Отопление дома в суровом климате

Холодный климат на большей части России приводит к тому, что жизнь в нашей стране отличается от жизни в более теплых странах. В России зимой мы должны носить теплую одежду, убирать снег, отапливать жильё. Кроме того, из-за холодного климата механизмы и машины быстрее приходят в негодность. Строительство зданий и сооружений обходится дороже аналогичных в теплых странах из-за необходимости использовать большее количество материалов, более глубокие фундаменты, больше утеплителя, глубокая закладка коммуникаций и т.д.

Во всем мире принято подсчитывать ущерб от аномальных холодов и обильных снегопадов. Здесь, в России мы не считаем убытки от холодной погоды или обильных снегопадов, не потому что их нет, а потому что это считается нормой, и является частью нашей экономики. Снегопады и холодная погода, т.е. те погодные условия, которые считаются аномальными (редкими непродолжительными явлениями) в других странах, у нас носят затяжной характер – всю зиму.

Очевидно, что из-за климатических условий нам, жителям России, приходится тратить больше средств, ресурсов, энергии и личного времени на обеспечение требуемых условий жизни, чем жителям остальных стран.

Кроме того, жители индивидуальных жилых домов не могут покинуть свое жилище в зимнее время года, из-за опасности вернуться в замороженное имущество, непригодное для жизни, а при использовании некоторых видов жидких теплоносителей (вода), еще и с разрушенными инженерными системами, что гарантирует необходимость делать дорогостоящий ремонт. При использовании печного отопления владелец дома должен топить печь один раз, а в холодные дни два раза в день, и не может оставить дом без присмотра более чем на сутки. Однако редкая заморозка дома с печным отоплением не приведет к его порче, а просто приведет к невозможности жить в таком строении до прогрева помещений.

В данной работе мы хотим рассмотреть основные объемно-планировочные и технические решения, которые способны облегчить эксплуатацию индивидуального жилого дома в условиях холодного климата, что позволит владельцу, при необходимости, покинуть свое жилье в холодное время года, не боясь  заморозки инженерного оборудования и сетей.

Кроме решения технических вопросов по климатической защите дома, требуется, чтобы жилье оставалось пригодным для комфортного проживания людей. Предложения, такие как, закопать дом ниже глубины промерзания грунта, таким путем, используя геотермальную энергию, мы не рассматриваем, потому, что человеку не комфортно проживать постоянно ниже уровня земли.

И наконец, предлагаемые нами решения, должны иметь возможность быть использованы в массовом порядке, т.е. быть реально доступными на современном технологическом уровне развития человечества, быть не дорогими в установке и эксплуатации и, по возможности, не требующими обслуживания.

 Климатически уязвимые места в индивидуальном доме, возможность безопасной заморозки дома.

 Для начала надо выявить уязвимые места индивидуальных жилых домов, построенных в холодном климате, а затем попытаться их решить.

В сущности, наша задача проста, надо сделать так, чтобы в доме было тепло. Для этого мы должны максимально уменьшить теплопотери дома.

О технологиях «пассивного дома» говорят уже давно, написано большое количество литературы и статей о строительстве «пассивного дома». Технологии с успехом применяются в местах с более теплым, чем в средней полосе России климатом. На сегодняшний день нам не известно ни одного индивидуально пассивного жилого дома в наших широтах или севернее.

К минусам данной технологии следует отнести очень высокую стоимость строительства. Зачастую, увеличение стоимости строительства «пассивного дома» по сравнению с обычным теплым домом, составляет сумму большую, чем стоимость разницы расходов на отопление за весь цикл жизни здания. Другими словами, владельцы «пассивных домов» при строительстве тратят денег больше, чем потом экономят на эксплуатации, эта ситуация может измениться в пользу пассивных технологий, если стоимость энергоносителей продолжит свой рост.

Еще один минус пассивной технологии – это, стоимость установки и эксплуатации климатической установки для коррекции климата «пассивного дома». Более того это оборудование требует постоянного внимания, технического обслуживания и попросту не очень надежно. Т.е. владелец дома не сможет оставить его надолго без присмотра. Добавив к этому почти полное отсутствие специалистов по «пассивным технологиям» в регионах России, да и в Москве, то, на данном этапе, лучше отказаться от строительства дома по пассивным технологиям.

Из технологий «пассивного дома» мы предлагаем взять самое лучшее: хорошее качественное утепление и незамерзающий теплоноситель – воздух.

Качественное утепление стен заключается в правильном подборе материала стен или слоев стен в многослойной конструкции, с точки зрения теплотехники и правильного влажностного режима. На данный момент слабое место в утеплении зданий являются окна. Даже лучшие современные оконные технологии не позволяют добиться теплотехнических показателей сравнимых с такими же показателями для стен или кровли. Более того, энергосберегающие окна имеют тенденцию к ухудшению характеристик со временем, так инертный газ внутри стеклопакета постепенно улетучивается, а места примыкания рамы к стене и уплотнительные резинки со временем деградируют, образуя щели.

Требуется продолжить исследования в области оконных технологий. Решение, на наш взгляд, может лежать в плоскости утолщения рамы и стеклопакетов, а так же увеличении количества камер стеклопакета. Использование спецзащиты, препятствующей деградации монтажной пены.

 Системы отопления.

Сколько не утепляй стены дома, если внутри дома нет источника тепла, тепловая энергия при низких температурах снаружи, все равно, рано или поздно, рассеется во внешней среде. Утечки энергии через стены, кровлю, окна, вентиляцию и подполье, необходимо компенсировать, используя внутренний источник тепла. Рассмотрим, какие бывают источники энергии внутри дома. Будем оценивать источники энергии с точки зрения стоимости использования, энергонезависимости, требовательности к обслуживанию и постоянному вниманию человека в доме.

 Источники условно бесплатной тепловой энергии.

Как ни странно важнейший источник бесплатной энергии внутри дома – это окна, через которые солнечная радиация проходит внутрь дома и нагревает пол, стены и окружающие предметы. Второй источник тепла – это жильцы дома, люди, живущие в доме, тоже отдают часть энергии своего тела в окружающую среду – внутреннее пространство дома. Третий условно бесплатный источник тепла – это приготовление пищи на кухне – работа кухонного оборудования.

При использовании пассивных технологий считается, что внутренних источников тепла дома должно быть достаточно, чтобы компенсировать внешние теплопотери дома. Это действительно работает в условиях мягкой зимы, но пока не достижимо в холодном климате при условии относительно доступной стоимости строительства.

Существуют геотермальные источники  энергии. На глубине ниже уровня промерзания грунта температура не опускается ниже нуля градусов, а после определенной глубины, вообще не имеет сезонных колебаний. В частном домостроении человек научился использовать геотермальную энергию с помощью технологии теплового насоса. Система теплового насоса является энергозависимой системой и требует постоянного наличия электричества, кроме того, система требует постоянного технического обслуживания.

Как же использовать геотермальную энергию в доме без использования капризного оборудования. Мы предлагаем, осуществлять забор внешнего воздуха для нужд внутри дома, проводя его по длинной трубе закопанной ниже промерзания грунта. В этом случае, свежий, холодный зимний воздух будет нагреваться в грунте до температур выше нуля градусов еще до поступления в дом, а нам надо будет только нагревать его до требуемой температуры, экономя ресурсы.

 Источники платного тепла, источники тепла, требующие постоянного внимания.

Применение классических теплогенераторов – это отдельная огромная тема, особенно в наших климатических условиях. Постоянный длительный период отопления. Системы отопления в умеренном и холодном климате работают постоянно в течение всего отопительного периода, который в наших широтах длится более восьми месяцев. В более теплых странах системы отопления включают по необходимости, а в самых теплых странах, здания вообще не имеют систем отопления. Мы же проектируем и строим мощные дорогие системы отопления, рассчитанные на наш климат и способные работать непрерывно длительный период отопления. Весь отопительный период мы вынуждены покупать топливо для наших печей и котлов. В деревне печное отопление до сих пор не редкость, жителям требуется не только покупать дрова, но и тратить много времени на рубку и заготовку дров. Многие деревенские жители, у которых газ еще не подключен, готовы заплатить «любые деньги» лишь бы подключиться к газовой трубе. Причина тому, что, во-первых, заготовка дров на зиму является тяжелым физическим трудом, а, во-вторых, она отнимает колоссальное количество личного времени. Подумать только, что, если просуммировать все время, потраченное в год на заготовку, перевозку, распиловку, рубку и топку дров, то получится умопомрачительные 1-2 месяца тяжелой работы в году чистого времени, потраченного только на отопление. Еще одну сложность составляет то, что этот процесс нельзя останавливать, поэтому нельзя надолго оставить дом без присмотра (обычно не более суток). Однако, при всех недостатках печного отопления, по надежности оно превышает большинство других видов отопления, позволяет быстро нагревать воздух в помещении, печь спокойно выдерживает заморозку.

В рамках нашей работы я не буду углубляться в тему теплоснабжения слишком глубоко, отмечу лишь некоторые особенности, которые касаются темы моей работы.

Системы отопления бывают энергозависимые и гравитационные. Энергозависимые системы – это такие системы для постоянной работы, которых требуется источник электроэнергии, они не так надежны, как гравитационные системы, однако позволяют применять более комфортные для человека системы отопления, например, такие как теплый пол.

Гравитационные системы не зависят от источника электроэнергии, однако они сложны в исполнении, имеют повышенную стоимость за счет большей материалоемкости. Ошибки в проектировании гравитационной системы отопления могут привести к неработоспособности отопления. В дополнение, требуется отметить, что гравитационные системы отопления имеют существенные ограничения: по ширине здания, по применению системы теплых полов, по диаметру труб и другие.

Еще один важный вопрос, на который следует обратить внимание – это теплоноситель в системе отопления.

В системах отопления с жидким теплоносителем чаще всего применяется вода. Вода является очень хорошим теплоносителем для систем отопления, обладает высокой теплоемкостью, высокой доступностью и низкой стоимостью, вода не сильно разрушает трубы и радиаторы отопления, выполненные из стали и тем более выполненные из полимеров или защищенные полимерами. В системе отопления нужно применять только дистиллированную воду.

Самая главная опасность применения воды в качестве теплоносителя – это то, что если что-либо случится с системой отопления зимой и быстро не устранить неисправность, то вода замерзнет в трубах, полностью разрушив систему отопления, потребуется дорогостоящая замена всех разорванных частей. Если заморозка случится, то восстановить систему отопления зимой – это задача, которая может оказаться не посильной. При этом заморозка систем отопления в индивидуальных домах в деревнях является отнюдь не редким явлением, как может показаться городскому жителю.

Рассматривая другие жидкие теплоносители, которые не замерзают зимой, следует отметить, что по своим характеристикам все они хуже воды, имеют пониженную теплоемкость и повышенную химическую активность. Это значит, что система будет работать в более нагруженном режиме, при повышенной химической активности, другими словами, прослужит гораздо меньше, чем на чистой воде.

Существуют воздушные системы отопления, в которых теплоносителем является воздух или системы которые нагревают воздух и подают его в комнаты. Воздушные системы тоже бывают гравитационные и энергозависимые. Энергозависимые системы требуют постоянного обслуживания, а при использовании гравитационных систем нельзя открывать окна, т.к. это сразу нарушает воздушные потоки. Тем не менее, воздушные системы лишены такого недостатка, как протечки, воздушные каналы не имеют ограничений по сроку службы.

Однако системы воздушного отопления имеют серьезные ограничения в эксплуатации. Так, например, если используется способ нагрева воздуха и подача его в отапливаемое помещение, то необходимо в уже нагретый воздух внутри помещения подмешивать свежий воздух с улицы, чтобы избежать излишней влажности и лишних запахов. Подмешивание холодного воздуха требует его предварительного нагрева, что приводит к увеличению затрат на энергоресурсы. Кроме того требуется постоянная смена фильтров, отвод конденсата при использовании рекуперации. Такие системы применяются в «пассивном доме» и считаются не очень надежными.

Использование воздуха только как теплоносителя по замкнутому контуру без выхода в помещение. Воздух как теплоноситель имеет очень маленькую теплоемкость, если сравнивать теплоемкость воздуха и воды по объему, то у воздуха она ниже примерно в 3000 раз. Соответственно, чтобы получить одинаковое количество тепловой энергии надо прокачать, либо 1 литр воды, либо 3 куб. м. воздуха, а значит, диаметр воздуховода должен быть намного большего сечения, чем труба для воды, а скорость потока выше, особенно большие сечения, будут требоваться при устройстве гравитационной системы воздушного отопления. Чтобы уменьшить требуемое количество воздуха надо уменьшать внешние теплопотери дома. Выполнение подобной системы отопления возможно, но требует дополнительных исследований и расчетов, т.к. ранее не применялась.

 Заморозка дома.

Хотя заморозку дома допускать нельзя, при определенных обстоятельствах это может оказаться неизбежным или произойти случайно.

При заморозке дома должны выполняться, как минимум, два главных условия:

1)    заморозка не должна повредить дом и его инженерное оборудование;

2)    дом должен легко выходить из заморозки в любое время и в любую погоду, быстро становясь пригодным для жилья.

Подобные требования накладывают очень сильные ограничения на используемые технологии, так, например, мы не можем использовать эффективный теплоноситель – воду. Кроме того нам нужен какой-то источник тепла, который смог бы поднять температуру в доме до такого уровня, при котором можно запустить основное отопительное оборудование, и помочь в быстром нагреве.

Мы также всегда должны помнить, что человек должен получить требуемый высокий комфорт жизни, и это должно быть экономически оправдано.

Критическое исследование существующих систем на предмет климатической защищенности. Выявление необходимых параметров.

 Определив критерии, по которым мы будем комплексно оценивать климатическую защищенность, комфортность проживания и финансовую доступность индивидуального дома применим  необходимые условия, составим таблицу.

* системы, построенные с использованием воздуха в качестве теплоносителя в замкнутом контуре (без выхода в комнаты), имеют низкую теплоотдачу на площадь поверхности, и требуют установки воздуховодов большого сечения, подобная система может быть установлена только в процессе постройки дома, т.е. должна быть заложена в проекте, дом должен быть хорошо утеплен;

* *системы солнечного отопления имеют невысокую теплотворность в зимний период, а в летний период имеют избыточную теплотворность, поэтому часть солнечных коллекторов на лето должна быть затемнена.

Выводы.

Из проведенного анализа в данном исследовании видно, что требуется системный подход для решения задач по эффективной и комфортной климатической защите в индивидуальном доме. Вопрос требует дальнейших научных исследований и натурных испытаний. Однако, уже на сегодняшний день видно, что для обеспечения климатической безопасности требуется незамерзаемый, энергонезависимый, мультитопливный источник тепла в совокупности с высокой степенью утепления дома и эффективным использованием природных источников энергии. В нашем исследовании для своего климатически защищенного, доступного по цене и комфортного для проживания индивидуального жилого дома мы назначаем следующие системы:

1. Качественное утепление, для минимизации потерь тепла.
2. Энергоэффективные окна, для минимизации потерь тепла.
3. Забор воздуха для нужд дома с улицы через трубу, заложенную ниже уровня промерзания грунта, для уменьшения расхода энергоносителя.
4. Гравитационная система отопления с воздушным теплоносителем, воздуховоды внутри стен и пола, как недорогая, надежная, энергонезависимая и комфортная (теплый пол и стены), с возможностью подключения к магистральному газу и солнечным коллекторам.
5. Солнечное отопление на базе солнечных коллекторов, для более эффективного использования энергии окружающей среды. Солнечные коллекторы устанавливаются перед газовым котлом, который автоматически включается, когда температура теплоносителя ниже требуемой, т.е. когда очень холодно и темно – солнечное отопление не справляется.
6. Печное отопление, как наиболее надежная система отопления на экстремальный случай и быстрого вывода дома из состояния заморозки.

Игорь Хрисанов, архитектор

Землевладелец №5-6 (95) 2015

Похожие статьи:

• Отопление: топить – так по полной! Максимум эффекта и минимум затрат
• Тепловые насосы: контракт с природой
• Не дадим замёрзнуть дому! Выбор автономной отопительной системы
• Тепловой насос: берём дары природы
• Тепло в доме – ваша забота
• Электричество и энергия земли
• Солнце, воздух и вода лучше РАО ЕЭС?