Проблема применения настенных газовых котлов для квартир малой площади состоит в том, что теплопотери через ограждающую конструкцию современных зданий и систему вентиляции даже в экстремально холодные периоды времени года не превышают 4–5 кВт·ч, а конвекционные газовые настенные котлы с атмосферной многофакельной горелкой любых марок и моделей конструктивно не способны работать с мощностью менее 8–9 кВт [1]. В связи с этим бóльшую часть отопительного периода времени года, особенно когда температура окружающего воздуха составляет от 0 до +15°C, настенный котёл работает с избытком мощности, что приводит к режиму с периодическим включением-выключением горелки («тактованием») [2].

Повышение эффективности теплогенерирующих установок за счёт утилизации избыточной теплоты, возможность подключения и использования энергии возобновляемых источников, её аккумулирование и последующее использование в системах автономного теплоснабжения — путь, реально снижающий стоимость отопления и горячего водоснабжения домовладений. Тепловой аккумулятор (ТА), то есть буферная ёмкость — устройство для накопления тепла с целью его дальнейшего использования [3].

Использованием процесса аккумулирования тепловой энергии люди занимаются давно. Классическая русская печь — отличный пример такого применения. Вес «правильной» русской печи составляет более трёх тонн. Кирпич при нагреве аккумулирует тепловую энергию, а потом в течение нескольких часов отдаёт тепло в помещение. Если рассматривать автономные системы теплоснабжения малой мощности, то это квартиры в многоэтажных домах (МКД) и индивидуальные дома с отапливаемой площадью до 100 м². В них качестве теплового генератора в подавляющем большинстве случаев используются газовые или электрические котлы.

Основная цель применения теплового аккумулятора — оптимизация теплового режима всего отапливаемого строения при одновременном снижении расходов на отопление. В период активной работы теплогенератора ТА накапливает тепловую энергию, а при выключении первого отдаёт её, поддерживая требуемую температуру помещения. Повышение энергоэффективности автономной системы теплоснабжения с ТА происходить из-за того, что газовые теплогенераторы, применяемые в настоящее время, работая в режиме «тактование», имеют очень низкий КПД. Это происходит, поскольку в паузы между работой газовой горелки, продолжительность которой по алгоритмам работы котлов составляет минимум одну минуту после каждого выключения, происходит интенсивное остывание теплообменника котла потоком холодного воздуха. В прямом смысле слова деньги (эффективность нагрева) вылетают в трубу. Кроме того, постоянное включение-выключение приводит к сокращению ресурса работы котла. При использовании ТА в работе электрокотлов могут быть использованы различные тарифы (дневной, ночной), часто отличающиеся до двух-трёх раз. Энергоэффективность работы электрокотлов с ТА не выше, но экономия средств на отопление — прямая. Тепловые аккумуляторы позволяют легко подключить тепловые солнечные коллекторы [4]. Классификация и типы ТА представлены в работе [5]. В большинстве случаев ТА состоит из ёмкости, выполненной из листовой стали, покрытой теплоизоляционным слоем.

Можно выделить следующие функции применения теплового аккумулятора в системе автономного теплоснабжения:

  • аккумулирование тепловой энергии с последующей передачей в отопительную систему при необходимости;
  • повышение КПД и эффективности использования теплогенератора благодаря возможности отбора всего тепла в систему теплоснабжения;
  • возможность одновременного использования нескольких теплогенераторов, в том числе возобновляемых;
  • возможность подключения к тепловому аккумулятору нескольких систем потребления тепловой нагрузки (радиатор, «тёплый пол», фанкойл, ГВС и т. д.);
  • возможность разделения сред и обеспечения дома санитарной горячей водой с помощью встроенного теплообменника для ГВС;
  • деаэрация (удаление воздуха из теплоносителя);
  • возможность применения разных тарифов оплаты электрической энергии.

Ёмкость теплового аккумулятора для поквартирного теплоснабжения

Объём теплового аккумулятора напрямую связан с теплопотерями помещения. Если рассматривать квартиру в многоквартирном многоэтажном доме, то основные теплопотери происходят через ограждающую конструкцию помещения и определяются размерами оконных проёмов и площадью стен, выходящих на фасад здания, а также вентиляцией помещений. Важно отметить, что при расчёте теплопотерь при определении ёмкости ТА не нужно рассматривать максимальные значения температур в отопительный период времени года. Экономика в данном случае определяется средними значениями температур атмосферного воздуха. Если рассматривать среднюю полосу и южные регионы России, то для квартиры площадью 60 м² они в среднем за отопительный период составляют около 1,5 кВт·ч. Автономные системы отопления с использованием газовых или электрокотлов способны нагреть теплоноситель до 80°C. Радиаторы отопления малоэффективны при температуре поверхности ниже 40°C, если ограничиться периодом времени работы ТА в пять часов, то для компенсации теплопотерь 1,5 кВт·ч потребуется ТА ёмкостью около 150 л. Для электрокотлов именно ёмкость аккумулятора является критерием экономии денег при использовании двойных или тройных тарифов электроэнергии. В газовых настенных котлах, применяемых в «поквартирном» отоплении, размер буферной ёмкости не должен быть менее 80 л, поскольку основной задачей её применения является снижение циклов «тактования» в час. При наличии ёмкости объёмом 80–100 л газовый котёл в квартире будет включаться один-два раза в час. Увеличивать ёмкость выше указанной не имеет смысла, поскольку это никак не влияет на энергоэффективность (потраченные деньги), но увеличивает затраты на первоначальную покупку ТА.

Экономический аспект применения тепловых аккумуляторов при поквартирном теплоснабжении

Электрический котёл. При использовании двухтарифной оплаты электроэнергии с разницей в тарифе в два раза, для центральной чернозёмной южной части РФ и Калининградской области электрокотёл даёт экономию (при использовании аккумулятора 150 л) 2500–3000 руб. в сезон. Срок окупаемости первоначальных вложений — три-четыре года.

Газовый настенный котёл. Экономия за счёт работы с высоким КПД и буферной ёмкостью 100 л составляет около 2500 руб. в сезон, однако «тактование» снижает ресурс котла и увеличивает вероятность отложения накипи на стенках теплообменника котла, а также приводит к дополнительному снижению КПД.

Последнее, в свою очередь, ведёт к значительным затратам при ремонте котла, поэтому учёт экономии применения буферной ёмкости только по стоимости газа оказывается занижен. Кроме того, настенные котлы, как правило, расположены в кухне, и постоянное включение-выключение котла в отопительный период вызывает дополнительный дискомфорт.

Заключение

Установка тепловых аккумуляторов объёмом 100–150 л в системах автономного теплоснабжения помещений малой площади целесообразна как для электрических, так и для настенных газовых котлов. ТА в системах теплоснабжения с электрическими теплогенераторами позволяют снизить затраты на отопление за счёт возможности применения двухтарифных графиков оплаты электроэнергии.

В случае применения газовых настенных котлов экономия затрат на отопления обусловлена исключением работы котла в режимах постоянного «включения-выключения» при температуре атмосферного воздуха выше 0°C и работе с высоким уровнем КПД.