Воздушное отопление частного дома

Поскольку ваш частный дом явно не на Мальдивах, то в холодную пору года его надо отапливать. Желательно надёжно, с простым обслуживанием и привлекательной экономичностью.

Многие владельцы домов склоняются к применению водяного отопления. Да, оно имеет свои достоинства, но обладает и рядом ограничений, главными из которых считаются:

1. Выделение больших площадей (в подвале или на чердаке) под установку резервуара для воды.
2. Инерционность получаемого результата, что обусловлено особенностями физических характеристик воды, в частности, её плотностью и теплопроводностью.
3. Сложностью монтажа, поскольку системы автоматического управления нагревательными котлами не являются универсальными и чаще всего адаптируются под конкретную модель оборудования.
4. Необходимостью в противокоррозионной защите деталей от агрессивного воздействия токопроводящих солей, которые всегда имеются в питьевой воде, даже отвечающей большинству требований ГОСТ Р 51232-98.

Сложности только возрастут, если в вашем районе вообще есть проблемы с водоснабжением: источники — скважину или колодец — придётся периодически чистить.

Есть ли альтернатива?

Если исключить из рассмотрения такие экзотические варианты как отопление при помощи солнечных панелей или монтаж геотермальных насосов (за рубежом они, кстати, устойчиво набирают популярность), то выбор стоит сделать в пользу воздушного отопления. О подобных устройствах и пойдёт речь далее.

Варианты использования воздуха как теплоносителя

Работа устройств, предназначенных для обогрева помещений индивидуальных домов (как одно- так и многоэтажных) трансформирует тепловую энергию, полученную от источника, в воздух повышенной температуры, распределяемый далее в соответствии с конкретными потребностями проживающих.

Существует несколько типов систем воздушного обогрева жилых домов. Они могут быть односторонними или комбинированными, когда воздух используется в качестве средства, как для повышения, так и для понижения температуры.

✍ Печи с гравитационным принципом перемещения теплоносителя

Хороши для применения в стационарно расположенных отопительных системах, когда текущее обслуживание элементов должно быть минимизировано. Нагретый воздух перемещается по металлическим коробам — воздуховодам. Однако принудительного нагнетания воздуха вентиляторами не происходит, а теплообмен осуществляется за счёт естественной разницы в физических характеристиках горячего и холодного воздуха: тёплый воздух легче, поэтому он стремится подняться, в то время как холодный – тяжелее и поэтому опускается вниз.

Гравитационную печь для подогрева печь обычно монтируют в подвальном помещении (см. рис. 1). В результате её действия воздух нагревается, перемещается в воздуховодах  и попадает в помещения, где эти воздуховоды установлены.

(Рис. 1) Общий вид гравитационной печи для подогрева воздуха

Отработанный воздух, отдавший своё тепло, возвращается обратно в нагревательное устройство по другой системе воздуховодов, расположенных ниже.  Поскольку эти конвекционные процессы основаны на чисто физических закономерностях и явлениях, они происходят достаточно медленно, зато при обслуживании устройств такого типа никаких сложностей не возникает.

Схема действия такой печи проста. Они оснащены открытой камерой сгорания, куда непрерывно подаётся топливо. Имеющийся там воздух нагревается, его плотность снижается, и он начинает своё движение по воздуховодным каналам, которые имеются в простенках и полах дома. Нагрев помещение, этот воздух охлаждается. После этого он либо выводится наружу (это – менее эффективный вариант), либо вновь перемещается к камере сгорания, после чего цикл повторяется.

В качестве топлива для таких печей могут быть использованы газ, мазут, уголь, торф и пр., но практически никогда – электричество. В конструкции таких печей нет подвижных частей и механических узлов, нуждающихся в периодическом ремонте или очистке. Поэтому их долговечность составляет десятки лет. Несмотря на это, подобный принцип воздушного обогрева в новых домах не применяется, поскольку выбросы дымовых газов ухудшают состояние окружающей среды.

Положительные особенности:

• Нет подвижных (а, следовательно, и изнашиваемых) деталей;
• При функционировании печи отсутствует шум;
• Воздуховодные каналы не требуют систематической очистки.

Ограничения:

• Нельзя устанавливать воздушные фильтры, они неэффективны при конвекции;
• КПД устройств достаточно мал, поэтому удельный расход топлива соответственно возрастает;
• Полноценное управление температурным режимом трудноосуществимо.

✍ Комбинированные устройства воздушного отопления

Известны также под общим названием «системы климат-контроля» и включают в себя однотипные элементы, обеспечивающие как нагрев воздушных масс, так и их охлаждение.

В англоязычной литературе получили наименование HVAC (heating and ventilation air conditioning), чему отвечает русское сокращение ОВКВ.

Как и в предыдущем случае, устройства HVAC/ОВКВ могут использовать те же источники получения тепловой энергии  (добавляются только биотопливо и солнечная энергия), но в подавляющем большинстве конструкций их производители ориентируются на электричество. В том случае, когда на приусадебной территории имеются  отдельно расположенные постройки (в частности, гаражи или хозяйственные мастерские), то каждую из них можно оснастить автономной системой ОВКВ/HVAC.

Все разновидности систем ОВКВ/HVAC используют не естественную, а принудительную вентиляцию. Поэтому в их структуре всегда имеется нагнетательный вентилятор (один или несколько). Он отвечает за оперативную доставку нагретого до нужной температуры воздуха по предварительно проложенным  воздуховодным каналам. Эта же система без доработок и изменений может быть использована  в летнюю пору года для бесперебойного обеспечения помещений дома охлаждённым воздухом.

Долговечность всего комплекта оборудования составляет от 25 лет и более.

Теплоноситель распределяется так. Нагретый источником тепла воздух направляется в воздуховоды и выходит через специальные решётки, смонтированные в нужных местах дома (см. рис. 2). Параллельно расположенные каналы отвечают за возврат отработанного воздуха.

(Рис. 2) Внешний вид автономного блока системы ОВКВ/HVAC, установленного в стене комнаты

Положительные особенности:

• При монтаже предусматривают наличие увлажнителей и очистных фильтров, которые улучшают потребительские параметры воздуха, в частности, корректируют его относительную чистоту и влажность;
• Системы характеризуются наивысшим показателем годовой эффективности использования топлива, превосходя в этом другие виды воздушного отопления;
• Имеется возможность комбинированного применения воздуха как для обогрева, таки для охлаждения жилых и хозяйственных помещений.

Ограничения:

• Для размещения воздуховодов необходимо наличие соответствующего пространства в стенах и полах дома;
• Чрезмерно сухой воздух может содержать повышенное количество аллергенов;
• Нагретый воздух быстро остывает, в то время как находящиеся в комнате предметы (например, мебели) свою температуру не изменяют.

✍ Системы на основе тепловых насосов

Относятся к оборудованию комбинированного типа, но приемлемы для применения лишь в районах с мягким климатом. В качестве основного генерирующего энергию оборудования применяется тепловой насос, поэтому принцип их функционирования напоминает работу установок ОВКВ/HVAC.

Повсеместно  распространённым типом теплового насоса считается  мини-сплит-система, для работы которой воздуховоды не требуются. Тепловой насос включает с себя относительно небольшой по габаритам компрессорный блок (см.рис.3), который обычно размещают вне дома. В состав входят также один (или несколько) кондиционеров, допускающих возможность автономной установки.

Многие устройства воздушного отопления, оснащённые тепловыми насосами, могут применяться в реверсном режиме, т.е. летом они допускают применение для  охлаждения воздуха. Достоинство данного типа оборудования – его высокий КПД , который, однако проявляет себя с положительной стороны только в районах с относительно мягким климатом. В слишком жаркую/холодную погоду эффективность тепловых насосов резко снижается. Срок эксплуатации до первого ремонта – от 15 лет и выше.

(Рис. 3) Внешний вид теплового насоса, установленного снаружи частного дома

В качестве источника энергоснабжения чаще выбирают  электричество, хотя имеются конструкции, которые используют природный газ или пропан. Непосредственное распределение воздушных потоков происходит при помощи настенно установленных блоков, которые выполняют постоянное перемещение  воздух через змеевики. Змеевики изготавливаются из цветных сплавов низкой теплопроводности и соединяются с внешним насосом.

Положительные особенности:

• Устройства могут работать в комбинированном режиме;
• Нет потребности в воздуховодах;
• Малый относительный расход энергии для привода;
• Высокоточное управление температурным режимом в каждом помещении, для чего предназначаются малошумные вентиляторы.

Ограничения:

• Не смогут справляться с отоплением зданий, расположенных в суровых погодных условиях;
• Ограничения по количеству производимого горячего/холодного воздуха;
• Трудности в осуществлении температурного контроля, поскольку каждый из элементов системы управляется отдельно.

✍ Системы нагрева воздуха посредством электросопротивления

Представляют компактные и простые в установке электрические агрегаты (см. рис.4), нагрев воздуха в зоне которых реализуется в соответствии с известным законом Джоуля-Ленца.

Основным элементом таких обогревателей является металлическая спираль, изготовленная из сплава с высоким электросопротивлением. При пропускании тока элемент нагревается и повышает температуру воздуха, который свободно циркулирует вокруг него.

Такие системы подходят для  дополнительного отопления в малоиспользуемых помещениях дома: подвалах, домашних кабинетах, а также в пространствах сезонного пользования – верандах, мансардах, соляриях. В качестве основных систем отопления дома они не годятся по причине значительного количества  потребляемой электроэнергии.

(Рис. 4) Типовой блок, предназначенный для нагрева воздуха сопротивлением

Электрические обогреватели данного типа нагревают предметы в комнате, а не только воздух. Они просты и недороги в установке, не требуют воздуховодов, насосов, кондиционеров или другого распределительного оборудования. К тому же, у них нет  подвижных частей (за исключением специальных обогревателей для ног), поэтому текущее обслуживание им не нужно.

Системы нагрева воздуха электрическим сопротивлением подключаются к имеющимся электрическим цепям дома, используя обычную электроарматуру. Могут быть стационарными или переносными.

Плюсы:

• Универсальны и могут быть установлены в любом месте дома, куда проложена цепь достаточной мощности:
• Бесшумны при работе;
• Нет необходимости в воздуховодах или технологически сложном монтаже.

Минусы:

• Дороги в эксплуатации:
• Используют много электричества и могут перегрузить электрическую цепь дома;
• При длительном непрерывном применении способствуют ухудшению качества воздуха: его относительная влажность снижается, поэтому обогрев дома такими устройствами противопоказан проживающим там детям, астматикам и людям, страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Резюме: выбор системы для воздушного отопления дома

Важно взвесить все за и против каждого варианта и определить, какой тип обогревателя соответствует вашим потребностям. Например, установка теплового насоса — отличный вариант для тех, кто живет в достаточно тёплом климате и не нуждается в отоплении дома при отрицательных температурах в течение нескольких месяцев подряд. В более холодных регионах принудительное воздушное отопление от устройств ОВКВ/HVAC сможет обеспечить более постоянную и комфортную температуру зимой, поздней осенью или ранней весной.

Затраты на замену устаревшей системы могут оказаться неоправданными, если можно установить современные, более энергоэффективные варианты. Они рассматриваются в зависимости от размера помещений дома, его планировки и параметров вашего регионального климата.

Анализируя предоставленную информацию, рекомендуем обратить внимание на комбинированные системы ОВКВ/HVAC.

Применение системы вентиляции и кондиционирования для отопления внутренних помещений

Независимо от того, выбираете ли вы систему ОВКВ/HVAC для отопления или охлаждения, она будет потреблять некоторое количество энергии. Существуют различные типы систем ОВКВ/HVAC, которые могут контролировать уровень влажности.

Принцип работы и состав элементов системы

Структура ОВКВ/HVAC представлена на рис. 5. Из рисунка следует, что основными составляющими являются:

1. Расширительный клапан.
2. Испаритель.
3. Компрессор.
4. Конденсатор.
5. Ресивер-осушитель.

В зависимости от того, предназначена ли система для обогрева или охлаждения, вышеперечисленные компоненты могут использоваться в качестве тепловых насосов, внешних блоков, а также – чаще —  комбинированных элементов, таких как кондиционеры, сплит-системы,  бесканальные системы и т. д.

Из рис. 5 видно, что процессами нагрева или охлаждения воздуха управляют устройства автоматики. ОВКВ/HVAC собирает тепло из помещения и поглощает его, а затем выбрасывает отработанный воздух наружу.

(Рис. 5) Составляющие системы отопления и кондиционирования частного дома

Обычно при выборе принимают установку одного из двух типов ОВКВ/HVAC: с использованием воздуховодов и с использованием гидравлики.

Стандартная система воздуховодов центрального отопления начинается с печи. Печь греет воздух. Затем двигатель вентилятора системы нагнетает воздух в помещения через воздуховоды.

Гидравлическая система начинается с котла. Он нагревает воду до тех пор, пока она не закипит. Затем, эта система проталкивает горячий пар через ряд труб. Трубы соединяются с радиаторами. Каждый радиатор нагревает помещение, в котором он находится, в ответ на пар, выделяющийся из труб.

Гидравлические системы стоят дороже, чем системы воздуховодов. Но они служат дольше. Большинство гидравлических систем требуют меньше обслуживания, поскольку в них не используются фильтры. Они также работают с широким спектром источников топлива. С другой стороны, гидравлические системы менее энергоэффективны, чем канальные. На последних и остановимся.

Типы воздуховодов

Воздуховоды представляют собой каналы, которые подают теплый или холодный воздух для обогрева, вентиляции и охлаждения каждой комнаты (см. рис. 6). После монтажа воздуховоды подключаются к блоку ОВКВ/HVAC, который фильтрует, а затем нагревает или охлаждает воздух в вашем доме.

(Рис. 6) Схема воздуховодов

В качестве материалов для изготовления этих элементов используют листовой металл, гофрированные элементы и ДВП. Воздуховоды из оцинкованной стали или алюминия могут быть круглыми, овальными или прямоугольными. Они являются наиболее прочными, практически не ржавеют и менее всего подвержены плесени.

Гибкие воздуховоды производят из спиральной стальной проволоки, обернутой полимером (гибким пластиком) и окруженной изоляцией. Такие воздуховоды недороги, легки и просты в установке, особенно  в труднодоступных местах, где более жесткие воздуховоды не годятся.

Воздуховод из ДВП состоит из двух слоёв: спрессованного неорганического стекловолокна, связанного смолой, и фольговой оболочки, предназначенной для предотвращения проникновения избыточного воздуха и/или водяного пара.  Такой воздуховод является наименее дорогим, препятствует возникновению шума и уже имеет хорошую теплоизоляцию. Их недостатки — шероховатая поверхность из стекловолокна, увеличивающая сопротивление протекающему воздушному потоку. Выбрав воздуховоды из ДВП, необходимо иметь в виду, что они более склонны к образованию плесени и грибка и не могут подвергаться механической очистке, поскольку повреждение поверхности приведет к выбросу частичек стекловолокна в воздух с последующим их разнесением по всему дому

Динамика и состав компонентов теплообменных процессов

Отрицательное давление в воздуховодах всасывает воздух, пропуская его через фильтр. По пути (см. рис. 7) очищенный воздух нагревается (или охлаждается) и направляется обратно в те помещения вашего дома, где он остаётся до тех пор, пока цикл не повторится.

(Рис. 7) Схема движения воздушных потоков

Возвратные воздуховоды вытягивают воздух из жилых помещений обратно в блок ОВКВ/HVAC. Обратные вентиляционные отверстия обычно больше, чем приточные, и называются решётками. Они снабжаются очистным фильтром, который часто устанавливается либо глубоко внутри обратного канала, либо прямо на возвратной решётке, чтобы защитить систему от загрязнений.

Приточные воздуховоды подают тёплый или холодный воздух во внутренние помещения. Приточные вентиляционные отверстия часто имеют заслонки для управления потоком, называемые регистрами (см. рис. 8). Приточные регистры удобно устанавливать возле окон или дверей, чтобы лучше противодействовать потерям тепла или холода. В помещениях с большой площадью могут быть установлены два приточных регистра: это позволяет более равномерно распределять воздушные потоки.

(Рис. 8) Приточно-вытяжной вентиляционный регистр

Последовательность прокладки воздуховодов: 7 основных правил

Установка воздуховодов проходит по одной из следующих схем:

1. Нагнетательной или радиальной, когда система воздуховодов снабжена блоком ОВКВ/HVAC и возвратной решёткой в центре дома, а приточные каналы проходят вокруг камеры.
2. Редукционной расширенной, где камера уменьшается в размерах по мере того, как воздуховоды выходят с обеих сторон.
3. Обычной расширенной, когда камера, которая распределяет или удаляет воздух, обладает постоянными размерами.
4. Радиальной, с приточным воздуховодом, опоясывающим дом.

Выбор схемы диктуется толщиной стен, площадью помещений дома и требуемым объёмом нагреваемого воздуха.

Независимо от того, модернизируете ли вы старый дом, строите новый или подсоединяете к отоплению и кондиционированию новые помещения, правила монтажа будут одинаковыми:

1. Воздуховоды должны быть установлены так, чтобы максимально использовать естественное движение воздуха. Например, воздуховоды большего сечения, которые возвращают воздух к центральному блоку, должны быть смонтированы высоко на стене каждого верхнего этажа, чтобы улавливать более тёплый воздух и возвращать его для охлаждения. Регистры, подающие тёплый воздух, должны быть в полу или низко на стене; регистры для подачи холодного воздуха, наоборот, должны быть установлены повыше на стене.
2. Воздуховоды, ведущие от подвала к каждому регистру, не должны иметь сколько-нибудь значительных изгибов своей продольной оси. Чем сложнее трасса, тем медленнее будет двигаться воздух и тем меньшее его количество будет доставлено в регистр.
3. Каждый регистр должен питаться непосредственно от центрального блока (или подвальной магистрали) по собственному воздуховоду. Если, например, разместить регистры на общей воздушной магистрали второго и третьего этажей, то всё тепло уйдет на второй этаж.
4. Наметьте путь воздуховода к верхним этажам, прежде чем начинать прорезать отверстия. Воздуховоды должны иметь возможность проходить между простенками, а затем переходить в пространство между двумя смежными балками перекрытий.
5. При выполнении поворота используйте специальные угловые переходники, это обеспечит эффективное движение воздуха.
6. Планируйте, чтобы отопительные каналы выходили на внешние стены – они самые холодные. Регистры следует размещать посередине наружной стены (в полу или низко на стене); если наружных стен две, то обеим нужны регистры посередине.
7. Воздуховоды, проходящие через неотапливаемые помещения, должны быть утеплены, поскольку в противном случае будет теряться много тепла на пути к регистру.

Даже если вы не устанавливаете систему самостоятельно, соблюдение этих правил сделает вас более информированным эксплуатационником. Рекомендуем прибегнуть к помощи специалистов, чтобы установить обогреватель, оборудование для кондиционирования воздуха, подвальные магистрали, и самый большой возвратный воздуховод, который выходит на верхний этаж дома. Остальные воздуховоды можно изготавливать и монтировать самостоятельно (см. рис.9).

(Рис. 9) Внешний вид готового к эксплуатации фрагмента системы воздушного отопления дома

Критерий правильности монтажной схемы заключается в том, что кондиционирование воздуха должно быть столь же эффективным на верхнем этаже, как и на первом. Это означает, что в каждом большой комнате дома должна быть обеспечена эффективная циркуляция воздуха.