Иногда смотришь на схему инженерных систем дома, и думаешь: вот система отопления, она - сложная и разветвленная, с автоматическим управлением, а вот – система вентиляции и центрального кондиционирования воздуха, она – тоже сложная и разветвленная, со своей автоматикой. Но ведь, по сути, обе эти системы делают одно и то же: изменяют температуру воздуха в помещениях дома, чтобы его обитателям было комфортно. Так почему бы не объединить эти две системы в одну, уменьшив сложность и стоимость инфраструктуры жилища?
Как часто бывает, эта хорошая идея родилась задолго до нас: воздушное отопление с использованием печи и сети каналов для распределения теплого воздуха было изобретено в Англии в самом начале XIX века. В 1885 американец Дэйв Леннокс начал производство клепаных стальных угольных печей. Теплый воздух от этих первых печей переносился за счет естественной конвекции по каналам из подвала, где стояла печь, в комнаты наверху. Этот метод, наряду с водяным отоплением, преобладал в домашнем центральном отоплении в США до 1930-х годов, когда началось использование калориферов с принудительной циркуляцией воздуха (forced air furnace), использующих уголь в качестве источника тепла и электрический вентилятор для распределения нагретого воздуха по каналам внутри дома.
После 2-й Мировой войны окончательно разошлись пути развития технологий отопления в Европе и в Америке. В Европе прижилось водяное радиаторное отопление, а в Америке, как только на рынке появились газовые и жидкотопливные калориферы с принудительной циркуляцией воздуха, домовладельцы отправили в утиль не только угольные калориферы, но и старые котлы вместе с чугунными радиаторами. Сегодня около 60% американских домов отапливаются газовыми калориферами, а еще 9% - калориферами, работающими на жидком топливе. Прогнозируется, что в ближайшем будущем в регионах США с более теплым климатом четверть жилых домов будет снабжена системами воздушного отопления/кондиционирования, в которых как для нагрева, так и для охлаждения воздуха будет использоваться тепловой насос.
Почему важна принудительная циркуляция воздуха в воздушной системе отопления? Дело в том, что система с естественной циркуляцией требует воздуховодов довольно большого диаметра (20–36 см), отнимающих много полезного пространства. Кроме того, помещения, удаленные от калорифера, обычно недогреваются из-за слишком маленькой разницы давлений между нагретым приточным воздухом и более холодным воздухом, возвращающимся в калорифер. Эти проблемы решаются с помощью вентилятора с приводом от двигателя, который может направлять нагретый воздух через компактные прямоугольные воздуховоды в самые отдаленные помещения в здании (рис. 1). Нагретый воздух поступает в отдельные комнаты через регистры, решетки или диффузоры различных типов, в том числе устройства, напоминающие плинтусы вдоль стен. Воздушные потоки через открытые двери и возвратные вентиляционные отверстия помогают равномерно распределять тепло. Теплый воздух, отдав тепло комнате, возвращается в калорифер. Вся система контролируется термостатами, которые измеряют температуру, а затем включают газовую горелку и воздуходувку, прогоняющую теплый воздух по каналам. Преимущество принудительного нагрева теплым воздухом заключается в том, что воздух может проходить через фильтры и очищаться по мере его циркуляции в системе. И если воздуховоды - подходящего размера, добавление охлаждающего змеевика, подключенного к подходящему холодильному оборудованию, легко преобразует систему в круглогодичную систему кондиционирования воздуха.
Поскольку на европейском рынке (за исключением, возможно, Великобритании) заметного предложения калориферов для воздушных систем отопления не наблюдается, стоит подробнее рассмотреть этот вид отопительного оборудования на примере продукции американских производителей.
Компания Lennox (да-да, та самая, основанная более 135 лет назад!) предлагает 17 моделей газовых калориферов с принудительной циркуляцией воздуха (рис. 2) в трех ценовых сегментах. Модели отличаются друг от друга типом горелки (одно- или двухступенчатая), исполнением вентилятора (регулируемая скорость или двигатель с постоянным моментом вращения) и теплообменника, а также функциональным богатством системы управления, уровнем шумоизоляции вентилятора, а также – наличием таких опций, как очистка воздуха или возможность совместной работы калорифера с кондиционером или тепловым насосом. Соответственно комплектации, показатель AFUE газовых калориферов Lennox составляет от 80% до 99% у приборов премиум-класса и - до 96% у приборов бизнес- и эконом-классов.
AFUE (Annual Fuel Utilization Efficiency) – это годовая эффективность использования топлива. В отличие «тепловой эффективности», которой мы привыкли оперировать, AFUE не является пиковым показателем эффективности преобразования в установившемся процессе, а представляет собой фактическую среднюю сезонную эффективность данного оборудования, включая рабочие переходные процессы.
Гораздо скромнее выглядит у Lennox ассортимент жидкотопливных калориферов – всего 2 модели, каждая – шести типоразмеров, мощностью от 20 до 44 кВт (рис. 3). Одноступенчатая горелка и вентилятор с регулируемой скоростью вращения у более дорогой модели обеспечивают AFUE 85%. У модели попроще – такая же горелка и вентилятор с постоянной скоростью вращения, поэтому эффективность немного пониже – 83%.
Еще один хорошо известный у нас (но – по другой продукции) производитель калориферов для воздушного отопления индивидуального жилья –Trane. В ассортименте этой компании – 7 линеек газовых калориферов, по 5-10 моделей в каждой, охватывающих диапазон мощностей от 11 до 35 кВт (фото 4). Здесь применяются горелки трех типов: модулируемые, двух- и одноступенчатые. Вентиляторы, в основном, оснащены энергоэффективными электродвигателями с электронной коммутацией (ЕСМ) – с регулируемой скоростью или с постоянным моментом вращения. Моторы второго типа, обозначаемые аббревиатурой СТМ (Constant Torque Motor), наиболее часто используются с вентиляторами калориферов, поскольку оптимизированы для обеспечения постоянного объема воздуха в случае изменения внешнего статического давления по какой-либо причине. Стоит отметить, что преимущество двигателей типа ЕСМ перед применявшимися ранее в калориферах двигателей с постоянно включенным конденсатором (PSC) состоит не только в эффективности (ECM обеспечивает КПД в диапазоне 65÷75%, тогда как двигатель PSC имеет КПД всего около 45%), но и в ресурсе: ECM, установленный в типичном приложении HVAC, должен проработать около 90 000 часов, что эквивалентно 10 годам эксплуатации. Расчетный же срок службы двигателя PSC составляет всего 50 000 часов или восемь лет, прежде чем потребуется его замена.
Но вернемся к газовым калориферам Trane: их паспортные значения AFUE увеличиваются по мере возрастания цены модели от 92% до 97,3%. В качестве опции ко всем моделям предлагается система очистки воздуха. Приборы верхнего ценового диапазона совместимы с кондиционерами и тепловыми насосами Trane (Фото 5). Любопытно, что каждая модель калорифера здесь имеет по 4 исполнения, отличающихся направлением движения воздуха (снизу вверх или наоборот) и монтажом (вертикально или «на боку»), что существенно расширяет возможности оптимально вписать оборудование в объект.
Воздушное отопление имеет только одно безусловное достоинство по сравнению с водяным – это высокая скорость обогрева. Все остальные возможные преимущества зависят от того, предполагается ли в строящемся доме центральная система кондиционирования. Если – да, то использование воздушного отопления позволит существенно снизить капитальные затраты, поскольку отменяет необходимость в дорогостоящем монтаже водяной системы. Кроме того, в этом случае появляется также возможность снизить потребление энергоносителей за счет использования теплового насоса в течение большей части отопительного сезона, лишь в самый холодный период прибегая к включению калорифера.
К недостаткам воздушного отопления экспертное сообщество единодушно относит следующие:
- потенциальный риск для здоровья: при ненадлежащей очистке воздух может разносить по дому пыль, аллергены, споры и бактерии;
- какой бы современной ни была ваша система отопления, она всегда будет издавать какой-то шум;
- принудительное воздушное отопление использует один термостат для управления температурой воздуха во всем доме, однако в разных комнатах может быть разная потребность в тепле.
Тем не менее, на российском рынке отопительного оборудования есть подходящий сегмент для калориферов: это – отопление дач и подобных строений, используемых для жилья не постоянно, а – от случая к случаю. Ведь воздушная система устраняет основной риск, связанный с использованием в таких случаях водяной системы отопления, риск разморозки. Да и возможность быстро протопить холодную дачу морозным январским вечером дорогого стоит.