В последнее время выпускается большое количество таких специальных теплоносителей — водных смесей этиленгликоля, пропиленгликоля с комплексными присадками, обеспечивающими стабильность свойств и низкую коррозионную активность. Компании, продающие данные антифризы для автономных систем отопления, при продажах уделяют внимание запаху, цвету, экологическим аспектам и заявляют о том, что, заполнив систему отопления антифризом, потребитель гарантированно решит проблему неразрушения контура отопления своего загородного дома при отрицательных температурах и сэкономит большую сумму, поскольку при этом нет необходимости отапливать помещение при отсутствии в нём жильцов. Также утверждается, что включить систему на нагрев помещения можно даже удалённо, используя систему дистанционного запуска через Интернет.
Рассмотрим вопрос применения антифризов с другой точки зрения — работы главного элемента системы автономного отопления. Им является газовый настенный котёл. Такие котлы обычно используются для объектов площадью до 400 м². Однако, прежде чем изучить вопрос применения антифризов в контуре отопления, пожалуйста, ответьте себе на следующий вопрос.
В любой автономной системе теплоснабжения присутствует подготовка горячей воды, для которой необходимо наличие холодной воды, удовлетворяющей санитарным нормам (безопасный контакт с кожей, возможность использования для приготовления пищи). При использовании настенного газового котла вопрос ГВС решается вторым контуром нагрева холодной воды в битермическом варианте теплообменника или вторичным пластинчатым теплообменником комбинированного бойлера (ёмкостного накопителя). Но в обоих случаях присутствует санитарная холодная вода. Если контур отопления можно заполнить антифризом, то контуры ХВС и ГВС — нет.
Следовательно, когда мы говорим о решении проблемы замерзания контура отопления путём применения антифриза, то должны понимать, что контуров ГВС и ХВС в системе не должно быть вообще. Или же надо слить воду из них, чтобы она не замёрзла и не разрушила котёл и весь контур.
Теперь рассмотрим особенности работы заполненного антифризом контура системы отопления, включающего настенный газовый котёл.
Режим №1
Работа контура в нормальном, стандартном режиме — поддержание заданной температуры в помещениях, установленной воздушным термостатом или алгоритмом работы котла в диапазоне модуляции мощности.
Сравним технические характеристики воды, этиленгликолевых и пропиленгликолевых антифризов.
Рис. 1. Основные физические характеристики воды и антифризов
Из рис. 1 видно, что существует три зоны. Зона «А» — от 20 до 80°C. Она соответствует диапазону устойчивой работы системы отопления в варианте управления работы воздушным термостатом или алгоритмами работы настенных газовых котлов в установившемся режиме. При этом видно, что значение вязкости теплоносителя у этиленгликолей в среднем в два-три раза, а у пропиленгликолей — в четыре-пять раз выше таковых показателей для воды. Теплоёмкость и теплопроводность антифризов отличаются от характеристик воды примерно на 20%.
Скорость движения теплоносителя определяется гидравлическим сопротивлением контура отопления. Вязкость теплоносителя непосредственно связана со скоростью движения. Если вязкость жидкости выше, то и сопротивление движению теплоносителя по контуру отопления при заполнении его антифризом в разы превышает сопротивление при заполнении системы водой. Теплоёмкость жидкости — характеристика, влияющая на передаваемую тепловую энергию. Перемещая объём воды, нагретой котлом, с определённой скоростью (с помощью циркуляционного насоса), мы переносим тепловую энергию от котла к приборам отопления. А теплопроводность теплоносителя — это параметр, показывающий, как быстро тепловая энергия передаётся отопительным приборам. В случае применения антифризов в зоне «А» изменения температур мы получаем уменьшение скорости движения, меньшую переносимую энергию и пониженную способность передавать эту энергию приборам отопления.
Поскольку паспортные характеристики любого котла подразумевают использование воды в качестве теплоносителя, все параметры работы газовой горелки, теплообменников, датчиков движения жидкости, диаметров труб, местные сопротивления внутренней обвязки котла, характеристики процессов теплообмена в его вторичном теплообменнике ГВС (подробнее всё это описано в работах [1, 2]) при заполнении контура отопления антифризом будут значительно отличаться от паспортных, причём в худшую сторону. Циркуляционный насос настенного котла не будет справляться с прокачкой нагретого теплоносителя, что вызовет снижение энергетической эффективности всей системы.
Работа системы в зоне «А», указанной на рис. 1, при заполнении контура отопления антифризами, возможна. Это обусловлено тем, что реальная температура в контуре отопления при постоянной работе составляет около от 50 до 60°C. Изменение вязкости при этой температуре по сравнению с водой не такое значительное.
Однако для обеспечения заявленных характеристик мощности котла и реализации этой мощности приборами отопления необходимо установить в контур отопления дополнительный циркуляционный насос для увеличения напора примерно в два раза. В противном случае произойдёт значительное снижение эффективности нагрева приборов отопления. Это приведёт к постоянным дополнительным финансовым затратам.
Если перед вами стоит задача защиты только контура отопления вашего дома от возможного замерзания и разрушения, и если вопрос защиты контура горячего водоснабжения от замерзания решён каким-то другим способом (например, сливом), то антифризы в данном режиме работы можно использовать в системах автономного теплоснабжения.
Режим №2
Посмотрим, как будет работать автономная система отопления после остывания помещения до температуры 5–7°C.
На рис. 1 эта зона выделена диапазоном «Б». В этом диапазоне температуры помещения в момент старта работы котла большое значение имеет тип антифриза. Если у этиленгликолей при +5°C кинематическая вязкость составляет около 3,5 мм²/с, то у пропиленгликолей — 8 мм²/с, при том, что вязкость воды для этих значений температуры — всего 1,6 мм²/с. Запуск котла при данной температуре (+5°C) может привести к слишком медленному движению теплоносителя в первичном теплообменнике, что приведёт к его перегреву и остановке работы газовой горелки. Через некоторое время, в зависимости от алгоритма запуска котла, может произойти повторный запуск работы устройства, но некоторые модели котлов в своих алгоритмах имеют ограничения на количество повторных пусков. То есть рассматриваемый нами теплоагрегат прекратит работу, так и не перейдя в установившийся режим работы.
К сожалению, у пропиленгликолей вязкость по сравнению с этиленгликолями повышена в несколько раз, хотя это экологически безопасные антифризы, которые рекомендуются к использованию в системах отопления многими компаниями. Но чем ниже температура, тем хуже ситуация.
В связи с этим запуск котлов в системах отопления, заполненных пропиленгликолевыми антифризами, при температуре менее +10°C без специалиста — это, увы, задача неординарная. Сама зона «Б», указанная на рис. 1, соответствует зоне неустойчивого применения котельного оборудования. Чем ближе температура запуска системы к 0°C, тем больше проблем. Но всё-таки запуск системы может произойти, как и возможен выход котла на устойчивый рабочий режим.
Режим №3
Теперь рассмотрим работу автономной системы отопления после остывания помещения ниже температуры 0°C.
Использование воды в качестве теплоносителя при данных условиях невозможно. Но что произойдёт, если в качестве теплоносителя выступает антифриз? Если посмотреть на рис. 1 при отрицательной температуре, например, −10°C, то становится понятно, что кинематическая вязкость для пропиленгликолей равняется 20 мм²/с, что в 20 раз (!) превышает вязкость воды, для которой и рассчитаны все рабочие характеристики настенных котлов. Это значение не позволяет осуществлять движение теплоносителя по каналам первичного теплообменника с заданной скоростью, которая обеспечивает нагрев теплоносителя. При горении газа температура в зоне первичного теплообменника конвекционного газового котла составляет около 900°C. При низкой скорости движения антифриза по каналам теплообменника неминуемо произойдёт его перегрев и закипание.
В работе [3] указано: «Важнейший параметр для антифризов — максимальная рабочая температура. Так, большинство этиленгликолевых растворов начинает кипеть при 104–112°C при атмосферном давлении. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что, в отличие от воды, при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов. Если температура в какой-либо точке системы превысит критическое (для данной марки антифриза) значение, произойдёт термическое разложение гликоля и антикоррозионных присадок с образованием кислот и выпадением твёрдого осадка».
Запустить в работу систему отопления с газовым котлом при температурах ниже нуля в помещении практически невозможно. Даже если он запустится, то сразу остановится по причине перегрева. А при повторных запусках перейдёт в режим «тактования» (постоянного включения-выключения), сопровождаемого закипанием антифриза, выпадением осадка и зарастанием каналов теплообменника, падением давления в системе за счёт удаления образовавшегося при кипении кислорода, с необходимостью последующей подпитки системы водой. Но откуда её взять — непонятно, ведь для наличия воды в системе должен быть какой-то её источник, не замерзающий при отрицательных температурах.
Запуск газового котла автономной системы отопления из состояния с длительным охлаждением системы при отрицательных температурах с заполнением контура антифризами без контроля специалиста вообще невозможен. Для запуска системы в этих условиях нужно как минимум: а) нагреть помещение, выждать четыре часа, б) открыть котёл, феном прогреть его внутренности, в) постепенно, с маленькими интервалами, попытаться запустить котёл. Вопрос удалённого (через Интернет) запуска котла, остывшего до минусовых температур в промёрзшем помещении, рассматривать не имеет смысла даже теоретически.
Вывод
Если планируется использовать автономную систему отопления с газовым котлом, то, как в случае заполнения контура отопления в качестве теплоносителя антифризом, так и в случае использования для этой цели воды, нужно учитывать, что котёл должен работать постоянно. Температура в отапливаемом помещении при запуске котлов не должна быть ниже +10°C. Допускать охлаждение помещения ниже нуля с целью экономии денежных средств на отопление при отсутствии жильцов нельзя категорически.
Применение антифризов даёт возможность сохранения системы отопления в случае отключения электричества и не допускает разрушение контура отопления и его элементов — причём только для одноконтурных котлов без систем горячего и холодного водоснабжения. Но применение антифризов значительно снижает энергоэффективность системы теплоснабжения и требует установки дополнительных устройств — как минимум, более мощных циркуляционных насосов.
