Проектирование отопления: 10 рекомендаций по выбору параметров и компонентов

Тема этой статьи — проектирование отопления. Нам с читателем предстоит познакомиться с методами расчета потребности дома в тепловой энергии и мощности отдельных отопительных приборов, с выбором материалов и разводки отопления, с особенностями разных источников тепла и их экономичностью.

Проект системы отопления частного дома.

Что выбираем

1. Какие именно параметры отопления подбираются на стадии проектирования?

Вот полный перечень:

• Источник тепла и тип котла;

Я намеренно ограничу список возможных вариантов водяным отоплением. Печи, котлы воздушного отопления и системы распределенного обогрева (например, газовые конвекторы или пленочный теплый пол в каждой комнате) требуют отдельного изучения в полностью посвященной им статье.

Монтаж пленочного теплого пола.

• Тепловая мощность котла;
• Тепловая мощность отдельных отопительных приборов;
• Схема разводки и подключения радиаторов;
• Материалы для отопления дома (трубы, батареи, запорная арматура и т.д.);

Выбор труб — одна из проблем, которые встанут перед нами при составлении проекта.

• Диаметр розлива и подводок.

Источник тепловой энергии

2. По каким параметрам подбирается котел?

Их всего два:

• Экономичность (то есть минимальная стоимость киловатт-часа тепла);
• Удобство пользования (время автономной работы отопительного оборудования и то количество проблем, которое оно создает владельцу).

Идеальный источник тепла не требует внимания владельца.

Экономичность

3. Какой источник тепла обеспечивает наиболее экономичное отопление загородного дома?

Магистральный газ при использовании конденсационного газового котла.

Этот прибор использует не только теплоту сгорания газа, но и теплоту конденсации продукта сгорания — водяного пара.

Вот примерные цены на киловатт-час тепловой энергии, полученной из разных источников:

• Природный газ — 50 копеек;
• Дрова — 90 копеек;
• Пеллеты (гранулы из прессованных опилок) — 1,4 рубля;
• Уголь — 1,6 рубля;
• Сжиженный газ из газгольдера — 2,3 рубля;
• Сжиженный газ из баллонов — 2,8 рубля;
• Дизельное топливо — 3,2 рубля;

Устройство дизельного котла.

• Электроэнергия — 4 рубля.

Лазейки

Да, у электрических систем отопления наиболее высокая стоимость киловатт-часа тепла. Однако существует ряд способов ее уменьшить.

Обогрев водяным теплым полом с электрокотлом позволит заметно (на 20- 30%) сократить расходы за счет перераспределения температур в помещении. Теплее всего воздух будет на уровне пола, а вот под потолком его температура снизится до 16-20 градусов.

Отсюда — меньшие утечки тепла через перекрытие и снижение средней температуры в помещении, приводящее опять-таки к уменьшению расхода тепловой энергии через ограждающие конструкции.

Распределение температур: слева — отопление радиаторами, справа — теплый пол.

Еще большую экономию обеспечит использование теплоаккумулятора в комплекте с двухтарифным счетчиком. Вода в баке объемом в 2-3 кубометра греется ночью, когда цена киловатт-часа минимальна. Днем накопленное тепло расходуется на обогрев дома.

Наконец, наибольшую экономичность обеспечивает эксплуатация тепловых насосов. Эти приборы расходуют электроэнергию не на нагрев воздуха в доме, а на перекачку тепла от низкопотенциальных источников (грунта, воды в незамерзающих водоемах или воздуха). В результате на каждый потраченный киловатт-час электричества в отапливаемое помещение транспортируется от 2,5 до 6 киловатт тепла.

Схема работы геотермального теплового насоса.

Ахиллесова пята тепловых насосов — высокая стоимость оборудования и его монтажа. Приборы, работающие по схеме «воздух-вода», отличаются еще и привередливостью к уличной температуре: при ее снижении падает энергоэффективность (теплоотдача на киловатт электрической мощности), а при температурах ниже -25 — -30 прибор просто оказывается работать.

Воздушный тепловой насос.

Удобство

4. Какая система отопления частного дома создает минимум проблем владельцу?

Лидирующее положение занимают все виды электрических отопительных установок. Они работают в автономном режиме неограниченное время, не требуют обслуживания, отвода продуктов сгорания и совместимы с выносными термостатами (в том числе программируемыми), что позволяет с минимальными затратами поддерживать в доме комфортный температурный режим.

На фото — ТЭНовый электрокотел, который я использую в качестве резервного источника тепла.

Незначительно уступают им газовые котлы в сочетании с магистральным природным газом. Котел с электророзжигом тоже может неограниченно долго работать автономно, но он требует отвода продуктов сгорания.

Эта особенность привязывает расположение прибора к дымоходу, вентиляции или внешней стене дома (при использовании наддувной горелки с коаксиальным воздуховодом).

Вывод коаксиального воздуховода газового котла.

Газовый котел, питающийся от газгольдера или баллонов, требует периодического пополнения запасов энергоносителя. Газгольдер заправляется один-два раза в год, комплект баллонов придется возить на заправку примерно раз в неделю.

Установка газгольдера во дворе коттеджа.

Дизельный котел работает до тех пор, пока в баке есть топливо. К его минусам мы отнесем неизбежный запах солярки, необходимость хранения в котельной большого объема топлива (сотен, а то и тысяч литров) и высокий уровень шума, сопровождающий работу дизельной горелки.

В хвосте нашего хит-парада уныло плетутся твердотопливные котлы. Они требуют чистки зольника и растопки раз в несколько часов.

Растопка твердотопливного котла.

Лазейки

И в этом случае есть ряд способов подтянуть позицию аутсайдера.

• Пиролизный котел разбивает процесс горения твердого топлива на два этапа: вначале оно тлеет при ограниченном притоке воздуха, затем летучие продукты неполного сгорания дожигаются в отдельной топке. Результат — гибкая регулировка тепловой мощности без потери КПД и, как следствие, автономность в 10-12 часов;

Пиролизный (газогенераторный) котел.

• Котел верхнего горения переносит процесс пиролиза дров или угля на верхнюю поверхность закладки топлива. При такой схеме работы увеличение объема закладки топлива приводит не к росту тепловой мощности котла, а к увеличению продолжительности горения. В результате растопка требуется лишь раз в сутки, а то и того реже;

Рекорд принадлежит котлу литовской компании Stropuva (к слову, разработчику концепции верхнего горения), проработавшему на одной закладке угля 31 час.

Устройство котла верхнего горения.

• Примерно такой же автономности можно добиться, используя классический твердотопливный котел в сочетании с теплоаккумулятором большого объема;

При охлаждении на 40 градусов 3 кубометра воды отдают 175 киловатт-часов тепла. Этого достаточно для обогрева дома площадью около 80 м2 в течение суток.

• Наконец, пеллетный котел с бункером для топлива и его шнековой подачей в топку способен работать без обслуживания до недели.

Пеллетный котел с автоматической подачей пеллет из бункера.

Мощность котла

5. Как выполнить тепловой расчет отопительной системы при известных параметрах отапливаемого дома?

Потребность дома в тепле рассчитывается по формуле Q=V*Dt*k/860, в которой:

• Q — мощность котла в киловаттах;
• V — отапливаемый объем (в м3);
• Dt — разница между уличной температурой и температурой в помещении;
• k — коэффициент теплопотерь, связанный с качеством утепления дома.

Последние два параметра нуждаются в комментариях.
Разница температур вычисляется как разность температуры в жилом помещении, соответствующей санитарным нормам, и температуры самой холодной пятидневки зимы.

Распределение температур самой холодной пятидневки по территории России.

Вот значения санитарных норм для жилых помещений:

Коэффициент утепления подбирается из следующего ряда:

• Утепленный фасад, энергосберегающее остекление или тройные стеклопакеты — 0,6-0,9;

Наружное утепление фасада пенопластом.

• Стены в 2 кирпича, окна с остеклением в две нитки — 1-1,9;
• Стены толщиной в кирпич, окна с остеклением в одну нитку — 2-2,9;
• Полное отсутствие утепления (холодный склад, ангар) — 3-4.

Давайте в качестве примера рассчитаем проект системы отопления для следующих условий:

• Одноэтажный дом размером 6х8 метров с потолками высотой 3 метра расположен в Инкермане (температура самой холодной пятидневки — -11 С);
• Толщина каменных стен — около 50 см;
• Остекление окон — в одну нитку.

Я привел параметры вполне реального дома, стоящего прямо перед моими окнами.

Очевидно, что в небольшом по площади доме все комнаты будут угловыми или торцевыми. Поэтому внутреннюю температуру мы принимаем равной 20С.

Толщина стен и остекление окон дают коэффициент утепления 1,8 — 2,0.

Считаем: Q=6*8*3*(20 — -11)*2/860=10 КВт (с округлением до целого значения).

Наш выбор — 10-киловаттный котел.

Размер и мощность отопительного прибора

6. Как рассчитать количество секций для радиаторного отопления отдельной комнаты?

Расчет тепловой мощности для отдельного помещения выполняется так же, как для дома в целом.

При этом следует учитывать дополнительную нагрузку в виде помещений без отопительных приборов — прихожих, коридоров, лестниц и т.д.

Прихожая лишена отопительных приборов, но тоже нуждается в обогреве.

Чтобы пересчитать ватты в количество секций, нужно лишь разделить расчетную мощность на тепловой поток от одной секции. Соответствующие данные обычно можно найти на сайте изготовителя отопительного прибора. В их отсутствие можно воспользоваться очередной таблицей:

Устройство биметаллического радиатора.

Важный момент: производители указывают тепловой поток для разницы температур между теплоносителем и воздухом в комнате в 70 градусов. При уменьшении дельты (скажем, температура батареи в 50 градусов при температуре воздуха 24С) мощность прибора будет пропорционально уменьшаться.

Давайте продолжим проектирование отопления в нашем доме в Инкермане и рассчитаем минимальное количество алюминиевых секций для температуры теплоносителя в 70 градусов при +25С в жилых комнатах.

Дельта температур будет равной 70-25=45 градусов. Номинальный тепловой поток от секции (200 ватт) уменьшится в 70/45=1,55 раза и составит 130 ватт. При потребности в тепле в 10000 ватт нам потребуется 77 секций.

Радиаторы монтируются под окнами и создают тепловую завесу в проемах.

Разводка

7. Как развести систему отопления от котла?

На мой взгляд, внимания заслуживают два типа разводки:

• Однотрубная ленинградка (розлив по периметру этажа с подключенными параллельно его трубе радиаторами). Она предельно проста в монтаже, обладает минимальной материалоемкостью (розлив всего один) и максимальной отказоустойчивостью: пока на концах розлива есть хотя бы минимальный перепад давлений, отопительный контур будет функционировать;

Самая простая и надежная система отопления — однотрубная ленинградка.

• Попутная двухтрубная система (петля Тихельмана). В отличие от тупиковых систем, она не требует балансировки (дросселирования ближних к котлу радиаторов) и обеспечивает одинаковую температуру всех отопительных приборов.

Версия петли Тихельмана для двухэтажного дома.

Отдельно стоит упомянуть систему напольного отопления — теплый пол. Уложенные в стяжку трубы превращают в отопительный прибор всю поверхность чистового покрытия пола.

Максимальная длина одного контура водяного теплого пола ограничена значением 100 — 120 метров, поскольку трубы имеют небольшой диаметр и, соответственно, достаточно высокое гидравлическое сопротивление. Именно поэтому для обогрева большого помещения приходится формировать несколько параллельных контуров с одинаковой температурой теплоносителя, что подразумевает коллекторную разводку.

Каждый отвод коллектора снабжается собственным дросселем для регулировки температуры контура.

Схема низкотемпературного отопления с несколькими контурами.

Подключение радиаторов

8. Как подключить радиаторы, чтобы обеспечить их максимальную теплоотдачу?

При количестве секций до десяти можно смело использовать одностороннее боковое подключение, типичное для многоквартирных домов. Благодаря разнице в диаметре коллекторов и вертикальных каналов все секции будут прогреты равномерно.

При большем количестве секций стоит предпочесть диагональное подключение. Оно позволит нагреть до одинаковой температуры неограниченное количество секций.

Ненамного уступает ему в теплоотдаче двухстороннее нижнее подключение. В этом случае основной объем теплоносителя циркулирует через нижний коллектор, что позволяет работать даже завоздушенным батареям. Верх секций прогревается за счет их теплопроводности.

Варианты подключения радиаторов. Стрелками указано направление движения теплоносителя.

Материалы и арматура

9. Какие виды дополнительного оборудования и материалов стоит приобрести для монтажа водяного отопления своими руками?

Начну с перечня элементов обвязки котла.

В закрытой (работающей с избыточным давлением) системе в список входят:

• Расширительный бак, компенсирующий увеличение объема теплоносителя при его нагреве. Его объем должен быть примерно равен 1/10 от количества теплоносителя;

Мембранный расширительный бачок.

Объем труб и батарей можно вычислить, заполнив контур водой и слив ее в мерную емкость. В сбалансированной системе отопления количество теплоносителя примерно равно 15 литрам на киловатт мощности котла.

• Автоматический воздухоотводчик, позволяющий избавиться от воздушных пробок;

Устройство автоматического воздушника.

• Предохранительный клапан. Он сбросит давление при нехватке объема расширительного бака или при закипании воды в теплообменнике котла;

Для открытой (без избыточного давления) системы используют открытый бак, который располагается в верхней точке контура и используется для заливки воды или антифриза, а также в качестве воздухоотводчика и предохранительного клапана.

Гравитационная система с открытым расширительным баком.

• Манометр для контроля давления;

Группа безопасности: предохранительный клапан, воздушник и манометр.

• Циркуляционный насос. Инструкция по подбору его производительности предельно проста: она должна быть не менее 1 м3/час на 25 киловатт мощности котла.

Насос со ступенчатой регулировкой скорости.

Для настройки температуры отдельных отопительных приборов и контуров могут использоваться дроссели или термоголовки, регулирующие проходимость в автоматическом режиме, в зависимости от комнатной температуры.

Для отключения батарей и участков контура применяются шаровые краны. От пробковых кранов и винтовых вентилей они выгодно отличаются отказоустойчивостью, огромным ресурсом и отсутствием потребности в обслуживании (в набивке сальников, в замене прокладок и т.д.).

Кран в разрезе.

Теперь перейдем к материалам и отопительным приборам.

Начну с небольшого лирического отступления.

Действующими СНиП максимальная температура любых инженерных систем в жилом здании ограничена значением в 95С. Однако в автономных системах отопления температура теплоносителя обычно не поднимается выше 70 — 75 градусов, а давление держится в пределах 1,5-2,5 атмосфер. Все параметры отопления стабильны и полностью подконтрольны владельцу.

Именно поэтому в проект отопления можно заложить недорогие трубы и отопительные приборы, не обладающие большим запасом прочности и термостойкости.

Это:

• Напорные трубы из армированного алюминиевой фольгой полипропилена;

Материал труб — полипропилен с алюминиевым армированием.

Армирование не только увеличивает прочность трубы на разрыв, но и уменьшает ее удлинение при нагреве. Полипропилен — лидер по этому параметру среди всех пластиков: при повышении температуры на 50 градусов каждый погонный метр трубы прибавляет в длине 6,5 мм.

• Алюминиевые секционные радиаторы.

Алюминиевый радиатор: максимальная теплоотдача при минимальной стоимости.

Диаметры

10. Как спроектировать отопление самому, подобрав оптимальные диаметры розливов и подводок к радиаторам?

Диаметр определяется:

• Тепловой нагрузкой на участок контура (то есть мощностью котла для розлива и мощностью отопительного прибора для подводок к нему);
• Скоростью циркуляции теплоносителя. Чем она выше, тем меньшим диаметром можно обойтись.

Разумный максимум скорости циркуляции — 0,7 м/с. При более высокой скорости появляются гидравлические шумы: вначале на дросселирующей арматуре, а при дальнейшем ускорении потока — на всех поворотах и фитингах.

При большой скорости потока каждый фитинг станет источником раздражающего шума.

Вот таблица зависимости внутреннего (подчеркиваю, внутреннего!) диаметра трубы от тепловой нагрузки при скорости потока теплоносителя 0,7 м/с:

Внешний диаметр полипропиленовых труб обычно на шаг больше внутреннего. Скажем, труба с номинальным размером 25 мм имеет внутренний диаметр около 20 мм.

Внешний диаметр больше внутреннего на удвоенную толщину стенки трубы.

В системе отопления с естественной циркуляцией (без циркуляционного насоса) сечение розлива обычно увеличивается на шаг относительно расчетного. Это делается для снижения гидравлического сопротивления трубопровода, работающего с минимальным перепадом давлений.

Розлив сварен из водогазопроводной трубы размером ДУ 32.

Заключение

Вот, собственно, и все. Теперь проектирование отопления вполне по силам читателю. Узнать о нем больше вам поможет видео в этой статье. Жду ваших дополнений к ней. Успехов, камрады!