недавние события заставили по иному посмотреть на проблему отопления коттеджа и обеспечения его горячей водой.
для полностью автономного отопления обычно используют "гравитационную" систему отопления. её ещё называют самотёчной. для её работы ненужен циркуляционный насос, что позволяет создавать полностью автономную систему. рассмотрим такую систему поближе.
принцип работы "гравитационной" системы
основной принцип довольно прост. дело в том что горячая вода весит меньше холодной. обычно твердотопливный котёл загоняет горячую воду в некий накопительный бак выше, и дальше гравитация продавливает горячую воду сквозь вашу отопительную систему. кажется система идеальна, но это не совсем так. простота и дешевизна системы порождает ряд недостатков.
- накопительный бак с горячей водой должен иметь минимальные тепловые потери, а ради экономии места его часто размещают на чердаке т.е. для достижения приемлемого КПД системы нужна хорошая теплоизоляция накопительного бака.
- система как правило открытая. это не обязательное условие, но так дешевле и проще всего сделать работоспособную систему.
- трубы отопления нужны довольно толстые. т.е. шитый полиэтилен диаметром 16 мм в проложенный в стяжке пола вы использовать не можете, а тянуть толстые трубы тоже не всегда эстетично. ведь трубы надо располагать оптимально сточки зрения топологи, чтобы система имела минимально сопротивление продвижению воды.
- КПД системы ниже чем системы с циркуляционным насосом поскольку вы используете крайне неэффективную замену насосу. этой системе нужен довольно большой перепад температур для её работы. причём чем меньше разница температур тем меньше разница плотности воды при этих температурах. т.е. система плохо регулируется и при температуре теплоносителя выходящего из котла ниже определённой, система просто престаёт работать.
так что же делать? можно ли построить высокоэффективную автономную систему, которая будет не только отапливать дом, но и обеспечивать горячей водой, а также давать немного электричества для работы самой системы? да, такую систему можно создать. вот один из подходов —
интегрировать термоэлектрический генератор (ТЭГ)
на основе элементов Зеебека, используя «бесплатное» тепло дымохода. плавильне правда это называть "бросовое тепло", потому что выбрасывается в атмосферу вместе с печным газами и практически не используется.
дополнительно я рекомендую использовать тепловой аккумулятор. да это дороже, но зато даст возможность всегда использовать котел в режиме оптимального горения что еще больше увеличит КПД системы. кроме того дополнительный теплообменник размещённый внутри теплового аккумулятора даст возможность легко создать систему горячего водоснабжения (такую систему называют еще система с проточным нагревом). того же в принципе можно добиться с боллером косвенно нагрева, но понадобятся переключения, чего обычно стараются избежать.
для начала необходимо рассчитать общую тепловую мощность, чтобы понять сколько всего энергии у нас вообще есть. я рассчитаю для модели котла с номинальной тепловой мощностью 32Квт так как использую именно её. КПД котла как правило меньше 80 процентов, но мы возьмём с запасом. делается это просто:
общая тепловая мощность котла 32/0.8= 40 Квт. т.е. 32 Квт идет в нагрев теплоносителя, а 8 Квт улетает в трубу. эта мощность тоже важна она не совсем бесполезно тратится, о чем отдельно скажу ниже, поэтому всю эту мощность забирать нельзя т.к. она тратится на нагрев поступающего воздуха и отвод продуктов сгорания.
возьмём из этой "бесполезной" мощности порядка 1 Квт это меньше 15% эту мощность скорей всего можно безопасно взять, но мы попробуем еще большую её часть вернуть обратно в котел.
самый простой способ преобразовать тепло в электричество это использовать элементы Зеебека их довольно часто и не совсем корректно называют элементами Пельтье. хотя сути не меняет - это термоэлектрический модуль.
теперь поступаем так: вешаем на металлическую часть дымохода которая проходит внутри котельной (это как правило подключение котла к дымоходу) металлическую панель. озаботьтесь хорошим тепловым контактом панели с трубой - она является источником тепла.
дальше я думаю понятно на панели размещаем элементы Зеебека и закрываем их радиатором. через радиатор имет смысл прокачивать холодный воздух с улицы. этот воздух можно выбрасывать в помещение котельной или направить в поддувало котла непосредственно. повторное использование теплоты не использованное термоэлектрическим генератором и создаёт ту самую эффективную систему с рекуперацией.
важно учитывать, что КПД элементов Зеебека очень небольшой около 5% при отборе даже 1 Квт тепла вы получите всего 50 Вт электричества. что с трудом хватит даже на один циркуляционный насос.
поэтому очень важна система рекуперации тепла т.е. вы отбирает не 2-4 Квт тепла, а примерно номинальную электрическую мощность получаете ~ 150 -300 ват. в простейшем случае электрическая схема может состоять из одного диода. т.е вы подключаете аккумулятор к термоэлектрическому генератору просто через диод. главное согласовать напряжения чтобы избежать ситуации перезаряда. обращаю ваше внимание что примитивная схема подключения аккумулятора не безопасна и может примести к пожару. лучше используйте контроллер заряда батареи.
недостатки системы.
- Окупаемость. относительная дороговизна элементов Зеебека, а дешёвые элементы Зеебака нельзя сильно нагревать. они как правило паянные и их нагрев их до температуры нескольких сотен градусов будет фатален. температура уходяших газов для котла ~300 ℃.
- недостаток продолжение первого. использование дешёвых термоэлектрических элементов делает систему хрупкой.
- кроме элементов Зеебака вам понадобится дополнительное оборудование: минимум инвертор и аккумулятор. если вы будете использовать простой инвертор инвертор, то свинцово-кислотный аккумулятор не подойдет - иначе придётся городить еще и контроллер заряда. тогда проще использовать защищённый литиевый или натриевый аккумулятор. повторно обращаю ваше внимание использование примитивной схемы состоящей из одного диода опасно - может привести к возгоранию батареи.
- для примитивной системы вам нужно согласовывать напряжение выдаваемое генератором с уровнем заряда батареи чтобы избежать ситуации перезаряда батареи и возможного её воспламенения. лучше использовать контроллер заряда. что конечно приведёт к ещё большему удорожанию системы.
- сложное согласование всей системы. вы должны согласовать количество электричество вырабатываемого термоэлектрическим генератором за сеанс зарядки теплового аккумулятора с количеством энергии необходимое для работы системы.
пара слов о трубе.
тут наверное кто-то скажет жили в деревнях при царе Горохе и не кто о трубе не задумывался. так то оно так, да только вот не совсем.
что изменилось? изменился КПД печки (котла) и теперь меньше тепла выбрасывается в трубу. для современного котла трубу необходимо утеплять. могу рекомендовать такой метод:
в красивую кирпичную трубу вы устанавливаете металлическую нержавеющую неутеплённую, таким образом что бы расстояние до стенки кирпичной трубы было не меньше 3 см. соберите металлическую часть трубы правильно, чтобы конденсат не куда не затекал, а пространство между кирпичной и металлической трубой заполните не очень крупным керамзитом. пространство между трубами засыпанное керамзитом будет играть роль теплоизоляции. закройте сверху трубу флюгаркой, чтобы в керамзите не накапливалась влага от осадков.
заключение
что можно сказать в заключении? если вы любите процесс это хорошая точка приложения технического творчества, если если вы ищите готового решения "из коробки", то вам оно скорей всего не подходит.