Комплексная автономная система отопления, ГВС и вентиляции каркасного коттеджа 170м2 со всеми удобствами в средней полосе России (вариант "максимум")
[Введение / теория]
Как сделать, чтобы система отопления на твердом топливе не отнимала много времени на обслуживание? Как максимально автоматизировать управление тепловым режимом дома при периодической топке твердым топливом? Как сделать отопление равномерным, без перегрева во время топки и недогрева между топками?
При отоплении твердым топливом главной проблемой является неравномерность теплового режима дома. Обычно мы затапливаем котел(печь), когда температура в доме опустилась ниже комфортной. Примерно через час топки температура достигает оптимума. Еще через некоторое время повышается до некомфортной, но уже в другую сторону.
Что делать?
В общем то решение лежит на поверхности. Нужно использовать аккумулятор тепла. А в тепловых приборах предусмотреть регулируемые термостаты, которые будут отбирать в радиаторы из разводящей системы столько тепла, сколько нужно.
Что для этого нужно?
1. Котел большей мощности, чем теплопотери дома в самый холодный период.
2. Бак - аккумулятор достаточной емкости, чтобы аккумулировать тепло теплоносителя c cнизить скачки температуры в циклах нагрев-охлаждение.
3. Трубы разводки по этажам и комнатам. Предпочтение следует отдать естественной циркуляции теплоносителя на случай отключения электроэнергии. Но насос предусмотреть.
4. Тепловые приборы (радиаторы). Вообще для такой системы предпочтительнее водяной теплый пол, так как рабочая температура теплоносителя там не превышает 40 градусов. То есть в этом случае можно обойтись вообще без бака-аккумулятора т.е. теплый пол им и будет, однако данная система в одиночку не подходит для умеренных и северных широт. Если же использовать радиаторы, то их мощность должна быть рассчитана на работу с температурой теплоносителя не более 60 градусов. Другими словами, радиаторы должны иметь бОльшую поверхность нагрева, чем обычно.
5 Несложный блок автоматики, управляющий задвижками, смесителями и т.п.
Как работает система?
Растапливаем котел, и загружаем его на полную мощность. Во время работы котла вода циркулирует в цепи котел - бак аккумулятор. И нагревает воду в баке до максимальной температуры - то есть до 95 градусов.
С верхней точки бака берется вода для системы отопления. Вся разводка труб по дому утеплена, для того, чтобы не отдавать лишнее тепло в помещение.
К трубам как обычно подключены радиаторы через термостаты. Термостат выставляется на ту температуру, которая необходима для поддержания в комнате комфортных условий.
Котел закончил работу. Нас это ни мало не заботит. Автоматическая задвижка закрыла циркуляцию контура котел - бак.
Бак очень хорошо теплоизолирован. И теперь он как бы является котлом. Из него происходит отбор горячей воды на отопление в той степени, в которой нужно.
Следующий раз котел нужно растапливать тогда, когда температура в верхней части бака аккумулятора снизилась до рабочей температуры радиаторов.
Пример. По дому организована система "водяной теплый пол". Для того, чтобы компенсировать теплопотери дома, допустим для данных погодных условий необходима температура воды 40 градусов. Как только в верхней части бака - аккумулятора вода остыла до 40 градусов, мы идем спокойненько и не торопясь затапливать котел. При этом в период между топками температура в доме никаких колебаний не имела. В принципе котел можно топить в любое удобное время. Ломиться с работы во все лопатки уже не обязательно.
Преимущества системы. 1. Котел используется на полную мощность. А значит, с наивысшим КПД. То есть КПД котла никак не зависит от температуры за окном. 2. При наличии "правильного" котла, можно загрузить на полную катушку и забыть. До следующей топки. Имеем простоту в обслуживании. 3. При эксплуатации такой системы нет перепадов температуры в течение суток. 5. Чисто технически осуществить эту систему не на много сложнее, чем обычную водяную систему отопления от котла. (За введение, спасибо Дмитрию Костылеву okolotok.ru)
[Описание задачи]
Имеется двухэтажный жилой дом (170м2) в средней полосе России. Дом построен по каркасной технологии с хорошим утеплением (панели ecopan, nanobud). Дом не предполагается подключать ни к каким магистралям (полная автономия и самодостаточность). Все инженерные системы помимо автономности должны отвечать следующим условиям: - быть малозатратны в облуживании - стоить в разумных пределах. - быть достаточно простыми для массового воспроизводства - иметь долгий срок службы В Доме, критично важными к отоплению являются 3 жилые комнаты (спальни/детские) на 2-ом этаже и 3 комнаты (кухня/гостиная/ванна) на первом. Необходимо решить вопросы отопления , горячего водоснабжения и вентиляции. Основная задача (помимо собственно обогрева) не превратиться в кочегара, т.е. подход к котлу осуществлять не чаще 1 раза в сутки.
[Соображения]
1) Каркасный дом по своей сути представляет собой легкий герметичный термос, поэтому помимо плюсов (дешевизна стен, экономия на фундаменте, повышенное теплосопротивление) имеем и минусы: а) низкая тепловая инерционность дома б) необходимость принудительной вентиляции 2) массивные эффективные печи, как более технически простой вариант, мне не подходят т.к. а) проблемно равномерно обогреть все комнаты в т.ч. не прилегающие к печи, в противном случае накладываются жесткие ограничения на планировку б) КАЧЕСТВЕННАЯ массивная многофункциональная печь выйдет по стоимости (150-250т.р.) явно дороже предлагаемого варианта. 3) Твердотопливные автоматизированные котлы не подходят по причине высокой стоимости, необходимости частого присутствия или включения в систему герметичного теплоаккумулятора повышенной емкости 3-4м3 4) В качестве котла выбрано следующее: Вариант 1) Твердотопливный котел длительного горения "STROPUVA" (Литва) – (1400-1600 евро) Вариант 2) высокоэффективный изолированный пиролизный твердотопливный каменный котел по принципам Кузнецова (200-300т.р.) 5) Для снижения цикличных перепадов t в системе отопления («СО») применить водяной теплоаккамулятор (негерметичный бак с водой 1м3 и «змеевиком» из СО) 6) Воду предполагается брать из песчаной скважины. Канализация – фильтр. септик 7) Т.к. дом (ввиду качественной изоляции) нуждается в эффективной вентиляции, то придется продумать эту систему отдельно (а не полагаться на проветривание через окна) заодно интегрировать систему воздужного нагрева/охлаждения - при низкой теплоёмкости дома (каркасный) - очень удобный вариант - удобно совместить с системой вентиляции - летом можно использовать и для охлаждения дома - более высокая надёжность. Так же, меньше проблем в случае выхода из строя. 8) Необходимая электроэнергия берется от автономной установки на основе возобновляемых источников. (солнце, ветер + дизельгенератор) посему нужно уложиться по автоматике суммарно не более 1,5 кВт/ч 9) По расчетам (ввиду дифференциации помещений по энергопотребностям и режиму эксплуатации) из 171м2 дома необходимо отапливать 123м2 (+ дублирование воздушным отоплением 260м3) 10) в качестве вводной информации использовать существующие наработки
[Решения]
Источник нагрева зимой –твердотопливный котел 20кВт Резервный источник / источник для быстрого прогрева –каминная топка с воздушн. отоплением KEDDY 510 (3-11кВт) Накопитель(выравниватель) тепла – ГидрооАккамулятор (ТА) (утепленная герметичная «цистерна») 1 м3 = 60кВт/ч Накопитель воды для горячего водоснабжения (ГВС) – Бойлер 200л со змеевиком из СО (зимой) или солнечн.коллекторами (летом). Накопитель воды для холодного водоснабжения (ХВС) – Бойлер 100л со змеевиком из системы воздушного охлаждения (летом). Напор в системе –1 расширительный бак , 1 цирк. Насос (+1 насос на воздушное охлаждение) Потребители тепла – ТА (в момент растопки), контур батарей, ГВС, воздушное отопление (теплообменник в вентиляции) Потребители холода – ХВС, кондиционирование (теплообменник в вентиляции) Вся система имеет модульную структуру, способную меняться в зависимости от внешних факторов (подключаемые контура), способна нести полезную нагрузку круглогодично.
Особенности отопления Подключение ТА в систему выбрано как отдельной емкостью через змеевик, это позволит сэкономить на производстве ТА (не надо заморачиваться с давлением, можно сделать не герметичным) и в едином контуре «тт-та-со» использовать один насос
Особенности Вентиляции
Постоянная естественная вытяжка (2 канала) и подключаемая принудительная приточка(1 канал) через теплообменник СО и рекурператор (который на самом-то деле не особо нужен ибо на него больше потратишь, чем получишь пользы). Возможность задействовать резервную печь для быстрого воздушного прогрева дома "с нуля" или в сильные морозы. Возможность охлаждения (кондиционирования) воздуха летом за счет ХВС (предположительно теплообменник - а/м радиатор) Воздуховоды – круглая оцинковка 125-150 мм диаметром Возможность подключения вентиляторов через реле времени для экономии эл-ва.
Усреднено расход по вентиляции на 1 человека – 10м3/час исходя из реалий а не снипов. Для нагрева 150м3 кубических воздуха на 40град С нужно 2 кВт/час или 48кВт за сутки. Можно считать, что на нагрев приточного воздуха постоянно работает 2кВт тепловентилятор. Резюме: реальный воздухообмен значительно ниже норм СНиПа и не зависит от объёма его помещений. При условии, что там проживает не рота солдат, а семья из 4-6 человек, объём вентиляции составляет пару сотен кубов свежего (приточного) воздуха в час.
Однако будем считать приток воздуха по кратности 2,5 (замена 2,5м3\час на каждый м2 площади дома по полу). В этом случае во всех комнатах всегда будет свежий воздух. Не обязательно чтобы вся система постоянно работала, можно периодически по таймеру - час работает, час нет.
Учитывая что вентиляция у нас будет не во всех помещениях, нам нужно обеспечить 107м2(260м3) помещений вентиляцией и воздушным отоплением, т.е. производительность приточки необходима около 300м3\час
План 1-го этажа
План 2-го этажа
Общая схема (выглядит запутанно, но далее в упрощенных разрезах времен года будет понятнее)
Зима – растопка ТТ
Зима – инерция от ТА
Лето
Вентиляция
[Теплотехнические расчеты]
Отопление 120 кв метров требуют в пике 12 Квт ( в среднем половина, 6 Квт) суточные потребления ГВС (30-50литров на человека нагретой воды до 75°С.) т.е. ещё примерно 2-3кВт
Экспликация помещений:
Отапливаемыепомещения
Водяноеотопление
воздушноеотопл
этаж
объем м3
комната
площадь
от.площадь
кол-ворадиат
от.объемм3
первыйэтаж
90,5
гостинная
30,17
30,17
2
90,5
12,6
тамбур
4,2
4,2
1
47,5
техпомещение
15,84
47,5
68,9
кухня/столовая
22,98
22,98
2
68,9
18,7
ванна(полотенцесуш.)
6,23
6,23
1
второйэтаж
40,8
спальняманс
16,3
16,3
1
16,3
47,4
детские1
17,54
17,54
1
17,48
49,7
детские2манс.
19,87
19,87
1
19,81
15,9
кабинетманс.
6,37
6,37
1
ТеплоАккамулятор
1м3 воды
техпомещение
+
ГВС
200л.Воды
техпомещение
+
Радиаторывоздушного отопления
техпомещение
+
Итого
123,66
10
260,56
Выбор ТТ котла: 1)Stropuva S20 Литовские котлы Стропува (Stropuva) – сайт производителя: дилер по России: baykalservice.ru/otopl.php ~ 50-80т.р. прочие/резервные варианты ТТ 2)ТТ Кузнецова 20кВт 200-300 т.р. 3)ATMOS DC22SX или комби C 20S Резервное воздушное отопление: Каминная топка KEDDY 510 (3-11кВт) ~ 50-80т.р.
Топка дровами. Котел Stropuva S20 одна закладка 50кг дров ~ 1-3 дня дрова 50% влажности около 10мДж или 2800ккал. Реальные дрова 3.2 кВт/кг * 50кг(1 закладка) = 160кВт выделится всего. 160 * КПД 0,75(возьмем понижено реальный КПД) = 120 кВт снимем. Пусть дом имеет оч. хорошее утепление и потери 60Вт/м2 120м2 * 60 = 7200Вт время работы котла на 1 заправке 120кВт/ 7,2кВт = 16,6 часов будет гореть на закладке (без учета нагрева ТА). время работы от ТА ТА 1 м3 = 60кВт/ч / 7,2кВт =8,3 часа. Если учесть что далеко не вся энергия уйдет в отопление, то хотябы ещё 3 часа дом будет отапливаться на заряженном ТА При первоначальном пуске с холодным ТА, время автономной работы уменьшится на 3 часа, необходимых на нагрев ТА с 30 до 80 гр. 1000кг*50°С*4,2кЖд/кг°С/3ч=70МЖд=19.4кВт.
Расход топлива. следует ориентироваться на расход 1 кубометр дров на каждые 10 квадратных метров отапливаемой площади за сезон (зиму). Машина колотых березовых дров стоит 8-16 тыс р (8 м3) Ежедневно 50кг дров \ В месяц нужно ~2-3 куба. \ За сезон ~13-15м3 ~1,5 машины ~ 13-26т.р./сезон \ 1-2.1 т.р.\мес. Угля потребуется всего около 1 тонны. Объем занимаемый им, примерно 0,7м3 уголь 1 тонна ~ 4000р. ИТОГО: Зимой одна закладка в сутки. В межсезоне - одна в 2-3 сутки.
