каждой из этих систем есть и свои минусы, которые являются определяющими в применении систем для отопления частных домов.

Важно помнить, что проектирование экономичной и эффективной системы отопления дома, начинается именно с комплекса мер по сокращению теплопотерь дома, которые и будет в дальнейшем компенсировать система отопления дома.

3. Краткое техническое описание лучших систем отопления

1. Система отопления, которая производит самое дешевое тепло
и дает высокий температурный комфорт в доме

Твердотопливный котел, работающий на угле, и распределительная система «теплый пол»

Преимущества: система выдает наиболее дешевые кВт тепловой энергии, обладает низкой взрывоопасностью.

Недостатки: очень тяжелый и трудоемкий процесс получения тепла (постоянные заправки котла углем, очистка от золы), требует постоянного контроля за работой системы; требуется специальное помещение для котла и склад для угля.

2. Лучшие энергонезависимые системы (для домовладений,
рядом с которыми, нет никаких центральных коммуникаций)

Русская печь, расположенная в центре дома

Преимущества: система выдает самые дешевые кВт тепловой энергии, обладает самой низкой взрывоопасностью, наполняет дом комфортным лучистым теплом, обладает очень большой тепловой инерцией.

Недостатки: тяжелый и трудоемкий процесс получения тепла (постоянные заправки печи дровами, очистка от золы); высока вероятность задымления комнат внутри дома, когда на улице высокое давление и безветрие; занимает очень много места в доме; имеет низкий КПД; очень ограниченные возможности по регулировке температуры

Грунтовый тепловой насос, электрические солнечные батареи и распределительная система «теплый пол»

Преимущества: надежная, экономичная и комфортная в эксплуатации система; очень высокая степень автоматизации рабочих процессов; низкая пожароопасность, невзрывоопасна, стоимость выдаваемых кВт тепловой энергии сопоставима с системами, работающими на природном газе.

Недостатки: очень большие затраты на монтаж системы (около 1,5млн для дома 100м2); требует тщательного ежегодного ТО; требует не менее 250м2 земельного участка для укладки грунтового теплообменника; требует места для аккумуляторов — накопителей энергии; сильный град может повредить солнечные батареи; КПД солнечных батарей зимой в пасмурную погоду очень низок; при длительном перебое в системе отопления зимой, возможно разрушение системы труб «теплого пола».

Воздушный тепловой насос, солнечные коллекторы, дизель генератор и распределительная система «теплый пол»

Преимущества: надежная система; имеет высокую степень автоматизации рабочих процессов; имеет слабую зависимость от погодных условий;

Недостатки: высокая стоимость тепловой энергии; требует существенных затрат на монтаж (около 700т.р. для дома 100м2); требует регулярного ТО через каждые 250 мото*часов работы генератора; требует специального строения с резервуаром под дизтопливо; пожароопасная, шумная, сложность системы является причиной возникновения различного рода неисправностей; при длительном перебое в системе отопления зимой, возможно разрушение системы труб «теплого пола».

3.Лучшие системы отопления по совокупности 3-х критериев: финансовая эффективность, удобство и простота эксплуатации, комфорт проживания.

Настенный газовый конденсационный котел и распределительная система «теплый пол»

Преимущества: надежная и комфортная в эксплуатации система; высокая степень автоматизации рабочих процессов; самая низкая стоимость тепловой энергии среди систем, работающих на природном газе;высокий уровень комфорта проживания.

Недостатки: при нарушениях в системе вентиляции дома, высока вероятность отравления газом; стоимость конденсационного котла в 2 раза выше, чем обычного; при длительном перебое в системе отопления зимой, возможно разрушение системы труб «теплого пола».

Комбинированная: солнечные коллекторы, автоматический газогенераторный твердотопливный котел, распределительная система «теплый пол»

Преимущества: стоимость получаемого 1кВт тепла, ниже, чем предыдущей системы; отлично подходит для негазифицированных территорий; надежная и условно-комфортная в эксплуатации система, поскольку 1 раз в 5-7 дней нужно заполнять вручную бункер-накопитель древесными гранулами; удовлетворительная степень автоматизации рабочих процессов; высокий уровень комфорта проживания.

Недостатки: высокая стоимость котла и комплекта солнечных коллекторов; требуются специальные помещения для котла и склада для гранул; требуется ежедневный контроль за работой котла и удаление золы; трудоемкая в эксплуатации система, т.к. требует еженедельной загрузки бункера накопителя гранулами вручную; при длительном перебое в системе отопления зимой, возможно разрушение системы труб «теплого пола».

Грунтовый тепловой насос и распределительная система «теплый пол»

Недостатки: большие затраты на монтаж системы (около 0,6 млн для дома 100м2); требует тщательного ежегодного ТО; требует не менее 250м2 земельного участка для укладки грунтового теплообменника; требует теплого шумоизолированного помещения для размещения компрессора, теплообменника, бака накопителя и автоматики; при длительном перебое в системе отопления зимой, возможно разрушение системы труб «теплого пола».

4. Лучшие системы отопления по совокупности 4-х критериев:
безопасность эксплуатации, финансовая эффективность, удобство и простота эксплуатации, комфорт проживания.

Грунтовый тепловой насос и распределительная система «теплый пол»

Воздушный тепловой насос и распределительная система «теплый пол»

Преимущества: надежная, экономичная и комфортная в эксплуатации система; очень высокая степень автоматизации рабочих процессов; пожаробезопасна, взрывобезопасна, стоимость выдаваемых кВт тепловой энергии всего на 20% выше, чем у систем отопления на природном газе; монтируется прямо на улице и не требует доп.помещений и земельных площадей; занимает минимум места -2,5м2 площади двора; хорошо подходит для негазифицированных территорий.

Недостатки: существенные затраты на монтаж системы (около 300т.р. млн для дома 100м2); требует тщательного ежегодного ТО; издает шум; при температуре -10 °С коэффициент трансформации энергии 1,8, а при -15°С равен 1; при длительном перебое в системе отопления зимой, возможно разрушение системы труб «теплого пола».

Система потолочных инфракрасных нагревателей с терморегуляторами

Преимущества: самая надежная, самая комфортная и самая полезная для человека в эксплуатации система; самая высокая степень автоматизации рабочих процессов при простоте конструкции; пожаробезопасна, взрывобезопасна, исключает любые травмирующие воздействия на человека; при длительных перебоях в работе системы не происходит никаких ее повреждений; не требует дорогостоящей документации на подключение; не имеет никаких расходов на обслуживание в течение 50 лет работы; идеальна для людей, страдающих астмой и аллергиями на пыль; высокий комфорт проживания, позволяет в каждой комнате задавать индивидуальную температуру; хорошо подходит для негазифицированных территорий.

Система электрический жидкостный «теплый пол» DAEWOO X-L pipe с терморегуляторами

Преимущества: надежная и комфортная в эксплуатации система; высокая степень автоматизации рабочих процессов; пожаробезопасна, взрывобезопасна, исключает любые травмирующие воздействия на человека; не требует дорогостоящей документации на подключение; высокий комфорт проживания, позволяет в каждой комнате задавать индивидуальную температуру; хорошо подходит для негазифицированных территорий.

Недостатки: ежемесячные платежи выше, чем у систем отопления на природном газе; крайне чувствительна к качеству строительства и теплоизоляции дома; в момент пуска всех нагревателей суммарная мощность 10кВт; износ соединений и коррозия могут вызвать протечки, при заливке вместо этиленгликоля воды, значительно повышается риск повреждения, при длительном отключении электричества во время отопительного периода.

эко чистящие средства для дома