Selection of equipment for covering thermal loads of a private residential building

UDC 620.9
Publication date: 31.10.2022
International Journal of Professional Science №9-2022

Selection of equipment for covering thermal loads of a private residential building

Подбор оборудования для покрытия тепловых нагрузок частного жилого дома

Lipatov Maxim Sergeevich,
Maximov Yakov Vyacheslavovich

1. Senior Lecturer of the Department of Heat Power Installations and Heat Engines,
St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design.
Higher School of Technology and Energy
2. Student of group 523,
St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design.
Higher School of Technology and Energy


Липатов Максим Сергеевич,
Максимов Яков Вячеславович
1. Ст. преподаватель кафедры Теплосиловых установок и тепловых двигателей, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики
2. Студент группы 523, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики
Аннотация: В статье рассматривается двухэтажный жилой дом площадью 150 м2, расположенный в г. Сургут, с автономным воздушным отоплением, при полном отсутствии наружных тепловых сетей. Авторами приведены общие сведения о системах отопления, проанализированы возможности применения основных способов отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Abstract: The article considers a two-storey residential building with an area of 150 m2, located in Surgut, with autonomous air heating, in the complete absence of external heating networks. The authors provide general information about heating systems, analyze the possibilities of using the main methods of heating, ventilation and hot water supply.
Ключевые слова: энергетика, системы теплоснабжения, отопление, вентиляция, нагрев воздуха, система горячего водоснабжения.

Keywords: energy, heat supply systems, heating, ventilation, air heating, hot water supply system.


В настоящее время широкое распространение в г. Сургут получили малоэтажные жилые дома, которые находятся как вблизи многоэтажек, так и значительно отдалены от них. В связи с чем не всегда есть возможность использовать городские централизованные коммуникации. Малоэтажные постройки могут иметь различные системы отопления, где определяющим фактором при выборе источника тепловой энергии будет доступность того или иного вида топлива. Подбор и расчет необходимого оборудования являются одним из наиболее важных этапов разработки проекта частного жилого дома.

Объектом исследования является система воздушного отопления жилого дома в условиях полного отсутствия центрального теплоснабжения. Исходными данными для расчета послужил план помещения (рис. 1), для которого требуется организация системы отопления. В работе учтены природно-климатические особенности рассматриваемого населенного пункта.  Рассматриваемый двухэтажный дом имеет общую площадь 150 м2, из которой 130 м2 – жилая. Здание имеет общую высоту – 7 метров, а высоту потолка – 2,8 метра.

Рисунок 1. План частного дома: а — 1 этаж, б —  2 этаж

 

В жилых помещениях с пребыванием людей более 2 часов в сутки необходимо использовать соответствующую систему отопления для создания и поддержания требуемого микроклимата в холодный период года [1].

Для выбора лучшего варианта децентрализованного отопления, вида теплоносителя и его параметров, необходимо проанализировать сильные и слабые стороны наиболее используемых вариантов.

  1. Водяное отопление

Водяное отопление является одним из самых распространенных систем отопления, применяемым на территории Российской Федерации в жилых и не жилых зданиях и сооружениях. Это связано, с тем что вода как теплоноситель, обладает доступностью и дешевизной. Тепло в отапливаемые помещения передаётся горячим теплоносителем через установленные в них приборы отопления [2].

Преимущества водяного отопления:

  1. Вода является хорошим теплоносителем. Она доступна и имеет сравнительно-небольшую стоимость. Обладает отличными показателями теплопроводности и теплоемкости и может в больших количествах транспортировать тепло.
  2. Минимальное вмешательство в процессе эксплуатации. Система представляет собой замкнутую цепь с неизменным объемом воды. У неё отсутствует потребность в доливке воды, но есть возможность периодически заменять рабочую жидкость с целью улучшения работоспособности системы, что в последствии продлевает срок эксплуатации.
  3. Возможность выбора, более подходящего для конкретного случая оборудования. Источник вырабатывающий тепловую энергию может быть электрическим, газовым или твердотопливный котел.
  4. Возможность регулирования относительно-точной температуры разных помещениях. Это можно сделать, используя регуляторы на самих отопительных приборах.
  5. Отсутствие посторонних шумов. Перемещаемая среда в системе не создает дополнительной шумовой нагрузки.

Недостатки водяного отопления:

  1. В качестве теплоносителя, как правило, используется неподготовленная водопроводная вода, которая пагубно влияет на металлические элементы системы. На внутренних стенках отопительных приборов и труб со временем появляется накипь, которая приводит к снижению пропускной способности и ухудшению теплоотдачи.
  2. Вода не устойчива к морозам. В зимний период времени такой теплоноситель может замерзать, что приводит к его расширению и как следствие, может привести к разрыву трубопровода. Соответственно нельзя допускать замерзания мало-защищенных участков системы.
  3. Монтаж водяной отопительной системы является достаточно сложным и требует определенных навыков.

  1. Воздушное отопление

В системе воздушного отопления теплоносителем является воздух. Его подогрев до необходимой температуры может осуществляться путем его подачи на следующее оборудование: калорифер, электронагреватель, теплонасос, электрокотел, газовый котел или печи.

Подача теплоносителя может осуществляться как механическим способом, при помощи вентилятора, так и посредством естественной тяги. Транспортировка теплоносителя происходит через трассы, смонтированные из теплоизолированных воздуховодов, которые могут быть как прямоугольного сечения, так и круглого, в зависимости от архитектурных и дизайнерских решений потребителя.

В системах с забором свежего воздуха с улицы, маршрут теплоносителя будет выглядеть следующим образом. Через заборную решетку, размещенную на фасаде здания, проходя через фильтрующий элемент воздух поступает в теплогенератор, где нагревается до необходимой температуры. Затем проходя по системе изолированных воздуховодов попадает в помещение из воздухораспределительных решеток или диффузоров. После этого отдавая свое тепло воздух удаляется обратно в систему при помощи воздухозаборных решеток, расположенных в верхней части помещения и смешиваясь с уличным воздухом цикл повторяется.

Такая система отопления (рис.2) может быть усовершенствована добавлением в неё следующих элементов: терморегуляции с термостатами, рекуператором, увлажнителями воздуха, электронными фильтрующими элементами и системой кондиционирования воздуха. Такое решение поможет существенно сэкономить энергоресурсы и как следствие снизит затраты на отопление. Во время отсутствия людей в доме можно будет понизить температуру в помещении и затрачивать меньше энергии на подогрев теплоносителя. А на время длительного отсутствия людей в зимний период времени есть возможность полностью отключить систему отопления, при этом такой теплоноситель не сможет замерзнуть, позволяя в любой момент запустить систему, которая в короткие сроки прогреет помещение.

В состав воздушной системы отопления входят:

  1. Воздухоподогреватели. 2. Воздуховоды. 3. Фильтрующие элементы. 4. Вентиляторы. 5. Воздушные клапаны. 6. Воздухораспределители.

Рисунок 2.  Схема воздушного отопления загородного дома

 

Преимущества воздушного отопления [3]:

  1. Высокий КПД, достигающий отметки в 90%.
  2. Отсутствие передаточных элементов (трубы, радиаторы).
  3. Возможность поддержания благоприятного климата в помещении, благодаря подсоединению к климатической системе.
  4. Высокая инертность (быстрый обогрев помещения).
  5. Относительно низкий расход топлива для работы системы.

Недостатки воздушного отопления:

  1. Установка данной системы должна быть принята на этапе проектирования жилого помещения для более максимальной её эффективности эксплуатации.
  2. Существует необходимость в постоянном техобслуживании.
  3. Необходимость наличия резервного источника энергии для поддержания работы системы воздушного отопления, в случае отключения основного источника энергоснабжения.
  4. Печное отопление

Печное отопление является популярным решением для дачного домостроения. Как правило состоит из печи и дымохода, а топочная камера рассчитана на твердое топливо. При печном отоплении допускается присоединение водяного контура через теплообменное оборудование, что позволяет более равномерно и на большие расстояния транспортировать тепловую энергию.

Вариантов оборудования в зависимости от материала несколько: печь для отопления дома может быть металлической или кирпичной. Металлическая конструкция экономически выгодна [4]. Но устанавливать её лучше в том случае, если в холодное время года в доме не проживают люди, поскольку стальная печь остывает очень быстро, как и нагревается. Данный вариант применим и хорош, только если необходимо прогреть одну комнату. Расход твердого топлива при этом мал. Кирпичное же сооружение более эффективно для равномерного, долговременного обогрева сразу нескольких комнат. Постройка из кирпича целесообразно устанавливать в доме где люди проживают круглый год. На прогревание нужно продолжительное время, но и остывание происходит медленно.

Существует несколько видов печного отопления (рис. 3): водяное, воздушное, паровое.

Рисунок 3. Схема печного отопления: а —  с водяным контуром,

б – с паровым контуром

 

Преимущества печного отопления:

  1. Полная независимость от внешних ресурсов и коммуникаций.
  2. Надежность системы.
  3. Простота в эксплуатации.

Недостатки печного отопления:

  1. Долгий обогрев помещения до заданной температуры.
  2. Сложность регулировки и поддержания постоянной температуры.
  3. Дороговизна топлива.
  4. Низкий уровень КПД.
  5. Повышенное загрязнение окружающей среды продуктами горения.
  6. При неправильной эксплуатации возможно задымление помещений.
  7. Невозможно обогреть большое количество комнат.

Проанализировав сильные и слабые стороны наиболее используемых вариантов отопления, авторами предлагается в качестве базисного варианта использование воздушного отопления, как наиболее выгодного для загородного дома.

Подбор оборудования для нагрева воздуха

Для подбора отопительного оборудования и его мощности необходимо знать общие теплопотери самого объекта и количество тепла для достижения необходимой температуры в помещениях, а также региональную принадлежность объекта. Расчет требуемой мощности котла в городе Сургуте происходит по следующим параметрам [5]:

Для обогрева 10 м2 требуется 1кВт (без учета теплопотерь и объема). Норма в 1кВт на 10 м2 применима для помещений с высотой потолков 2,5- 2,7м. В случае с рассматриваемым объектом необходим поправочный коэффициент: Hпотолка = 2,8 м/2,5 м = 1,12. Qобогрева = 150/10·1,12 = 16,8 кВт.

Исходя из данной методики расчета, на дом площадью 150 м2 требуется котел мощностью 16,8 кВт. Учитывая климатические особенности региона, получаем: Qобогрева = 16,8·1,5 = 25,2 кВт.

Полученные значения справедливы для котла, работающего только на отопление, без учета подогрева теплоносителя на нужды ГВС. Для системы ГВС добавляется 12-20% от расчетной мощности котла, а для пиковых значений температуры в зимний период необходимо также добавить до 10%:

Qобогрева = 25,2 + 17% = 29,5 кВт

Округляя полученное значение, получим 30 кВт необходимой мощности для обогрева частого жилого дома площадью 150 м2.

В связи с имеющейся возможностью подключения магистрального газа на участке, для подогрева теплоносителя выбран газовый котел. Обусловлено это высокой эффективностью агрегата (высокий КПД до 93%), низкой стоимостью топлива и простотой в эксплуатации.

В качестве основного оборудования для подогрева воздуха выбран газовый котел марки Goodman канального типа GMP100-42 мощностью 32,2 кВт [6]. Данный теплогенератор отвечает всем необходимым требованиям и является полностью автоматизированным агрегатом для подготовки воздушного теплоносителя.

Для организации горячего водоснабжения на объекте, подразумевается применение дополнительного водогрейного котла. Также, котлы марки Goodman имеют модели с возможностью совмещения подогрева воздушного теплоносителя и воды на нужды ГВС.

Состав оборудования

Подбор оборудования для данного загородного дома осуществляется на основании расчетов. Рассматривается рециркуляционная воздушная система отопления с частичным отбором воздуха с улицы. В связи с возможностью использования магистрального газа, в качестве основного источника тепла для подогрева воздуха был выбран газовый котел с системой принудительной циркуляции воздуха и возможностью подключения системы кондиционирования. Также во внимание принята доступность данного оборудования на территории РФ.

Газовый воздухонагреватель Goodman канального типа GMP100-42 является печью, работающей на газе с принудительной циркуляцией воздуха и предназначен для нагрева воздуха в системах воздушного отопления за счет сжигания газа (природный/сжиженный газ).

Характеристики и возможности подобранного оборудования следующие:

  • Номинальная мощность: 32,2 кВт;
  • КПД обогревателя 93%;
  • Контроль наличия пламени на горелках;
  • Электронная система управления вентилятором;
  • Энергосберегающая электронная система зажигания;
  • Основной вентилятор оснащен высокоэффективным, многоскоростным двигателем;
  • Материал корпуса — легированная, гальванизированная листовая сталь, покрытая эмалью с высокой температурной обработкой;
  • Теплообменник выполнен из стали, покрытой слоем алюминия с применением современной бесшовной технологии;
  • Наличие комбинированного газового клапана;
  • Контроль наличия воздуха в воздуховодах;
  • Тихо работающий мотор вентилятора дымоудаления;
  • Могут быть установлены в подвале, гараже, специальном изолированном помещении здания;
  • Подводка газа может быть выполнена как слева, так и справа;
  • Легкий доступ через съемную панель корпуса к узлам и агрегатам;
  • Возможность установки с направлением потока вверх, вниз или горизонтально (вправо и влево).

Обоснование выбранной системы

Выбранное оборудование является высоко-энергоэффективным и позволяет снизить затраты на систему отопления, как на этапе монтажа оборудования, так и в процессе эксплуатации. Система воздушного отопления загородного дома позволяет полностью или частично остановить работу системы, при этом запустив его вновь, прогрев помещений может произойти в течение часа до заданной температуры [7].

Такую систему отопления возможно объединить с системой кондиционирования и круглый год поддерживать необходимую температуру в доме. Летом холодный воздух будет идти по тем же вентиляционным каналам, что исключает установку дополнительного оборудования в жилых помещениях дома.

Данная система обладает частичным забором свежего воздуха с улицы, что положительно сказывается и на общем воздухообмене объекта. Малое количество узлов подверженного периодическому обслуживанию, что позволяет эксплуатировать систему с минимальными вмешательствами в ее работу. Высокий уровень автоматизации системы дает возможность настроить её под свои требования. В рассмотренной системе есть только один узел подверженный износу – это сам газовый котел (и его составляющие), так как в остальном система состоит только из воздуховодов и воздухораспределителей.

References

1. СП 131.13330.2020 Строительная климатология.
2. Табанаков, А. А. Энергоэффективные технологии для энергосбережения жилого здания / А. А. Табанаков, М. С. Липатов // Оригинальные исследования. – 2021. – Т. 11. – № 12. – С. 165-173.
3. СП 73.13330.2016 Внутренние санитарно-технические системы зданий.
4. Бодров М. В. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: учеб. пособие / М. В. Бодров, В. Ю. Кузин; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2020. – 146 с.
5. Назарова В. И. Современные системы отопления / В. И. Назарова. - Москва: РИПОЛ классик, 2011. - 320 с.
6. Газовый обогреватель канального типа серия GMP. Технический паспорт. - [Электронный ресурс]. - URL: https://goodman-help.ru/ pdf/GMP.pdf
7. Проектирование вентиляции в частном доме. - [Электронный ресурс]. - URL: https://www.project-home.ru/blog/proektirovanie-venti lyaczii-kottedzha-kak-organizovat-ventilyaczionnuyu-sistemu-v-chastnom-dome (дата обращения: 11.10.2022).