Инженерные системы малоэтажных зданий Часть 1. Теплоснабжение
А. Л. Наумов, вице-президент НП «АВОК», генеральный директор ООО «НПО Термэк», otvet@abok.ru
Жилищное строительство является привлекательной сферой инвестиций – так, в Московской области в 2012 году было построено 6,885 млн м 2 общей площади жилых домов. При этом значительная часть жилой застройки приходится на малоэтажные дома и коттеджи. За последние 3–5 лет в Подмосковье объем жилищного строительства – индивидуального и малоэтажного, включая таунхаусы, сравнялся с объемом многоэтажного строительства. Использование современных инженерных технологий позволяет обеспечить удобное и комфортное проживание в индивидуальных домах.
Введение
В большинстве случаев индивидуальные дома не обеспечены централизованной инженерной инфраструктурой: в них отсутствуют теплоснабжение, водопровод и канализация. В этих случаях вопросы жизнеобеспечения и комфортности решаются с помощью автономных инженерных систем. Средняя стоимость современных автоматизированных инженерных систем индивидуального дома в эконом-классе составляет примерно 100 долл. США в расчете на 1 м 2 обслуживаемой площади дома. Стоимость инженерных систем в сегменте бизнес-класса и премиум-класса зависит от пожеланий заказчика и уникальности проекта.
Как правило, в поселках таунхаусов имеется централизованная канализация с очистными сооружениями (либо осуществляется врезка в существующую централизованную сеть водоотведения) и централизованный водопровод. В отношении теплоснабжения в основном применяют автономные газовые котлы для каждого потребителя. Это обеспечивает экономичность режима эксплуатации и прямой учет потребляемых ресурсов. Наблюдается такая тенденция: теплоснабжение в таунхаусах остается индивидуальным, а сети водоснабжения и водоотведения делают централизованными.
Основные затраты на инженерное обустройство индивидуального дома связаны с устройством теплоснабжения и отопления (40 %). Стоимость системы канализации, включая наружные сети и септик, составляет примерно 1/5. Водоподъемная станция, включая артезианскую скважину, погружной насос и бак-ресивер с системой автоматического управления, обходится около 20 % от общей стоимости инженерных систем, а на трубную разводку холодного и горячего водоснабжения уходит 10 %. С учетом низкого качества воды в водоносных слоях Московской области значительные затраты (от 1 500 до 5 000 долл. США) связаны с очисткой воды.
Теплоснабжение
Источником теплоты в коттеджах являются одноконтурные (только для отопления) и двухконтурные (отопление и горячее водоснабжение) котлы. С повышением герметичности окон и уровня теплозащиты наружных ограждений появилась устойчивая тенденция снижения удельных тепловых нагрузок теплоснабжения в индивидуальной застройке. Ориентировочное распределение установленных котлов по мощности в зависимости от площади обслуживаемых домов приведено в табл. 1.
Малая доля твердотопливных котлов при относительной доступности топлива обусловлена неудобством эксплуатации таких котлов, для работы которых необходимо осуществлять 3–4 топки в течение суток, иметь запас топлива, отводить площадки для его хранения. Кроме того, режим теплопроизводства у твердотопливного котла носит циклический характер, и колебания температуры воздуха в отапливаемых помещениях достигают 3–5 0 C в течение суток. Расширился сегмент газгольдерных систем на привозном сжиженном газе. Устройство газгольдеров со сжиженным газом обходится дешевле, нежели использование дизельного топлива. Сегмент котлов, работающих на привозном сжиженном газе, расширился. Горелки котлов, работающих на природном газе, в силу специфики по давлению требуют специальной наладки при переходе к работе на сжиженном газе.
Соотношение количества устанавливаемых в Московской области котлов в зависимости от видов топлива (без учета домов с печами и дач) сохраняется в последние годы стабильным:
котлы на твердом топливе – 5 %;
газовые котлы – 50 %;
котлы на дизельном топливе – 35 %;
электрические котлы – 10 %.
Если же выбор твердотопливного котла по каким-либо причинам неизбежен, есть два способа сгладить недостатки котла. Первый – сократить число топок вдвое за счет изменения режима продленного горения, который реализуется с помощью регулирования степени открытия поддувала котла в зависимости от температуры отходящих газов в дымоходе. Для этого используется термобаллон, шток которого соединен цепью с дверцей поддувала. По мере снижения температуры отходящих газов термобаллон сжимается, втягивая шток и прикрывая поддувало. Второй способ основан на использовании теплоаккумуляторов. В контур системы отопления включается теплоизолированный аккумулятор горячей воды емкостью 2–10 м 3 . В режиме натопа котел нагревает воду в баке до +80…+95 0 C, а затем эта вода с помощью циркуляционного насоса и простого термостата обеспечивает постоянный режим отопления в течение 3–10 суток.
Таблица 1 Ориентировочное распределение котлов по мощности в зависимости от площади обслуживаемых домов
В настоящее время на рынке оборудования в Москве и области имеется большое количество импортных газовых и дизельных котлов для индивидуального теплоснабжения. Котлы малой мощности до 40 кВт доставляются, как правило, в двухконтурном исполнении, большей – в одноконтурном; приготовление горячей воды в последнем случае осуществляется в отдельных емкостных бойлерах-теплообменниках.
При одноконтурном котле для приготовления горячей воды применяется емкостный бойлер или пластинчатый теплообменник.
Емкость расширительных баков обычно составляет 8–12 % от емкости соответственно систем отопления и горячего водоснабжения. На подающий трубопровод в системе отопления рекомендуется устанавливать предохранительный клапан до 6 атм. Несмотря на то, что котлы оборудованы системами защиты, предохранительный клапан защитит систему отопления от аварийных ситуаций, от разрывов при чрезмерном повышении давления рабочей среды. Для индивидуальных домов и квартир площадью до 200 м 2 могут быть использованы двухконтурные котлы мощностью до 30 кВт, агрегатированные с циркуляционными насосами и расширительными баками.
При обслуживании домов большей площади целесообразно устанавливать одноконтурные котлы большей мощности и в зависимости от вида систем отопления и потребности в горячей воде подбирать бойлеры-теплообменники, циркуляционные насосы, расширительные баки.
Мощность котла, как правило, определяется не режимом отопления, а режимом горячего водоснабжения. К примеру, полностью открытый кран горячей воды с температурой +55…+60 0 C – это мощность котла 25 кВт. Уменьшить пиковую мощность котлов можно с помощью использования бойлеров-накопителей. Пиковая нагрузка может быть связана с большим водоразбором горячего водоснабжения, к примеру в связи с использованием 2–3 душей одновременно.
Появились бойлеры-накопители с технологией стратификации. Принцип действия таких бойлеров-накопителей следующий. С помощью специальных устройств в баке сознательно создается расслоение температуры воды: в верхней части бака она наиболее горячая, в нижней части, соответственно, менее нагретая. Это связано с тем, что может быть несколько потребителей с разной потребной температурой. Например, наименее нагретая вода используется для бассейна, с максимальной температурой – для ванны или душа. Таким образом происходит экономия энергии, поскольку нет необходимости поддерживать максимальную температуру во всем объеме накопителя.
Надо отметить, что возникает проблема, связанная с максимальной температурой горячего водоснабжения. По российским санитарным нормам температура воды составляет +65 0 C. Это связано с требованием защиты от размножения бактерий в воде. Эта норма вступила в противоречие с возможностями альтернативной энергетики: солнечное теплоснабжение и теплонасосные системы могут достаточно эффективно выдавать горячую воду на уровне +50…+55 0 C, а температуры +60…+65 0 C для них в традиционном исполнении недоступны. Приходится использовать каскадные двухступенчатые тепловые насосы либо применять специальные догреватели. На Западе эту проблему решают следующим образом: дополнительный нагреватель используется периодически. Исследования показали, что воду достаточно обеззараживать раз в сутки. На короткое время температура повышается, а затем возвращается нормальный энергоэффективный режим +50…+55 0 C. С нашими гигиенистами этот алгоритм пока не отработан, и формально в России должен обеспечиваться режим приготовления горячей воды на уровне +60…+65 0 C, причем не на выходе из котла, а на выходе из водоразборного устройства.
К сожалению, отечественные котлы типа АОГВ, КЧМ и КСТГВ не в полной мере удовлетворяют современным требованиям в части эффективности, автоматизации и дизайна. Коттеджный рынок Подмосковья ориентирован в основном на импортную продукцию. Широко представлены американские и европейские фирмы, такие как Burnham, Teledyne Laars, Lennox (США); CTC-Bentone, Electrolux (Швеция); Jaspi (Финляндия); Wolf, Viessmann, Vaillant, Buderus, Junkers, Bosch (Германия); ACV (Бельгия); Frico (Франция); Ferroli, Lamborghini, Beretta, Riello (Италия); Roca (Испания); Protherm (Чехия).
Рынок электрокотлов в Московском регионе намного скромнее. Здесь следует отметить финские электрокотлы, чешские Protherm, словацкие Eleco и отечественные ВЭО. Финские отличает высокая надежность, но и высокие цены. Отечественные дешевые котлы ВЭО, к сожалению, не обладают высокой надежностью. Разумные цены при высоких показателях надежности характерны для словацких и чешских котлов.
На использование электрокотлов накладывают ограничения стоимость и сама возможность подключения к электросети. Далеко не всегда есть возможность подключить, к примеру, 20 кВт электрической мощности. В случае ограничения по величине подключаемой мощности одним из вариантов является применение альтернативной энергетики, в частности тепловых насосов, которые из 5 кВт электрической энергии могут сделать 15–20 кВт тепловой.
Начинают находить применение гелиосистемы с солнечными коллекторами. Если система грамотно запроектирована, то в общем годовом балансе горячего водоснабжения солнечные коллекторы в условиях Москвы и области могут компенсировать примерно 30–40 % годового объема тепловой энергии на горячее водоснабжение. Такие системы могут в значительной мере обеспечить потребность в горячей воде с апреля по октябрь. Окупаемость солнечных коллекторов в среднем составляет, в зависимости от качества проекта и монтажа, 3–6 лет.
Несколько слов о комбинированных по видам топлива котлах. Из отечественных комбинированных котлов следует отметить КЧМ (твердое топливо, газ). Эти котлы набираются посекционно и могут обеспечить теплосъем от 16 до 90 кВт. Из импортных котлов следует отметить шведские котлы СТС, где может быть использовано твердое топливо, газ или дизельное топливо, электроэнергия на теновом патроне.
На практике в большинстве случаев не возникает необходимости применения комбинированных котлов. При отсутствии газа целесообразно применение котлов с дизельной горелкой, а впоследствии при обеспечении газоснабжения горелка может быть заменена на газовую.
Типичная ошибка при строительстве коттеджей – недооценка требований к дымоходам и вентиляционным каналам. Для домов площадью более 300 м 2 сечение кирпичных дымовых каналов должно быть не менее 250 × 250 мм. В общем же случае сечение дымового канала должно быть не меньше, чем у выпускного патрубка котла. Однако сечение кирпичных газоходов должно быть минимум на 30 % больше выпускного патрубка котла из-за шероховатости стенок газохода.
Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала
Современные системы отопления для индивидуального жилого дома
Система водяного отопления – это комплекс конструктивных элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества тепла во все обогреваемые помещения. В этой связи система отопления состоит из источника тепловой энергии, трубопроводной сети и местных отопительных приборов. Источником тепловой энергии может быть система централизованного теплоснабжения от ТЭЦ или квартальной котельной, местная котельная для одного здания или небольшой группы зданий. Индивидуальные дома к системе централизованного теплоснабжения подключаются редко. Обычно в них в качестве источника тепла используются собственные теплогенераторы (котлы).
Индивидуальные котлы подразделяются по виду топлива (твердое, жидкое, газообразное), количеству контуров нагрева (одноконтурные, двухконтурные – для отопления и горячего водоснабжения), типу топки и горелок, глубине охлаждения дымовых газов, конструктивному исполнению и др.Наиболее распространенными являются газовые полностью автоматизированные двухконтурные котлы, как правило, настенного исполнения.
Трубопроводная сеть служит для переноса тепла от источника к отопительным приборам путем циркуляции по ней нагретого теплоносителя. Она может иметь различную конфигурацию, выполняться из металлических (стальных, медных), полимерных и металлополимерных труб с соединительными фитингами, а также включать трубопроводную арматуру (запорные краны, обратные клапаны, фильтры и др.). Местные отопительные приборы предназначены для передачи тепла от теплоносителя к воздуху помещений. Отопительные приборы подразделяются на радиаторы из разных материалов, секционные, блочные и панельные, литые и штампованные, трубчато-пластинчатые приборы-конвекторы, регистры, сваренные из стальных труб и пр.
В системах напольного отопления греющим элементом является замоноличенный в подготовку пола змеевик, как правило, из полимерной трубы. В соответствии с требованиями нормативных документов (СП 60.13330.2012 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) местные отопительные приборы должны оснащаться автоматическими терморегуляторами. В качестве теплоносителя в системах отопления индивидуальных домов обычно используется вода. Для предотвращения замерзания системы в периоды ее бездействия, в том числе, при аварийных ситуациях, иногда систему отопления заполняют незамерзающими жидкостями (растворами гликолей в воде). Однако, это не имеет особого смысла, так как при кратковременных перерывах температура в помещениях в силу теплоаккумуляции не опустится до значений близких к нулю (при отключенном отоплении температура воздуха снижается примерно на 0,5 градуса в час). Кроме того, в здании наряду с отопительной имеются другие системы с водой (водопровод, канализация), которые без обогрева замерзнут, если их не опорожнить. Максимальная температура воды назначается обычно в зависимости от материала трубопроводов и типа отопительных приборов. Например, для радиаторной системы отопления и полимерных труб — 90оС, а для системы напольного отопления — 40оС, чтобы обеспечить нормативную температуру поверхности пола не выше 26оС. В течение отопительного сезона температура теплоносителя должна меняться вслед за изменением температуры наружного воздуха, иначе в доме может быть жарко, когда на улице тепло и наоборот. Так, если в климатических условиях Москвы при температуре наружного воздуха -25оС теплоноситель на входе в систему отопления должен быть нагрет до 90оС, то при наружной температуре 0оС – только до 50оС. Эту функцию обычно выполняет погодозависимая автоматика котла или насосный смесительный узел, если котел круглогодично нагревает теплоноситель до максимальной температуры. По способу циркуляции теплоносителя системы водяного отопления подразделяются на гравитационные, в которых вода перемещается за счет разности весов горячей и охлажденной (обратной) воды, и насосные.
Несмотря на кажущиеся достоинства – отсутствия механических элементов и расхода электроэнергии, гравитационные системы в настоящее время практически не применяются из-за необходимости прокладки труб завышенных диаметров, обязательного расположения отопительных приборов выше котла, неравномерности теплового режима и др. Современная система отопления – это система с насосной циркуляцией. Она оснащается маломощными малогабаритными насосами, которые могут преодолевать существенные гидравлические сопротивления трубопроводной сети. В результате система монтируется из достаточно тонких труб, стоимость которых ниже, да и выглядит такая система гораздо эстетичней.
Конструктивно системы отопления бывают двух принципиально отличающихся типов: • однотрубная; • двухтрубная.
В однотрубной системе отопительные приборы в каждой ветви (стояке) присоединяются к одному и тому же трубопроводу последовательно. Теплоноситель в такой системе, двигаясь от одного прибора к другому, постепенно охлаждается. Поэтому отопительные приборы в одном стояке для обеспечения одинаковой теплоотдачи (при равных тепловых нагрузках) должны иметь разную поверхность нагрева – первый прибор меньше, последующие все больше и больше. Кроме того, любые действия по отношению к одним отопительным приборам (изменение теплоотдачи приборов с помощью регулирующей арматуры, увеличение или уменьшение их размеров) неизбежно влияют на теплоотдачу других, вызывая недогрев или перегрев отапливаемых помещений. Немаловажной особенностью регулируемой однотрубной системы является обязательное устройство замыкающих участков (байпасов) между подводящим и отводящим трубопроводом (подводками) отопительных приборов. Это необходимо для того, чтобы теплоноситель при закрытии регулирующего клапана на каком-либо приборе могпродолжать циркулировать по стояку через байпас. При отсутствии байпаса циркуляция просто прекратится. Название «двухтрубная система» говорит само за себя. В ней все отопительные приборы присоединяются параллельно к двум стоякам – подающему и обратному и практически не влияют друг на друга. В этой связи двухтрубная система наилучшим образом приспособлена для автоматического регулирования. В двухтрубной системе отопительные приборы в помещениях с одинаковыми теплопотерями имеют равную поверхность нагрева, а также легко и просто при необходимости поменять любой отопительный прибор без ущерба для остальных. Проектирование и расчет двухтрубной системы отопления значительно проще и быстрее по сравнению соднотрубной, где приходится определять температуру теплоносителя на входе в каждый отопительный прибор, что требует, как правило, использования компьютерных расчетных программ и привлечения к этой работе квалифицированных специалистов. Несмотря на несколько увеличенный расход труб и в силу неоспоримых остальных преимуществ, двухтрубная система отопления может быть в первую очередь рекомендована для применения в зданиях индивидуальной застройки. Поэтому именно о ней в дальнейшем и пойдет речь в настоящей статье. В зависимости от архитектурно-планировочных решений здания система отопления может быть вертикальной и горизонтальной, с попутным или тупиковым движением теплоносителя.
1 – с нижней разводкой магистральных трубопроводов, 2 – с верхней разводкой магистральных трубопроводов, 3 – с тупиковой периметральной разводкой распределительных трубопроводов, 4 – с попутной периметральной разводкой распределительных трубопроводов, 5 – с лучевой разводкой распределительных трубопроводов.
Вертикальные системы отопления с нижней разводкой магистралей обычно применяются при наличии в здании подвала, а с верхней разводкой – в зданиях с подвалом и чердаком, где размещаются магистральные трубопроводы. Теплоноситель от стояка к стояку в подающей и обратной магистрали может перемещаться в одном направлении – попутное движение, или в разных – тупиковое. При попутном движении длина пути теплоносителя через любой из стояков ветви одинаковая, что обеспечивает примерно равные перепады давлений для всех стояков и облегчает гидравлическую балансировку системы отопления. В тупиковых ветвях путь через первый стояк короче, а через каждый последующий все длиннее и длиннее. Поэтому перепад давлений от стояка к стояку постепенно уменьшается, что затрудняет балансировку и ухудшает работу системы в динамическом режиме. В здании без подвального и чердачного этажей, также можно предусмотреть вертикальную систему отопления, проложив трубы по полу первого и под потолком последнего этажа. Но это не красиво, тем более, что разводящие трубопроводы не малого диаметра и должны иметь уклон, а на верхней магистрали еще и воздухосборники. Во всех случаях не украшают интерьер и многочисленные стояки вертикальной системы. В этой связи в современном индивидуальном доме предпочтительно применять системы отопления с горизонтальной поэтажной разводкой трубопроводов. Такая система будет иметь один (максимум два) стояка, и короткую подводящую магистраль того же диаметра. В горизонтальной системе теплоноситель может подводиться к отопительным приборам посредством трубопроводов, прокладываемых по периметру здания – периметральная разводка, или распределятся от коллекторов с помощью лучевой разводки. Периметральная разводка требует большого количества соединительных трубопроводных элементов (фитингов).Если по эстетическим соображениям трубы прячутся в пол, то фитинги должны применяться только безрезьбовые (прессовые и т.п.), а они не дешевы. Лучевая разводка лишена этих недостатков и собирается из цельных отрезков трубы без промежуточных соединений. Разводка осуществляется по кратчайшему пути от коллекторов до каждого отопительного прибора. Коллекторы используются полной заводской готовности, включающие всю необходимую запорную, а при желании и автоматическую регулирующую арматуру.
