В настоящее время в связи с существенным удорожанием основных энергоносителей — электроэнергии, природного и сжиженного газа, дизельного топлива — частные застройщики небольших загородных домов сталкиваются с задачей выбора способа и системы отопления, являющихся наиболее эффективных с точки зрения безопасности, затрат на компоненты, монтаж и ввод в эксплуатацию, затрат на энергоносители, эргономики, доступности на рынке, управляемости, возможности автономной работы и т.п. Особенно это касается дачных строений периодического (сезонного) и постоянного проживания и небольших коттеджей общей площадью до 200 м2. В чем же особенность систем отопления потенциально используемых для таких зданий в условиях умеренного климата? Оговоримся, что будем рассматривать только системы отопления, способные работать автономно. Так, например, котлы и печи на твердом топливе требуют постоянного надзора и поддержания горения с участием человека. Energy efficient autonomous heating system of a country house. 12/2011. Фото 1
Системы отопления на природном газе охватывают практически весь спектр мощностей — от 6 кВт и выше. Однако в ряде случаев во многих СНТ (садоводческое некоммерческое товарищество) централизованное газоснабжение будет оставаться еще долгое время недоступно по экономическим соображениям. По средней оценке затраты на разработку и реализацию проекта газового хозяйства небольшого дачного поселка на сегодняшний день примерно соответствуют затратам на отопление электричеством в течение 20 лет. Необходимо учесть расходы на содержание обслуживающего персонала, регламентные работы и т.п. Даже при наличии централизованного газоснабжения на садовом участке вопрос экономии играет не последнюю роль, т.к. ресурс дорожает.

Системы на сжиженном газе также доступны для индивидуального использования. Однако стоимость оборудования и монтажа для них, пожалуй, наиболее высока. Не каждый индивидуальный застройщик примет решение устанавливать на садовом участке под землей емкость высокого давления объемом в несколько кубометров. Да и стоимость топлива возрастает пропорционально стоимости бензина и дизельного топлива. Системы на дизельном топливе по стоимости тепловой энергии занимают среднее положение между системами на природном газе и электричестве. Используемые в них дизельные котлы в подавляющем большинстве дорогостоящи и рассчитаны на тепловую мощность от 40 кВт и выше. Для установки котла и емкости с топливом требуется отдельное помещение. В экологическом плане при эксплуатации системы происходит загрязнение воздуха, почвы и воды продуктами сгорания дизельного топлива. Монтаж, наладка и обслуживание систем возможно только с участием специалистов обслуживающих организаций. Вследствие низкого качества топлива требуется периодическая чистка горелки.

В рассматриваемом нами сегменте мощностей — от 3 до 18 кВт основную долю занимают системы с электрическими нагревателями. Последние наиболее эффективны с точки зрения стоимости оборудования, управления, КПД, безопасности, эргономики, монтажа и обслуживания. Индивидуальный застройщик в ряде случаев может самостоятельно произвести монтаж, ввод в эксплуатацию и обслуживание тепловой установки.

К недостаткам систем электрического отопления является, прежде всего, высокая стоимость киловатта электроэнергии; во многих поселениях наблюдается дефицит мощности, в результате чего возможность ее потребления может быть ограничено решением местной власти; низкое качество электроэнергии. Однако зачастую имеется возможность двух или трехтарифного учета расхода электроэнергии. Загрузка сетей и качество электроэнергии может быть улучшено с переходом на трехфазное электроснабжение и установкой индивидуальных стабилизаторов. В силу сказанного, основное внимание в данной статье будем уделять именно системам отопления с электрическим источником тепловой энергии.

Наиболее простое и дешевое решение для небольших домов заключается в использовании автономных электрических конвекторов, которые в широком спектре представлены на рынке. Однако последние могут применяться только для местного отопления (например, санузла), а самое главное — являются пожароопасными и, согласно установленных требований пожарной безопасности [9, 11, 12], должны находиться под постоянным наблюдением.

С этой точки зрения лидирующими являются системы с жидким теплоносителем, включающие в свой состав котел, радиаторы, сеть гидравлических коммуникаций, и управляющую автоматику, включающую в себя насосы и запорнорегулирующую арматуру.

До недавнего времени основной популярностью среди жидкостных установок отопления пользовались гравитационные системы, в которых движение теплоносителя вызвано разностью температур прямой и обратной магистрали. Основными достоинствами таких систем является простота монтажа, минимум компонентов, благодаря чему достигается высокая надежность, в случае применения газового котла — возможность работы без источника электроэнергии. И сейчас такие системы распространены при наличии газового или твердотопливного котла в местности, где наблюдаются регулярные перебои с подачей электроэнергии.

К недостаткам можно отнести высокую металлоемкость, вызванную необходимостью применения трубопроводов относительно большого диаметра для устойчивой циркуляции; большую емкость, следовательно, и инерционность; высокую, некомфортную температуру теплоносителя в подающей магистрали; невозможность гибкого перераспределения мощности тепловой установки между отапливаемыми помещениями; слабая или вообще отсутствующая управляемость, выраженная в узком диапазоне изменения температуры теплоносителя.

С появлением на рынке широкого спектра компонент автоматики управления, а также трубопроводов из композитных материалов лидирующее место занимают отопительные системы с принудительной циркуляцией.		 Energy efficient autonomous heating system of a country house. 12/2011. Фото 2
Каковы же основные особенности, характеризующие энергоэффективную систему отопления? К ним мы отнесем следующие:
? управляемость системы — в системе должна присутствовать возможность регулирования температуры теплоносителя в контуре тепловой установки и отдельных отопительных контурах в широких пределах;
? управляемость тепловой установки — должна быть обеспечена возможность плавного или ступенчатого регулирования мощности тепловой установки в зависимости от потребностей потребителей тепла;
? погодозависимое управление — температура теплоносителя в контурах должны определяться исходя из погодных условий (внешней температуры) и температуры помещений, а в ряде случаев к указанным параметрам добавляется влажность и атмосферное давление;
? возможность задания температурного режима (термостатирования) помещений согласно ежедневному отопительному графику (программе отопления);
? раздельный независимый температурный режим отопления помещений — температура в отапливаемых помещениях (зданиях) должна поддерживаться раздельно, в соответствии с графиком их использования, а также должна быть обеспечена возможность гибкого перераспределения мощности тепловой установки между ними;
? возможность дистанционного управления, т.е. включения/отключения и изменения режима работы системы;
? минимальная тепловая инерционность данной системы.
В ряде случаев к системе отопления предъявляются требования эффективного расхода энергии на совместную работу с системой ГВС, системами «теплый пол», а также совместную работу с твердотопливным котлом или другим источником тепловой энергии. Рассмотрим отмеченные особенности и некоторые способы их реализации подробнее.

Управляемость системы, на взгляд автора, является базовым принципом энергоэффективного отопления. В отдельных контурах многоконтурной или в одноконтурной системе должна быть обеспечена возможность регулирования температуры теплоносителя в зависимости от запроса на нагрев. С точки зрения управления можно выделить два основных режима работы системы: статический, когда длительное время поддерживается постоянная температура, заданная потребителем, и динамический (форсирование), когда производится интенсивный нагрев помещения до заданной температуры. В зависимости от того, какой режим имеет место в данный момент времени, устанавливается и температура теплоносителя.

В самом простом случае в системе устанавливается термостат с датчиком температуры теплоносителя в подающей или обратной магистрали котла. Управление котлом производится посредством включения/отключения по соотношению заданной вручную и текущей температуры.

Следующим шагом к усовершенствованию системы является установка таймируемого («недельного») термостата, который позволяет управлять температурой теплоносителя не только в заданных пределах, но и по часам и дням недели. Температура может быть снижена в ночное время или когда требуется поддержание положительной температуры для предотвращения замерзания трубопроводов водоснабжения и т.п. В настоящее время на рынке представлено большое количество термостатов с различным набором функций в широком ценовом диапазоне. Один из полнофункциональных таймируемых термостатов представлен на рис. 1.

К его основным особенностям можно отнести: шесть функций и встроенный коммутируемый таймер; дневная и недельная программы; комплексный контроль отопления и нагрева воды в доме, отопления солнечными батареями; два термостата в одном, два температурных входа, два выхода с блокконтактом; допфункции (два независимых термостата, зависимая функция, дифференциальный термостат, двухуровневый термостат, функция «окно», «мертвая зона», термофункции); программная настройка функции выводов, калибровка сенсоров по опорным температурам; память для сохранения наиболее используемых предустановок температур; наглядное изображение настройки и данных замеров на ЖК-дисплее с подсветкой; гальванически изолированное напряжение питания AC 230 В или AC/DC 24 В; выходной контакт 1х, переключающий 8 A/250 В — один для каждого входа; исполнение двухмодульное, крепление на DINрейку.

Применение комнатных термостатов по температуре воздуха и термостатических клапанов (головок) эффективно при необходимости управлять отоплением отдельных помещений посредством включения/отключения отдельного радиатора или зависимого контура, например, одной комнаты.

На рынке представлено множество известных устройств различных производителей, например, CMT 707А1011 и DT90 A1008 фирмы Honeywell [14], Wester Heating и др. Некоторые из них, например, CMT 727D1016 фирмы Honeywell и др. снабжены радиоинтерфейсом, что исключает необходимость прокладки контактных проводов; появляется возможность регулировать температуру в любой зоне помещения. Управление отопительной установкой по температуре воздуха неэффективно вследствие неизбежного перерегулирования, возникающего вследствие высокой инерционности отапливаемого помещения. Следует особо подчеркнуть, что для обеспечения безопасности системы в магистрали котла должен быть в обязательном порядке установлен резервный термостат, например, механического типа, настроенный на максимальную температуру.

Управляемость тепловой установки необходима для обеспечения автоматического регулирования тепловой мощности, поступающей в систему. Потребность в тепле зависит от температуры ограждений и воздуха в сооружении, а также уличной температуры. Управление мощностью котлов осуществляется по следующим способам: включение/отключение в соответствии с величиной регулируемой температуры; подключение дополнительных ступеней; модуляция; модуляция совместно с подключением дополнительных ступеней.		 Energy efficient autonomous heating system of a country house. 12/2011. Фото 3
Применительно к электрическим котлам реализуются все изложенные способы. В приборах, доступных на российском рынке, как правило, предусмотрено две-три ступени мощности. Каждая ступень обеспечивается отдельным ТЭНом и может управляться независимо. Среди производимых в СНГ электрокотлов с возможностью управления отметим семейство нагревателей марки «ЭОВ» предприятия ВНИИЭТО, г. Истра Московской области [15] (рис. 2). Отличительная особенность данных котлов — высокая надежность, благодаря простоте конструкции и применению ТЭНов из нержавеющей стали; малые габариты, позволяющие установить агрегат в жилом помещении, например, на кухне или в санузле; стоимость изделия в несколько раз ниже по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами; диапазон мощностей — от 2 до 18 кВт.

Управление ступенями котла посредством включения/отключения осуществляется управляющим контроллером или термостатом посредством электромагнитного или твердотельного реле. Последние предпочтительней благодаря широкому диапазону управляющих напряжений, отсутствию помех при переключении, бесшумной работе, ресурсу, многократно превосходящему ресурс электромагнитных. Из недостатков твердотельных реле можно отметить более высокую стоимость и необходимость отвода тепла, что также удорожает конструкцию. На российском рынке представлены, например, реле фирмы Crydom (США) во всем спектре номинальных рабочих токов — от единиц до сотен ампер.

Модуляция — один из перспективных способов управления котлом. Последний является плавным регулированием мощности устройства за счет управляющего сигнала на входе.

Управление может быть как аналоговым — посредством изменения управляющего (модулирующего) напряжения или тока в установленном диапазоне — так и по цифровой шине, посредством передачи информации.

Использование модуляции в общем случае позволяет повысить КПД установки и минимизировать колебательные процессы в работе системы, что важно, например, при использовании в системе регулирования температуры в отдельных контурах посредством смесительных клапанов с электроприводом.

В современных котлах на газе и жидком топливе регулирование мощности производится за счет изменения расхода топлива, поступающего через форсунку и изменения положения дроссельной заслонки. Оборудование, оснащенное такой системой, является дорогостоящим и предназначено для выработки больших тепловых мощностей.

В системе с электрическим котлом использование модуляции оправдано лишь в случае, если мощность нагревательной установки выбрана с запасом (что редко бывает в наших условиях дефицита электроэнергии) или существенно велика (9 кВт и более). В этом случае использование плавное регулирование мощности в среднем позволит снизить мгновенный ток, потребляемый котлом, а следовательно, разгрузить сеть.

Осуществляется регулирование мощности при помощи тиристорных регуляторов, работающих по фазовому принципу или за счет коммутации напряжения в момент переходов фазы через нуль. Для управления регулятором используются управляющие сигналы в одном из стандартов: аналоговое напряжение 0–10, 2–10 или 1–5 В, ток 5–20 мА. Среди доступных на рынке регуляторов можно отметить изделия фирм Fotec, Sipin, Watt, Autonics и др.

Следует иметь ввиду, что тиристорные регуляторы при работе создают электрические помехи в сети, выраженные в появлении третьей гармоники или переключении с высокой частотой. Особенно ощутимо это проявляется в области половины мощности. Поэтому при использовании данных устройств необходимо соблюсти все требования в части электротехники по минимизации помех. Наиболее эффективным и дешевым способом снижения помех, на наш взгляд, является использование отдельной выделенной шины питания силовой части электроустановки.

При выборе котла в системе отопления необходимо использовать контроллер, обладающий возможностью управления многоступенчатым нагревателем (группой нагревателей) посредством переключения и/или модуляции (вопрос выбора и применения контроллера более подробно рассмотрим ниже).

Погодозависимое управление заключается в адаптации текущих параметров отопительной системы или ее отдельных контуров (мощности, температуры теплоносителя) к погодным условиям. В большинстве доступных систем в качестве внешних воздействий используется внешняя (уличная) температура и температура помещений, исходя из которых определяется температура теплоносителя в контурах и, следовательно, варьируется мощность тепловой установки. Основные преимущества погодозависимого управления системой заключаются в увеличении комфортности отопления, эффективности использования мощности отопительной установки и экономии энергии.

Реализуется погодозависимое управление посредством применения в качестве управляющего устройства погодозависимого контроллера. В простейшем случае погодозависимый контроллер представляет собой таймируемый термостат, рассмотренный выше, с включенными контурами регулирования температуры теплоносителя, исходя из внешних условий. Расчет последней осуществляется по так называемой кривой отопления — зависимости температуры теплоносителя от уличной температуры. На рис. 3 представлено типичное семейство отопительных кривых погодозависимых контроллеров серии Е8 фирмы Kromschroder (Германия) [16, 13]. Так, при снижении уличной температуры, температура теплоносителя увеличивается, при повышении — снижается.

Параметры кривых отопления — крутизна наклона и смещение вдоль оси ординат, задают диапазон изменения температуры теплоносителя в зависимости от изменения внешней температуры, определяются параметрами системы отопления (соотношением мощностей котла и радиаторов отопления, тепловым сопротивлением стен здания, наличием дополнительных внешних источников тепла и т.п.) и, как правило, находятся экспериментальным путем, посредством многочисленных наблюдений и анализа накопленного опыта. Чем точнее будет задана кривая, тем выше будет эффективность работы системы и экономия энергии.

В ряде погодозависимых контроллеров, например, Kromschroder серии E8, предусмотрена возможность автоматической подстройки параметров отопительной кривой, если режим отопления длительное время остается постоянным.

Второй, не менее важной особенностью некоторых погодозависимых контроллеров является наличие канала пропорционально-интегрального (ПИ) регулирования температуры теплоносителя по температуре внутреннего воздуха помещения. Благодаря электронным датчикам температуры, подключенным к управляющим контроллерам, рассматриваемый процесс может быть реализован с высокой точностью. В контроллерах Kromschroder серии E8 точность поддержания температуры с учетом погрешности измерения составляет ± 0,3 °C. От точности измерения и задания уставок температуры и параметров регулирования зависит ряд рабочих характеристик системы отопления, в т.ч. экономичность.		 Energy efficient autonomous heating system of a country house. 12/2011. Фото 4
Наиболее удобно параметр регулирования задавать коэффициентом усиления в обратной связи контура (как это реализовано в E8). Так, при отклонении температуры помещения от заданной уставки, в температуру теплоносителя соответствующего отопительного контура дополнительно вносится коррекция. В результате для контуров, отапливающих сильно охлажденные помещения, температура теплоносителя будет приближаться к максимально возможной (режим «форсировки»). По мере прогрева помещений, температура теплоносителя будет пропорционально снижаться вплоть до величины, определяемой отопительной кривой. Учет постоянной времени регулирования производится посредством задания параметра инерционности нагрева помещения, измеряемого в часах.

Рассмотренный способ регулирования температуры помещений эффективен при совместном использовании, например, электрического и печного отопления. При повышении температуры помещения за счет теплоотдачи печи, температура теплоносителя в соответствующем отопительном контуре снижается вплоть до отключения контура. Тем самым исключается необходимость управления системой вручную. Продолжение см. в следующем номере.

1. Кокорин О.Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования. — М.: Проспект, 1999.
2. Умнякова Н.П. Как сделать дом теплым. Справ. — М.: Стройиздат, 1996.
3. Порецкий В.В., Березович И.С., Стомахина Г.И. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: жилые здания со встроено-пристроенными помещениями общественного назначения и стоянками автомобилей. Коттеджи: справ. — М.: Пантори, 2003.
4. Пырков В.В. Особенности современных систем водяного отопления. — Киев: Таки справы, 2003.
5. Русланов Г.В., Розкин М.Я., Ямпольский Э.Л. Отопление и вентиляция жилых и гражданских зданий. — Киев: Будiвельник, 1983.
6. Ткачук А.Я., Зайченко Е.С., Потапов В.А., Цепелев А.П. Системы отопления. Проектирование и эксплуатация. — Киев: Будiвельник, 1985.
7. СНиП 41.01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
8. СНиП 23.02–2003. Тепловая защита зданий.
9. СП 7.13130.2009. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Противопожарные требования.
10. СНиП 23.01–99. Строительная климатология.
11. СНиП 21.01–97. Пожарная безопасность зданий и сооружений.
12. ГОСТ 12.1.004–91. Пожарная безопасность. Общие правила.
13. Интернет-портал www.hydromontage.ru.
14. Интернет-портал www.honeywellec.ru.
15. Интернет-портал www.vniieto.su.
16. Интернет-портал www.kromschroeder.de.
17. Интернет-портал www.fantinicosmi.com.