Система отопления частного дома

Только научившись отапливать свое жилище, человек сумел расселиться по всей планете, мало того – жить даже в открытом космосе, где окружающая температура равна абсолютному нулю. За тысячелетия системы отопления совершенствовались, но и сегодня утепление дома является сложной инженерной задачей, требующей высоких затрат. Сделать отопительную систему оптимальной – одна из основных проблем строителей.

1. Введение

Главное направление развития теплотехники в домостроении – достичь максимального коэффициента полезного действия той или иной системы отопления. Это значит, что максимум энергии от источника тепла должна расходоваться на обогрев полезной площади дома. Это зависит как от используемого для нагрева помещений топлива, так и конструкции системы отопления в целом.

Современные отопительные системы жилых домов, соответственно, направлены на

• Достижение температуры, комфортной для проживания
• Поддержание этой температуры длительное время или постоянно
• Стремление избежать утечек тепловой энергии из отапливаемых помещений
• Данная работа идет по двум направлениям:
• Совершенствование нагревательной способности отопительных систем
• Совершенствование конструкционных способов удержания тепла в полезном объеме.

В данной статье мы коснемся в основном способов нагрева внутреннего пространства дома.

2. Общая схема отопления дома

Нагрев помещения заключается в нагреве воздуха, находящегося в нем, от каких-либо источников тепла. Воздух может нагреваться как от самих конструкций дома – стен, пола, потолка – если предварительно нагреваются они, так и от отдельных источников тепла, помещенных внутрь дома.

Существует два способа теплопередачи:

1. Конвекция – когда тепло передается от одного тела к другому при контакте
2. Радиация – когда теплопередача происходит за счет инфракрасного излучения любого нагретого тела

В первом случает источник тепла передает свою энергию теплоносителю, контактирующему с воздухом.

Во втором случае инфракрасное излучение передает энергию от источника тепла непосредственно нагреваемым предметам, в данном случае – телу человека или строительным конструкциям.

Как правило, современные отопительные системы сочетают в себе оба способа теплопередачи.

Источники тепла в данном случае называют теплогенераторами, а элементы системы, непосредственно нагревающие воздух можно назвать отопительными приборами.

3. Теплоносители

В любом случае теплогенераторы передают свою энергию отопительным приборам через дополнительные тела – их называют теплоносителями.

Источники тепла, таким образом, классифицируются по типу теплоносителей.

Самым распространенным является передача тепла от источника к отопительному прибору через воду.

В общем виде вода нагревается в некотором ограниченном объеме, а затем и сама нагревает отопительные приборы. Принцип действия такой системы упрощенно выглядит так. Вода разогревается в какой-то емкости, например, металлическом баке, а нагретые стенки бака нагревают воздух вокруг него. Площадь соприкосновения воздуха с баком слишком мала для хорошего прогрева помещения. Поэтому воду отводят от бака и создают дополнительные емкости, где находится разогретая вода. Их общее название — нагревательные приборы. Таким образом, площадь контакта воздуха с нагревателем увеличивается и помещение прогревается быстрее.

Так действует система нагрева дома через радиаторы, о чем мы подробнее расскажем ниже.

Теплоносителем может выступать сам воздух. Именно его нагревают в теплогенераторе и затем заставляют принудительно циркулировать в помещении. В данном случае отопительные приборы отсутствуют. В жилых домах такую систему практически не используют из-за понижения достаточного уровня влажности воздуха.

В некоторых случаях теплоносителя в системе нет. Теплонагреватель сам является прибором отопления. В рассмотренном выше случае это бак с нагретой водой. Но вода быстро остывает и ее нужно все время разогревать. Значительно лучше тепло держат монолитные материалы, например, кирпич. Именно так работает обычная русская печь – открытый огонь нагревает кирпичи, из которых она сложена, а кирпичи – непосредственно воздух.

Если помещение нагреваются за счет одного источника, такой способ называется печным.

Помещение может нагревать одна печь (нагреватель) или несколько. В таком случае мы говорим о конвекторном способе обогрева помещений – когда теплонагреватели и отопительные приборы совмещены в отдельных устройствах, действующих автономно. Пример — использование для отопления нескольких отдельных теплонагревателей.

Итак, по типу теплоносителя нагревательные системы делятся на отопление:

• Водяное
• Воздушное
• Печное
• Конвекторное

4. Источники тепла

Источник тепла – это вещество, выделяющее тепло в теплонагревателе.

Первым источником тепла, используемым человеком была древесина, загорающаяся при высокой температуре и в процессе окисления поддерживающая огонь.

Сегодня мы используем несколько источников тепла, классифицируемых в первую очередь по агрегатному состоянию:

• Газообразное топливо
• Жидкое топливо
• Твердое топливо

Кроме того, к источникам тепла относят электричество и возобновляемые источники, о чем чуть ниже.

Газ, используемый в быту – это природный газ, добываемый из недр и передающийся по системе газоснабжения от места добычи к конечному потребителю. Он может передаваться в дом напрямую по трубопроводу или заключаться в замкнутые объемы, предварительно подвергнувшись сжатию. Тогда говорят об использовании  сжиженного газа (в емкости он хранится в жидком виде). В последние годы альтернативой газу, добываемому из недр, стал биогаз – продукт жизнедеятельности животных, тоже используемый для получения энергии, в том числе тепловой.

Общая характеристика газа, как источника тепла – легкая воспламеняемость сразу большого объема, поэтому  использовать его можно только порционно, что учитывается в нагревательных приборах.

Жидкое топливо – это производные нефти, тоже добываемой из недр Земли. Для отопления используют низкооктановые сорта бензина (солярка, печное топливо), мазут, отработанное машинное масло. Жидкое топливо хорошо воспламеняется, горит долго и ровно, но также, как и газ, в больших объемах взрывоопасно, поэтому тоже подается для воспламенения небольшими порциями.

Наиболее безопасно в этом смысле твердое топливо – дрова, уголь, кокс, торф и тому подобное.

Еще одним прямым источником тепла можно считать электричество. Тепловая энергия выделяется при прохождении электрического тока через проводник. Пример – электроплитка с открытой спиралью или утюг с закрытой спиралью. Понятно, что утюг или плитка не в состоянии нагреть большой объем воздуха, поэтому электричество в отопительных системах используется не для прямой передачи тепла воздуху, в для преобразования электрической энергии в тепловую в теплонагревателе. Исключение – системы электрических теплых полов, о которых будет в других статьях на нашем сайте.

Еще одним источником тепла служит главный нагревательный прибор нашей Солнечной системы – Солнце. В прямом виде оно нагревает воздух, который попадает в жилище, но в холодную погоду такого источника недостаточно. Солнечную энергию мы используем опосредовано – солнечные лучи нагревают сами теплонагреватели, так называемые конвекторы.

Ниже мы коснемся достоинств и недостатков каждого из источников тепла при использовании их в системе отопления.

5. Различные виды теплонагревателей

В общем случае теплонагреватель – это элемент системы отопления, где тепловая энергия от источника передается теплоносителям.

Устройство теплонагревателя в основном зависит от типа источника тепла. Для разных источников тепла существуют свои типы нагревателя, но они могут иметь общие черты.

Обобщая рассмотрение процессов происходящих в теплонагревателе, выделим общие черты.

В устройствах, использующих газ и жидкое топливо, источник тепла попадает в нагреватель и воспламеняется. Именно пламя, высокотемпературное состояние материи, является генератором тепловой энергии, которое далее передается к теплоносителю.

Понятно, что процесс воспламенения и горения несколько различается для разных видов топлива. Главное – в том, чтобы процесс горения был непрерывным в определенном промежутке времени, достаточном для разогрева теплоносителя до нужной температуры.

Заметим, что электрический тип нагревателя не требует использования пламени, – заданные параметры температуры достигается за счет нагревания самого проводника.

В общем случае теплонагревательным элементом является так называемый котел – устройство, в котором источник тепла воспламеняется и нагревает теплоноситель.

В котлах большинства типов процесс происходит в замкнутой емкости. При нагревании происходит повышение давления воздуха, которое необходимо понижать, поэтому котел оснащается системой отвода отработанных газов.

Рассмотрим типы котла в зависимости от видов топлива.

6. Газовый котел

Газ на сегодня – оптимальный вид топлива. Оно имеет высокое КПД преобразования энергии вещества в тепловую, газ сравнительно легко передается на большие расстояния (или надежно хранится в сжиженном виде), добыча его налажена и запасы в природе пока значительны.

В газовых котлах газ воспламеняется, пламя поддерживается постепенным поступлением  в рабочее тело котла газа и воздуха, необходимого для поддержания пламени, а горящее пламя передает свое тепло теплоносителям. Мы можем выделить основные узлы газового котла:

1. Каналы, по которым газ подается в рабочую камеру
2. Каналы по которым подается воздух
3. Каналы, по которым отводятся продукты сгорания
4. Форсунки, сжимающие входные каналы для регулирования подачи топлива
5. Рабочая камера, где газ воспламеняется и поддерживается горение пламени
6. Теплоносители, нагреваемые пламенем
7. Отводы от теплоносителей для передачи тепла в окружающее пространство
8. Системой отвода избыточного давления

Коэффициент полезного действия любого котла зависит от того, какая часть тепловой энергии ушла собственно на нагревание помещений.

Сегодня существует большое разнообразие газовых котлов. В большинстве из них пламя нагревает емкость с водой, а разогретая вода по трубам передается в отопительные приборы.

Различают три основных типа газовых котлов.

Отопительные котлы, которые содержат один или два контура – для первичного отопления емкости с водой и для дополнительного нагрева воды, возвращающейся в котел от нагревательных приборов, уже охлажденной. В них отвод отработанного воздуха происходит за счет естественной тяги через дымоход.

Турбированные замкнутые котлы, где воздух подается и отводится принудительно, и дымохода не требуется.

Конденсационные котлы, в которых нагревается водяной пар, далее передающийся по трубопроводам.

У паровых котлов коэффициент полезного действия самый высокий, но по многим причинам в домашних отопительных системах они практически не используются.

Есть теплогенераторы, в рабочей камере которых нагревается не вода, а воздух, который затем передается по замкнутому контуру к теплонагревательным приборам. Из-за дороговизны и конструктивных особенностей такие устройства тоже редко используются в частных домах.

Выбор типа котла для установки зависит в первую очередь от финансовых возможностей застройщика. Наиболее популярны сегодня  турбированные замкнутые котлы, на рынке имеется их широкий выбор – как отечественного, так и импортного производства.

7. Котлы на сжиженном газе

К сожалению, газификация еще не достигла каждого уголка, но использовать можно и сжиженный газ. Принципиальной разницы в конструкции котла нет. Возникают лишь трудности в хранении емкостей со сжиженным газом.

Как правило, именно из-за этого  использование газовых баллонов в домах постоянного проживания ограничено

8. Жидкотопливные котлы

Принцип работы жидкотопливного котла схож с таковым для газового котла. Жидкость воспламеняется в рабочей камере, пламя поддерживается поступающим воздухом и передает свою энергию теплоносителю, продукты сгорания отводятся.

Различия в конструкции газовых и жидкотопливных котлов предопределены различием самого процесса воспламенения и горения жидкости и газа. С одной стороны, подачу жидкости легче контролировать, с другой, она может содержать негорючие  примеси, мешающие процессу. Они откладываются на стенках подающих каналов и форсунках, что требует периодической их очистки. Именно этот фактор, связанный в первую очередь с видом используемого топлива, ограничивает применение данного вида котлов. Более дешевое печное топливо является и самым загрязненным.

9. Котлы на твердом топливе

Прообразом современного твердотопливного котла был паровой котел, куда кочегар лопатами закидывал уголь. С тех пор развитие таких систем шагнуло далеко вперед. Но принцип не изменился:

• Наличие просторных каналов подачи топлива
• Одновременное нахождение в рабочей камере пламени и несгоревшего еще топлива
• Необходимость отвода не только отработанных газов, но и несгоревших остатков твердого топлива

Современные котлы сегодня используют в качестве топлива так называемые пеллеты – спрессованные брикеты, имеющие хорошие характеристики горения. Эти котлы имеют высокий КПД, а твердое топливо – самое дешевое из используемых видов.

Главным недостатком использования таких котлов является затрудненная их автоматизация – как правило, подавать топливо и выгребать несгоревшие остатки приходится вручную. Впрочем, использование пеллет позволяет совершенствовать их в этом плане.

10. Многотопливные котлы

Некоторые виды котлов сочетают в себе возможность использовать разные виды топлива, хотя в основном различаются только насадками, а принцип действия у них одинаков.

11. Электрический котел

Электрические котлы можно считать оптимальными со многих точек зрения. Они значительно безопаснее своих собратьев, использующих разные виды топлива. Не нужно заботиться о подключении дома к газовым сетям, не нужно складировать тяжелые и небезопасные баллоны с газом, канистры с соляркой и целые штабеля дров.

Электричество не «испарится» в помещении и не взорвется там, не издает неприятный запах, мы не рискуем задохнуться угарным газом от продуктов горения.

Да и принцип действия электрического котла достаточно прост: под действием электроэнергии разогревается теплоэлектронагреватель, который свое тепло передает непосредственно для разогрева воды или воздуха.

Самым существенным недостатком использования электрических котлов является высокая стоимость электроэнергии. Так, средней мощности нагревательный котел потребляет до 5000 квт в час, и платить за электричество приходится намного больше, чем  имея газовый котел или даже простую русскую печь.

12. Отвод тепла от котла к потребителю

В частных домах наиболее распространены системы водяного отопления. Принципиальная схема водяного отопления такова: вода, нагретая в котле, по трубопроводам подается в различные помещения дома и достигает  отопительного прибора. Отопительный прибор устроен таким образом, чтобы передавать тепло окружающему воздуху.

Наиболее оптимально заключить движение воды в замкнутый контур – охлаждаясь, она отводится от отопительного прибора и снова подается в котел, где снова нагревается и отводится.

Физические свойства воды позволяют ей в этом процессе перемещаться – охлажденная жидкость выдавливается более нагретой – в данном случае происходит естественная циркуляция. Для ускорения процесса могут использоваться нагнетательные насосы.

Сами трубы, по которым проводится жидкость, не играют в процессе отопления значительной роли, поэтому их диаметр невелик. Для труб главное – конструкционная прочность и стойкость к коррозии. В современных отопительных системах наиболее оптимально использование достаточно прочных пластиковых труб, либо металлопластиковых. Они легки и долговечны.

Самым распространенным отопительным прибором является так называемый радиатор. Это несложная конструкция, стенки которой нагреваются за счет горячей воды, и тепло отводится от них непосредственно соприкасающимися с ними потоками воздуха.

Простейшим водяным нагревательным прибором можно считать так называемый регистр: трубы, увеличенные в диаметре без дополнительных элементов, отдающих тепло. Они монтируются в общей трубной сети. Как правило, теплоотдача их невелика, и монтируют регистры только в неответственных помещениях.

Мы с детства знакомы с простейшим видом радиатора – отопительной батареей. Она изготовлена из отличного теплопроводника, например, чугуна – толстые стенки из которого хорошо проводят тепло и имеют хорошую коррозионную стойкость. Каждая секция такой батареи имеет достаточно большую площадь поверхности, чем больше секций, тем больше расчетный объем отопления.

Использование чугунных батарей требует, впрочем, трудоемкого монтажа, да и внешний вид у них неперезентабелен, и занимают они много места.

Значительно удобнее монтировать более легкие современные радиаторы. Отвод тепла от них существенно увеличен за счет ореберения – когда на небольшом участке пространства собрана целая последовательность нагретых пластин. Суммарная их площадь нагревает воздух сильнее, чем одна секция батареи.

В результате такие радиаторы компактны, легки и занимают немного места. Их легко спрятать за декоративными элементами, либо вообще вмонтировать в закрытее узлы.

Сегодня на рынке существует большой выбор радиаторов, выполненных из различных материалов – сталь, биметалл, алюминий – и разной формы и размеров.

13. Подключение радиаторов

Как мы упоминали, нагревательный элемент должен иметь канал для подвода и отвода воды. В современном радиаторе имеющем вид плоской коробки, существует четыре  возможных точек подвода и отвода воды. Наиболее оптимальная схема подключения – вход сверху и выход снизу радиатора. Вода таки образом полнее отдает свое тепло стенкам радиатора.

Важной задачей является рассчитать необходимое количество радиаторов на каждое помещение. Надо сказать, что при правильной подаче воды с достаточной температурой каждый радиатор имеет способность нагреть существенный объем воздуха. Расчет количества радиаторов производится исходя из их мощности и объема помещений, и обычно закладывается в проект дома.

14. Выбор температуры теплоносителя

Как известно, температура кипения воды 100 градусов Цельсия. Но при нагреве до такой температуры вода начинает интенсивно испаряться, что потребует отвода не только продуктов горения, но и водяных паров.

Существенно увеличится и давление во всей системе, поэтому нагрев воды производят до более низкой температуры. Стандартно – до 60-65 С. По мере прохождения в сети радиаторов она остывает до 40-45 С. Такая температура достаточна для оптимального обогрева.

При использовании других систем водяного отопления, например, водяных теплых полов нагрев проводят не выше 45 градусов.

Перегрев радиаторов вреден еще и потому, что высокая температура приводит не только к нагреванию воздуха, но и к возгонке пыли, попадающей затем в легкие человека.

15. Разводка радиаторов

В зависимости от того, как производится циркуляция воды в системе, монтируются и радиаторы.

Если вода течет по трубам самотеком, только за счет вытеснения холодной воды более горячей, в системе существенно повышается давление. Это чревато разрывом узлов системы. Трубы в таком случае используются с толщиной не менее 50 мм. Горизонтальные участки труб нужно монтировать с небольшим уклоном.

Пароотведение осуществляется с монтажом в системе расширительного бака открытого или закрытого типа.

Самотечная система годна только для небольших домов. Давление воды в ней низкое и циркулирует она на расстояние не более 30 метров, а это всего лишь пара-тройка радиаторов, установленных на расстоянии около 5 метров между собой.

В основном в больших домах используют принудительную циркуляцию воды с использованием насосов. Такая система закрыта, как и расширительный бак, вследствие этого расход воды уменьшается, система быстро и равномерно разогревается. Можно использовать трубы меньшего диаметра.

16. Краткое описание монтажа оборудования

Определившись с типом отопления и закупив все необходимое, приступают к монтажу оборудования. Для примера рассмотрим  случай монтажа водяной отопительной системы.

Сначала нужно определиться с местом, где будет установлен нагревательный котел. Как правило, оно предусмотрено уже на стадии проектирования. Для котельной, особенно газовой требуется обособленное помещение, отвечающее всем правилам электро- и пожаробезопасности.

Котел устанавливают согласно инструкции эксплуатации. Лучше доверить эту работу профессионалам, особенно если дело касается газовых котлов.

Подключение и запуск котла нужно отложить до окончания монтажа всей системы.

Далее осуществляется проводка всех труб и навешивание радиаторов. Нужно особенно тщательно проводить соединения труб с радиаторами и с другими элементами, используя средства улучшающие герметичность соединений. Как правило, современные узлы имеют удобные системы крепежа и коммутации, т.е. соединения.

Каждый радиатор должен быть оборудован устройством для выпуска излишнего воздуха, неизбежно имеющегося в замкнутой системе. Подключение всех элементов к котлу должно быть жестким.

Перед началом использования вся система опрессовывается – вместо воды в нее подается сжатый воздух. Если протечек не обнаружено можно запускать систему в рабочий режим.

17. Заключение

Таким образом, выбор системы отопления осуществляется исходя из многих факторов: доступности источников тепла, в первую очередь, газа, назначения дома – для постоянного проживания или сезонного, а смое главное – исходя из финансовых возможностей застройщика.

Чем дешевле топливо вы будете использовать, тем более дорогое оборудование придется устанавливать, и наоборот.

В следующих статьях мы подробнее рассмотрим некоторые виды систем отопления и особенности их монтажа.

Специалисты фирмы «К-Дом» готовы проконсультировать вас по любым вопросам, касающимся оптимизации отопления вашего дома, а также смонтировать системы отопления под ключ в рамках возведения нового дома или реконструкции уже используемого для жилья.