Если убрать предубеждения, то, в конечном итоге, всех интересуют экономические оценки. При рассмотрении вопросов отопления помещений заказчика интересует не столько стоимость отдельно котла, труб, автоматики, отопительных приборов, сколько конечная цена всей системы, стоимость топлива и годового сервиса, срок службы оборудования. Но и это ещё не всё. Необходимо учитывать стоимость дымовых труб, если они есть, и стоимости подвода инженерных коммуникаций, разрешений на подключение, разработки самого проекта, наконец. Стоимость составляющих проект частей очень важна, но потребителям нужен конечный результат — цена всей системы теплоснабжения в целом, её проектирования, строительства и эксплуатации.
Для современных автономных систем отопления одним из важнейших факторов, влияющих на энергетическую эффективность, является управляемость системы — способность изменения параметров отопления в зависимости от меняющихся условий температуры внешней среды и требований человека. Чем быстрее система отопления подстраивается под эти условия, тем она эффективней. Также важно, чтобы система отопления была способна реагировать на температуру атмосферного воздуха во всём её возможном диапазоне — от +15°C, когда возникает потребность включения отопления, до −25–35°C, ведь такие температуры часто бывают в нашей стране в холодные зимние периоды.
Какой мощности должен быть котёл для обеспечения всей системы теплоснабжения индивидуального дома или квартиры с отапливаемой площадью 40–70 м²?
В подавляющем большинстве для обеспечения автономного теплоснабжения таких помещений применяют настенные газовые котлы. Подробно история их развития, включая современные конденсационные теплоагрегаты, описана в [1, 2].
Выделим два фактора из особенностей их работы. Первый — настенные газовые котлы не работают одновременно на отопление и подготовку горячей воды, они либо отапливают помещение, либо подогревают воду. Второй — конвекционные газовые котлы не работают с нагрузкой менее 40% от максимальной. То есть, если у вас котёл на 24 кВт, он не работает с реальной нагрузкой менее 9 кВт [3].
Какова должна быть мощность котла на отопление для компенсации тепловых потерь в небольшой квартире?
В качестве примера возьмём расчёт, произведённый в работе [4]. Двухкомнатная квартира общей площадью 46 м² на шестом этаже восьмиэтажного дома, расположенного в городе Санкт-Петербурге: окна в двух комнатах и кухне выходят на одну сторону (западную), высота потолков — 2,51 м, кирпичные стены, толщина внешней стены — 50 см, внутренней (на лестничную клетку) стены — 40 см, с двух сторон боковых стен имеются соседи, один балкон с площадью остекления 8,1 м². Температура в квартире tр = 20°C, в холодное время tн = −24°C, тепловое сопротивление окон R0 = 0,43 м²·К/Вт. Далее приведём расчёт.
Суммарные тепловые потери составляют 2415 Вт, потери за счёт инфильтрации воздуха — 457 Вт. Теплоотдача от бытовых приборов — 487 Вт, от людей — 90 Вт. Общая тепловая потребность квартиры составит величину: Qпотр = 2415 + 457–487–90 = 2295 Вт.
Рассчитанная тепловая потребность для отопления квартиры определена для температуры −24°C, что соответствует температуре самой холодной пятидневки для места расположения квартиры (Санкт-Петербург) согласно [5].
Из архива климатических данных по Санкт-Петербургу [6] следует, что для этого города самым холодным месяцем является январь со средней минимальной температурой −6,2°C, а средняя минимальная температура наружного воздуха отопительного сезона составляет −2,2°C. Данные расчёта приведены с завышением, поскольку в расчёте принято, что температура на лестничной клетке равна температуре атмосферного воздуха. Расчёт, выполненный по существующим методикам и государственным стандартам, показывает, что тепловая потребность квартиры на отопление не превышает 2,3 кВт·ч при экстремально низких температурах и 1,15 кВт·ч при средних за отопительный сезон температурах.
Таким образом, данный расчёт свидетельствует, что на территории РФ для квартир в многоэтажных домах, в которых установлено автономное отопление, вполне достаточно, чтобы мощность котла составляла 500 Вт на 10 м². Это гарантированно обеспечит поддержание комфортной температуры в помещении. Реальные средние теплопотери в отопительный период не превышают 600 кВт в месяц, что при стоимости около 5 руб. за 1 кВт составит 3000 руб. При использовании настенного газового котла этот режим отопления обойдётся в три-пять раз дешевле. Получается, что при поквартирном теплоснабжении разница в использовании электрического обогрева в сравнении с газовыми котлами очень большая.
Но всё это для случаев, когда за киловатт электрической энергии жильцы платят по обычному тарифу. Несколько десятков лет назад было принято решение о замене газовых плит на электрические, и для домов с последними введён льготный тариф. Если применительно к отоплению на электрических котлах будет использован аналогичный тариф, то ситуация меняется, и затраты на отопление могут составить около 2000 руб. в месяц. Это более адекватная цена для автономного поквартирного электрического теплоснабжения. Если изначально проектировать дом при отсутствии газоснабжения, то не нужны внутренняя сеть газовых труб, разрешения на подключение газа, дымоходы, поскольку нет дымоудаления, нет вопроса забора воздуха извне. Все эти инженерные коммуникации стоят около 4–6% от стоимости проекта. При условной стоимости квартиры в 3 млн руб. эти затраты выливаются в 150 тыс. руб., что эквивалентно 30 месяцам бесплатного пользования. Кроме того, годовое обслуживание газовых котлов проблемнее и дороже, чем электрических.
В работах [7, 8] рассмотрены вопросы использования ночных тарифов, аккумуляторов тепла, позволяющих снизить затраты ещё в два раза. Данные системы хорошо интегрируются в комбинированные системы с тепловой солнечной генерацией, в том числе с пространственными вакуумными солнечными коллекторами [9].
Если рассмотреть все указанные факторы на момент проектирования многоквартирных, многоэтажных домов с автономными системами теплоснабжения и изначально закладывать отсутствие подвода газа к объекту и, как следствие, отсутствие систем дымоудаления и подачи воздуха, то в ряде южных районов РФ, а также в районах с низкой стоимостью электрической энергии установка автономных систем теплоснабжения на основе электрических котлов может быть оправдана с экономической точки зрения.
В использовании настенных газовых котлов для поквартирного теплоснабжения есть ещё один негативный момент. Проектирование и подбор мощности теплогенератора для автономных систем теплоснабжения, согласно действующим в настоящий момент нормам, ведётся на экстремально низкие температуры. Сама идея использования настенных газовых котлов для поквартирного отопления — вынужденная мера. Развитие жилищного строительства идёт быстро, а система централизованного теплоснабжения либо устарела и требует больших затрат на реконструкцию и подключение дополнительных мощностей, либо в новых районах строительства её просто нет.
Отсюда и предложение — установить настенный газовый котёл в каждую квартиру для обеспечения отоплением и горячей водой. При этом обычно используют настенный газовый двухконтурный котёл мощностью 24 кВт. Для подготовки проточной горячей воды квартиры с двумя точками разбора горячей воды (ванной и кухни) нужна мощность 20–24 кВт. А мощность 24 кВт на отопление квартиры не просто велика — она в десять раз выше необходимой.
На рис. 1 представлены два диапазона изменения тепловой мощности стандартного настенного газового котла. Первый диапазон работы котла обычно оказывается режимом «включения-выключения».
Рис. 1. Диапазоны изменения тепловой мощности и инерционные потери тепла для стандартного настенного газового котла (для рассматриваемого примера двухкомнатной квартиры в Санкт-Петербурге площадью 46 м2)
Это зона дискретного управления мощностью котла. Если теплопотери помещения маленькие, то агрегат будет работать с паузами в режиме «тактования». Чем меньше потребная тепловая нагрузка, тем чаще будет включаться и выключаться котёл. Второй диапазон — работа в режиме плавного изменения мощности котла. В нём система управления работой котла точно отслеживает изменение тепловых потерь помещения и корректирует мощность источника тепла.
На рис. 1 также отражена потребная мощность котла для рассматриваемой санкт-петербургской двухкомнатной квартиры площадью 46 м².
Как видно из рисунка, в течение всего отапливаемого периода времени года потребная мощность котла в режиме отопления находится в начале координат и всегда значительно меньше минимальной мощности диапазона непрерывной модуляции мощности. Любой системе управления свойственны ошибки, приводящие к потерям. В нашем случае это потери тепла (считай — денег).
Помещения и системы отопления обладают тепловой инерцией. Чем грубее система управления, тем больше ошибки, тем больше потери. На рис. 1 также имеется график инерционных потерь тепла (ошибок системы управления) для настенного газового котла.
Видно, что в зоне потребной мощности для отопления в рассматриваемом примере они максимальные. Любой настенный газовый котёл в режиме отопления не будет работать в зоне модуляции тепловой мощности. Он работает в режиме периодического «включения-выключения», где инерционные тепловые потери максимальные. Такая эксплуатация настенных котлов не соответствует их расчётному режиму работы, они были созданы для другого. В период газификации территории Европы встал вопрос об автономной системе теплоснабжения индивидуальных домов площадью 150–200 м² и обеспечения его горячей водой — вот так и появились компактные микрокотельные, решающие эти вопросы [1, 2], которые впоследствии трансформировались в современное автономное поквартирное отопление.
На рис. 1 также показан график инерционных тепловых потерь для электрического котла. У современных электрических котлов, использующих симисторное электронное управление, небольшой шаг изменения мощности и алгоритмы плавного изменения тепловой нагрузки, поэтому график тепловых потерь практически постоянен во всём диапазоне изменения мощности агрегата — от нуля до максимума. Такие котлы максимально приспособлены для работы в условиях широкого диапазона изменения тепловой нагрузки и обладают минимальными тепловыми инерционными потерями, то есть характеризуются наибольшей энергетической эффективностью для автономных систем теплоснабжения с теплоносителем.
Если рассматривать поквартирное отопление на основе газовых теплогенераторов, то для такого теплоснабжения (отопления и подготовки горячей воды) целесообразным является применение газового котла с максимальной мощностью 5–6 кВт·ч, который работает в паре с бойлером косвенного нагрева объёмом 150–200 л для подготовки горячей воды.
Данного объёма бойлера и мощности котла достаточно для комфортного обеспечения горячей водой семьи до пяти человек. Однако это целесообразно для квартир площадью 75–90 м².
Для квартир с площадью 40–50 м² газовый котёл мощностью 5–6 кВт для отопления всё равно будет слишком мощным, поскольку даже для экстремально низких температур теплопотери составляют около 2,5 кВт·ч. В этом случае электрические котлы наиболее эффективны, особенно их применение целесообразно для поквартирного теплоснабжения в южных регионах России. Уже есть примеры такого подхода к вопросам теплоснабжения на постсоветском пространстве. В Республике Беларусь для ряда многоквартирных домов изначально проектировалось теплоснабжение с помощью электрокотлов. Первые опыты эксплуатации выявляют ошибки, и одна из главных претензий связана с горячим водоснабжением. Для ГВС в квартирах использовались накопительные электрические бойлеры объёмом 100 л. Если люди пользуются ванной, а не душем, то наполнить её не удастся. Мощности бойлера в 1–2 кВт явно недостаточно для комфортного потребления горячей воды. Решить данный вопрос можно с помощью бойлера косвенного нагрева объёмом 150–200 л посредством подключения его к котлу мощностью 6–9 кВт, работающему в режиме «ГВС». В режиме «отопление» можно установить максимальную мощность 2–4 кВт, в зависимости от размеров квартиры. Некоторые электрические котлы имеют широчайший диапазон модуляции мощности и могут быть настроены для работы в двух режимах.
При использовании электроэнергии для теплоснабжения возможно применение и других способов нагрева помещений. Это могут быть электрические конвекторы, масляные электрические радиаторы, тепловентиляторы, тепловые насосы и т. д., но они не могут быть использованы для подготовки горячей воды. Применение электрокотлов для обогрева помещений с помощью отопительных приборов (радиаторы, конвекторы, тёплые полы) также дают возможность интегрировать данные системы в комбинированные системы теплоснабжения. Например, установка теплового аккумулятора объёмом 150 л даёт возможность использовать ночной тариф оплаты электроэнергии [7]. А при размещении в контуре системы отопления, помимо теплового аккумулятора, ещё и солнечных вакуумных коллекторов возможно использование энергии солнца.
При рассмотрении вопроса использования электрического теплоснабжения для отдельных индивидуальных домов нужно отметить, что теплопотери у них выше, чем в квартирах аналогичной площади, примерно на 50–70%. Это связано с тем, что у последних часть ограждающих конструкций — общая с соседями.
Из экономических соображений для индивидуальных домов площадью более 100 м² целесообразно применение газовых котлов. Применение электрического отопления для индивидуального строительства имеет смысл в случаях отсутствия магистрального газа или же расположения домов в южных регионах страны.
Выводы
Исследование показало, что тепловые потери на отопление малогабаритных квартир в многоэтажных домах современных типов практически не превышают 2,5 кВт·ч, даже при экстремальных минусовых температурах атмосферного воздуха. Если избежать затрат на подвод инженерных газовых коммуникаций и систем дымоудаления на этапе проектирования, то образовавшаяся экономия денежных средств, наряду с отсутствием затрат на ежегодный сервис газовых котлов и возможностью получения особых тарифов расхода электроэнергии для отопления, может обосновать замену газовых котлов на электрические.
Вопрос подготовки горячей воды в данных случаях решается при помощи бойлеров косвенного нагрева, подключённых к электрическому котлу, либо накопительных электрических водонагревателей.
Итак, применение электрокотлов для поквартирного теплоснабжения даёт более высокий уровень комфорта.
Они безопаснее и проще в эксплуатации. Однако экономически электрическое теплоснабжение (по сравнению с газовым) целесообразно для квартир (в МКД) площадью до 70–80 м².
