ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ДОМА. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию вторую часть статьи «Сохранить энергию реально», (1-ю часть о концепции современного строительства энергоэффективных зданий и реальной практике ее применения в России см. в № 5). На этот раз речь пойдет об инженерном оборудовании.
При возведении домов, имеющих минимальное энергопотребление, помимо выбора архитектурных решений и современных строительных материалов требуется комплексный подход к оснащению инженерными системами отопления, вентиляции, горячего водоснабжения.
Отопление и горячее водоснабжение
С точки зрения минимизации энергопотребления самыми современными типами котельного оборудования являются конденсационные котлы и тепловые насосы.
В котлах скрытая теплота водяных паров, содержащихся в отходящих дымовых газах, отбирается путем конденсации их в специальном теплообменнике. Этот процесс позволяет агрегатам данного типа достичь более высокого КПД по сравнению с традиционными моделями.
К примеру, если исходная тепловая мощность традиционной модели котла составляет 98 %, то, добавив к ней величину скрытой теплоты конденсации (в случае природного газа этот показатель составляет 11 %), можно достичь теоретической выходной тепловой мощности 109 %. Принцип работы конденсационной техники следующий. В процессе сжигания топлива продукты сгорания, охлаждаясь, отдают энергию в теплообменнике котла теплоносителю системы отопления, нагревая его. Одним из продуктов, образующихся при сгорании топлива, является вода, которая в условиях высших температур в камере сгорания котла присутствует в газообразной форме водяных паров. В «обычных» котлах это тепло просто выбрасывается в окружающую среду через дымоход, а в конденсационных, благодаря особо развитым теплообменным поверхностям, оно может быть эффективно использовано для нагрева. Водяной пар, остывая, конденсируется на теплообменнике и передает свою энергию теплоносителю.
КПД конденсационного котла тесно связан с температурой обратной жидкости из системы отопления, ведь именно благодаря ей происходит охлаждение водяного пара в теплообменнике. Чем она ниже, тем выше КПД котла. Это важно с точки зрения выбора системы отопления, ведь в случае использования радиаторов необходима подача значительно более горячего теплоносителя, чем в системе теплых полов. По этой причине велика роль автоматики, следящей за температурой окружающей среды и в доме. Она позволяет поддерживать нагрев теплоносителя минимально возможным и, следовательно, достигать получения максимальной величины скрытой теплоты конденсации. Применение конденсационных котлов в низкотемпературных системах позволяет снизить расход газа до 20 %.
Рассмотрим несколько передовых моделей этого оборудования
Конденсационный газовый котел ecoCOMPACT (компания Vaillant) использует скрытую теплоту конденсации, что дает средний КПД за отопительный период 109 %. Встроенный водонагреватель с послойным нагревом воды предоставляет повышенный комфорт горячего водоснабжения, а система Aqua-Power-Plus обеспечивает увеличение мощности на ГВС до 21 %. Котел оснащен современной информационно-аналитической системой DIA-System. Модулирующая горелка позволяет найти наиболее комфортный и экономичный режим работы, подбирая мощность в диапазоне от 28 до 100 %.
В котлах Vaillant eco TEC plus VU применен теплообменник с пониженным гидравлическим сопротивлением, выполненный из специальной нержавеющей стали. За счет скрытой теплоты конденсации его средний КПД за отопительный период составляет 109%.
Линейка настенных одноконтурных котлов Genus Premium Evo System от Ariston Thermo имеет коэффициент эффективности 108 %. За счет этого устройства экономят до 35 % потребляемого топлива в сезон. Они также имеют низкий уровень выброса NO3 и CO2 — на 75 % меньше по сравнению с неконденсационными. Модельный ряд представлен приборами мощностью 24, 30 и 35 кВт. Они адаптированы к российским условиям — стабильно работают при пониженном уровне давления газа (до 5 мбар), низком давлении и расходе воды. Плавное изменение мощности позволяет регулировать уровень нагрузки в соответствии с необходимым количеством тепла, обеспечивая стабильность температуры.
Тепловые насосы — это компактные, экономичные и экологически чистые системы отопления, позволяющие получать энергию для горячего водоснабжения и отопления коттеджей за счет низкопотенциального источника путем переноса его теплоносителем с более высокой температурой.
Как пример рассмотрим землю в качестве источника тепла. Грунт аккумулирует солнечную энергию, круглый год подогревается от ядра Земли и может отдавать тепло независимо от погоды, так как уже на глубине 5–7 м температура в течение года практически постоянна. Охлажденный носитель, проходя по трубопроводу, уложенному в землю, нагревается на несколько градусов. Внутри самого насоса, в испарителе, он отдает собранную из окружающей среды теплоту во внутренний контур теплового насоса, который заполнен хладагентом. Тот, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низких значениях давления и температуры. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления и приобретает высокую температуру. Нагретый хладагент поступает в конденсатор, где происходит теплообмен между ним и носителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, остывает и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель поступает к отопительным приборам. Давление хладагента тем не менее еще остается высоким. При прохождении через редукционный клапан оно понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.
Применение тепловых насосов различной мощности является принципиально новым в теплоснабжении. Такие насосы имеют большой срок службы и работают полностью в автоматическом режиме. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы.
Тепловые насосы могут быть следующих типов: «грунт-вода» (внешний контур для забора энергии — грунт, внутренний для обогрева / охлаждения — вода); «вода-вода» (внешний контур — вода, внутренний — тоже вода); «грунт-воздух» (внешний контур — грунт, внутренний — воздух); «вода-воздух» (внешний контур — вода, внутренний — воздух). Имеются также насосы «воздух-вода» и «воздух-воздух», в которых источником тепла является окружающий здание воздух.
Область применения тепловых насосов практически не ограничена. Существуют установки, работающие даже в условиях вечной мерзлоты, как и системы, использующие морскую воду. Они имеют множество преимуществ по сравнению с традиционными системами теплоснабжения и кондиционирования, поскольку экономичны, компактны, практически бесшумны и работают в автоматическом режиме. Тепловые насосы не выделяют вредных веществ в окружающую среду, обеспечивают высокую надежность как отопления, так и кондиционирования и значительно экономят энергию. Отметим, что тепловые насосы используются не только в системах отопления, но и для приготовления горячей воды.
Приведем примеры современных моделей тепловых насосов
Тепловые насосы Vaillant geoTHERM используют низкопотенциальное тепло грунта, воды либо воздуха в качестве источника. Доступные мощности от 6 до 63 кВт. В комбинации с универсальными буферными емкостями allSTOR обеспечивают как отопление, так и максимально комфортное горячее водоснабжение.
Отметим и уникальный инновационный газовый тепловой насос zeoTHERM VAS (компания Vaillant), работа которого основана на взаимодействии цеолита и воды. Прибор является эффективной альтернативой электрическому тепловому насосу, а также газовым отопительным котлам. Работа данного устройства основана на способности природного минерала цеолита разогреваться, поглощая пары воды. Цеолит заключается в герметичный контейнер, что позволяет организовать замкнутый цикл «испарение / конденсация». Нагревание влажного цеолита происходит косвенным путем через теплоноситель, нагреваемый газовой горелкой. При этом накопленная в цеолите вода испаряется и конденсируется на теплообменнике. Теплота, возникающая в процессе конденсации, используется для отопления. После того как цеолит достигает своей максимальной температуры, он охлаждается. Конденсированная вода начинает испаряться благодаря вводу тепла из окружающей среды при низкой температуре и затем снова поглощается охлажденным цеолитом. В ходе этого цеолит очень сильно нагревается, и это тепло также используется для отопления. Когда вся вода снова накапливается в цеолите, процесс повторяется. Цеолитовый отопительный аппарат Vaillant относится к новому поколению газовых аппаратов для отопления жилых помещений и ГВС со средним годовым КПД в 130 %.
Компания Ariston Thermo производит серию водонагревателей с тепловым насосом Nuos, позволяющих извлекать тепло непосредственно из воздуха и применять его для обеспечения горячего водоснабжения. Таким образом можно сэкономить до 70 % энергии. Например, расходуя 1 кВт электричества, пользователь получает 3–4 кВт тепла. То есть, 2–3 кВт достаются ему бесплатно из окружающей среды. По сравнению с традиционными водонагревателями Nuos тратит энергию только на работу двигателей вентилятора и компрессора. Автоматический цикл очистки воды и внутренней поверхности не допускает возможности размножения бактерий. А применяемый в качестве энергоносителя фреон не содержит хлор, вследствие чего он безвреден для окружающей среды, нетоксичен и неогнеопасен.
Среди современных решений для систем отопления и горячего водоснабжения загородного дома нельзя не отметить и солнечные коллекторы, которые могут устанавливаться на кровле здания или встраиваться в нее. Поверхность гелиоколлекторов, на которую попадают солнечные лучи, обработана компонентами, обеспечивающими максимальное тепловосприятие. Короб со змеевиком устанавливается под углом 30–50° так, чтобы лучевоспринимающая поверхность была направлена на юг. Такой водонагреватель может обеспечивать потребителя водой, нагретой до 100°С летом и до 60°С зимой. В России использование солнечной энергии особенно актуально в южных регионах, но и в средней полосе может быть выгодным.
Компания Vaillant производит гелиосистему auroSTEP plus 2.250, используемую для приготовления горячей воды на семью из трех-четырех человек. Она не подвержена закипанию теплоносителя при избытке теплоты даже во время полного отсутствия потребления горячей воды (например, когда хозяева уехали на отдых летом). И в этом ее уникальность Пакет включает в себя все необходимые компоненты, кроме крепежных анкеров, которые выбираются в зависимости от типа кровли, а также специальных гибких трубок для подключения коллектора к водонагревателю. Максимальный перепад высот между водонагревателем и солнечными коллекторами составляет 8,5 м (12 м в варианте с двумя встроенными насосами).
Использовать энергию солнца не только для приготовления горячей воды, но и для поддержки отопления сможет вакуумный солнечный коллектор auroTHERM exclusiv VTK, также производимый компанией Vaillant.
В конструкции солнечных коллекторов Kairos XP 2.5–1 от Ariston Thermo применены высококачественные компоненты: корпус, выполненный из прочного алюминиевого профиля, градостойкое высокопрозрачное стекло и добротная теплоизоляция. Эффективность работы обеспечивает высококачественный алюминиевый абсорбер (пластина из материала с хорошей теплопроводностью, поглощающая солнечную энергию) с селективным поглощающим покрытием. Панели снабжены встроенной гильзой для датчика температуры. Еще одна особенность — удобство монтажа: их можно устанавливать как на земле, так и на плоской или наклонной кровле, а подключение трубопроводов к коллекторам не требует инструментов.
Наиболее эффективное использование конденсационных котлов и тепловых насосов происходит при организации в системе отопления водяного теплого пола. Система теплых полов может быть как вспомогательной, так и основной, она пригодна для обогрева всех типов помещений и является более комфортной и рациональной в сравнении с традиционной радиаторной системой отопления.
Нагретый воздух в этом случае равномерно распределяется по всей площади помещения, создавая оптимальные температуры воздуха на уровне ног, тела и головы. Наиболее благоприятной схемой распределения тепла в помещении считается следующая: 23–25°С у пола и 20–22 °С — на уровне головы. Ни одно из традиционных отопительных устройств не может этого обеспечить. Теплый же пол создает именно такой температурный градиент. Более того, он не вызывает традиционных конвекционных потоков воздуха, поднимающих с собой пыль, а это особенно благоприятно для детей, аллергиков и астматиков. А благодаря равномерному распределению тепла и отсутствию сквозняков в помещениях можно поддерживать меньшую температуру, чем в случае радиаторного отопления. В прихожей, кухне и ванных комнатах теплые полы сохраняют напольное покрытие сухим, что очень важно, поскольку излишняя влага способствует образованию бактерий и плесени, к тому же скользкий пол, безусловно, травмоопасен.
В системах теплых полов используют разные трубы — металлопластиковые, полибутеновые, полиэтиленовые (PEX и PE-RT). Они не подвержены коррозии, а их внутренний слой устойчив к накоплению отложений, благодаря чему диаметр проходного сечения остается постоянным в течение всего срока службы (не менее 50 лет). Все эти материалы непроницаемы для кислорода, что предупреждает коррозию системы отопительного оборудования, включая ее главный элемент — котел. Трубы поставляются в бухтах. Это позволяет укладывать петли в больших по площади помещениях единой нитью, что исключает протечки в местах соединений, которых в данном случае просто нет. Шаг укладки не должен превышать 30 см, иначе возникнет неравномерный нагрев поверхности пола с появлением теплых и холодных полос — «температурная зебра».
Кроме труб для водяного пола, понадобится миниатюрный циркуляционный насос (например, такой как Grundfos UP), а также специальная термостатическая и запорная арматура. Как правило, это смесительные вентили, осуществляющие подачу теплоносителя требуемой температуры в коллектор.
Рассмотрев современное оборудование для производства и передачи тепловой энергии и горячей воды, отметим, что сердцем системы отопления по праву считается насос, который распределяет тепло по всему дому. Подбирая насос для загородного жилья, с целью минимизации энергопотребления необходимо обращать внимание на его класс энергоэффективности. Многим потребителям знакома маркировка этого показателя, применяемая для бытовой техники. Согласно ей, количество измеренных киловатт-часов, которые насос тратит за год, оцениваются по шкале от А до G. Подобная градация когда-то была внедрена и для циркуляционных насосов, однако сейчас ей на смену пришел индекс энергоэффективности (EEI). И все же стоит отметить, что энергоэффективность большинства насосов, представленных сегодня на российском рынке, если оценивать ее по общепринятой классификации, соответствует классу D. В то время как на Западе уже действует директива Евросоюза 2005 / 32 / ЕС, согласно которой с 2013 года все автономные насосы обязаны иметь EEI не выше 0,27 (то есть, если оперировать буквенной градацией, класс энергетической эффективности не ниже А), а с 2015 года — не выше 0,23. Энергоэффективность выгодна простому потребителю, который получает существенное снижение расходов на электричество. Отличным примером может служить новая модель насоса ALPHA2 new (производитель компания Grundfos). Энергопотребление составляет от 3 до 22 Вт, что делает его самым энергоэффективным насосом в мире. Он может автоматически регулировать потребляемую мощность, снижая ее до 3 Вт, в то время как диапазон потребляемой мощности насосов более старых моделей составляет 60–100 Вт. Это означает, что стандартный насос потребляет 350 кВт•ч / год, а ALPHA2 new — всего 44 кВт•ч, что эквивалентно 87 % экономии. Подобная экономия достигается благодаря набору инновационных технологий, примененных в новой модели. Сразу после установки насоса функция AUTOadapt автоматически анализирует систему, выбирая оптимальный режим работы. Такой анализ совершается регулярно, и независимо от времени года подбираются наиболее подходящие настройки. Когда отопительный котел переходит в экономичный режим и понижает температуру теплоносителя в системе отопления, функция ночного режима насоса автоматически уменьшает частоту вращения двигателя до минимума.
Вентиляция
Основной расход энергии в системах вентиляции приходится не на перемещение воздуха, а на нагрев наружного воздуха в холодную погоду. Конструкторы давно обратили внимание на то, что удаляемый из помещения воздух обладает тепловой энергией. Так зачем же зря выпускать тепло на улицу? Эта мысль подтолкнула специалистов к разработке систем приточно-вытяжной вентиляции, основанных на принципе рекуперации — использовании тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного. Приточно-вытяжные установки с рекуператором позволяют значительно снизить затраты на подогрев наружного воздуха. Наиболее распространены пластинчатые и роторные теплообменники.
В основе первых лежит пакет тонких металлических пластин, листов пластика или специально обработанной целлюлозы, между которыми оставлены зазоры. Удаляемый из помещения воздух протекает в каждом втором промежутке между пластинами, а свежий, поступающий в помещения, идет через остальные каналы. Поскольку пластины очень тонкие, они без труда передают тепло от более нагретого воздушного потока к холодному. Рекуператоры, выполненные из специально обработанной целлюлозы, обладают еще и способностью выравнивать концентрацию водяного пара в приточном и вытяжном воздухе (осушать его или увлажнять). Благодаря этому летом можно существенно сокращать время действия всей системы кондиционирования. Преимуществом этого типа рекуператоров является более низкая цена и простота монтажа. Роторные же рекуператоры более экономичны в эксплуатации и, главное, обладают очень высоким КПД. Принцип действия роторного оборудования заключается в прохождении воздушных потоков приточного и вытяжного воздуха через специальный вращающийся теплообменник. Но так как особенность конструкции в том, что они вращаются на валу (а не неподвижные, как пластинчатые), то управление ими более сложное, а значит, дорогое. Серьезным минусом роторного оборудования является то, что загрязненный воздух частично переносится в приток, в связи с чем необходима установка дополнительных фильтров.
Теплообменная установка чаще всего монтируется на чердаке (на полу или на стене) в горизонтальном или в вертикальном положении. Некоторые модели в специальной комплектации (атмосфероустойчивое покрытие корпуса, полная теплоизоляция) могут располагаться и вне отапливаемой зоны — снаружи здания. Забор воздуха, а также его доставка внутрь помещений осуществляется по сети приточных каналов, а система обратных воздуховодов отвечает за удаление «выхлопа». Непосредственно к установке присоединяются два воздуховода-коллектора (магистральные участки), от которых в разные комнаты разведены подводящие и обратные каналы меньшего диаметра. Помимо основных функций многие приточно-вытяжные установки могут автоматически регулировать приток и вытяжку с использованием датчика присутствия людей в помещении.
Нельзя не упомянуть и системы, позволяющие использовать теплоту и холод грунта для подогрева или охлаждения приточного вентиляционного воздуха. Специальные трубопроводы из полипропилена закладываются ниже глубины промерзания грунта, а воздухозаборник относится в зеленую зону, чтобы в него не попадали выхлопные газы с шоссе или стоянок, и устанавливается выше уровня земли не менее чем на полтора метра. Кроме того, в воздухоприемном устройстве желательны фильтры грубой и тонкой очистки, которые устраняют из воздуха даже цветочную пыльцу.
В холодный период воздух, забранный с улицы с температурой –15 °С, пройдя по системе каналов, нагревается до 0 °С, что существенно экономит затраты на его подогрев. Летом воздух охлаждается в этой системе с 33 до 24–26 °С.
Не только для загородного дома
Для домов, подключенных к централизованным системам теплоснабжения, также разработано немало энергоэффективных решений, которые позволяют существенно снизить затраты на отопление. Из советских времен мы вынесли стереотип, что центральное отопление не дает возможности экономить. Однако опыт таких стран, как Германия, Дания и Финляндия, доказывает обратное.
В комплексе энергосберегающих мероприятий для домов с централизованным теплоснабжением можно выделить два направления. Прежде всего это установка теплосчетчика, который ведет учет потребленного в доме тепла. В этом случае расчеты с поставщиками тепловой энергии (управляющей компанией или теплосетью) производятся по показаниям прибора.
Второе направление, позволяющее жильцам дома напрямую регулировать потребление тепла, это установка на все приборы отопления термостатических вентилей (например, производства Danfoss или Oventrop). С их помощью можно устанавливать наиболее комфортную температуру в каждой конкретной комнате, что в комбинации с «умным» насосом и автоматикой будет поддерживать ее на заданном уровне, снижая энергозатраты. Тем самым будут снижаться непродуктивные траты тепла, например в случае оттепелей. При весьма малых капитальных затратах установка терморегуляторов позволяет добиться 15–20 % экономии тепла.
Владимир ПЕТРОВ
