Выбор топлива для отопления жилого дома

С. Тишаев

В данной статье рассматривается вопрос выбора типа топлива для отопления частного жилого дома. В частности, производится оценка стоимости используемого энергоресурса за отопительный период, а также капитальных затрат, отмечаются важнейшие особенности эксплуатации оборудования на твердом топливе и газе

Вопрос отопления своего жилища возник у человека, вероятно, с появлением самого жилища. Прошли тысячелетия, возникали и менялись технологии отопления, новая отопительная техника, виды используемых энергоносителей. Появились тысячи теоретических и практических работ, посвященныхэтой теме, которые можно найти в литературе и бескрайних информационных просторах интернета. И все же, исходя из личного опыта, актуальность вопроса сохраняется до сих пор. По-прежнему достаточно часто в инженерной практике нас просят выбрать наиболее подходящее оборудование для отопления частного дома.

Даже такой очевидный, казалось бы, вопрос по выбору оптимального энергоносителя (вида топлива) для отопления частного дома/коттеджа имеет множество решений, в зависимости от конкретных географических (климатических) условий расположения дома, располагаемой или выбираемой системы отопления, уровня желаемого температурного комфорта, удобства обслуживания процесса отопления (или, другими словами, частоты), цены и возможности выполнения различных операций, связанных с процессом отопления, уровня желаемой автономности и резервирования теплоснабжения по энергоносителю, и многих-многих других факторов. Но, конечно же, основными критериями являются цена на разные энергоносители (виды топлива), их доступность для каждого конкретного случая, соотношение общих затрат (инвестиционных – на покупку и установку оборудования, и эксплуатационных – на топливо и обслуживание оборудования и процесса отопления).

В конечном итоге, выбор оптимального энергоносителя и отопительного оборудования для конкретного случая – это достижение компромиссов между желанием получить определенный результат (по уровню комфорта и затратам) и готовностью чем-то для этого пожертвовать. В таких компромиссах личные предпочтения и возможности являются важным субъективным фактором, который нельзя недооценивать. В самом деле, те неудобства, связанные с использованием определенного вида топлива, которые легко переносятся молодыми и здоровыми людьми (например, при заготовке, хранении и использовании угля, дров) представляют серьезную проблему для людей пожилых или с ограниченными физическими возможностями. Да и колебания температуры в доме в течение суток, свойственные котлам с периодической загрузкой топлива, не каждому придутся по душе. Поэтому далее мы хотим рассмотреть некоторые, на наш взгляд важные факторы и свойства, которые присущи сравниваемым энергоносителям.

Фактор цены

Сегодня, когда цена на традиционные энергоносители (природный газ, уголь, электроэнергию) в Украине резко выросла, здравый смысл и семейный бюджет заставляют вновь обратиться к отопительной технике, работающей на альтернативном топливе, большинство видов которого являются местными видами топлива.

К ним можно отнести топливные дрова, различные виды углей (бурый, каменный, антрацит), кусковой или фрезерный торф, топливные пеллеты (гранулы) и брикеты (угольные, торфяные, из продуктов деревообработки, лузги подсолнечника и других сельскохозяйственных отходов).

Самым простым и распространенным способом оценки эффективности отопительных котлов на альтернативных видах топлива является сравнение так называемой «энергетической стоимости» тепла из используемого энергоресурса, т.е. стоимость топливной составляющей получения 1 кВт·ч полезного тепла при использовании данного энергоносителя.

В табл. 1. приведено сравнение некоторых физических свойств наиболее распространенных у нас энергоносителей, стандартизованных согласно указаниям, применяющимся при заполнении форм государственной статистической отчетности топливно-энергетического комплекса Республики Беларусь (поскольку в Украине некоторые из указанных видов топлива до сих пор официально топливом не являются).

Таблица 1. Основные характеристики топлив

* – эффективность работы оборудования

Вид топлива (энергоресурс)	Влажность, Wp, %	Зольность, Ap, %	Низшая теплотворная способность, МДж/кг	Cредний объемный вес, кг/м³	Расход топлива для производства 1 Гкал тепла при η*=85%, кг
Дрова	40-30	1-3	10,2-12,2	450	482–404
Торф фрезерный	50	10-20	11,5	400	442
Пеллеты древесные	8	1	19	600	261
Бурый уголь (Александрия)	50	9-12	7,67–9,2	760	643-535
Донецкий антрацит	6	10-35	27,40	1000	180
Газ природный (расчет на Нм³ при η=90%)	-	-	34,6	0,712	134,4
Электроэнергия (расчет на кВт·ч при η=93%)	-	-	-	-	1250,3

Пересчет расхода топлива на производство 1 Гкал тепла в стоимость топливной составляющей произведен на основании цен, взятых из интернет-магазинов по состоянию на июнь 2015 г. В случае, если указанные в таблице розничные цены на топливо отличаются от тех,которые существуют в вашем регионе, вы легко можете произвести актуальный перерасчет сами. Для расчета принято, что в среднем за отопительный сезон для средне утепленного отдельного дома площадью 150 м² необходимо 7 кВт полезной тепловой мощности, включая ежесуточный нагрев 300 л горячей воды для бытовых нужд. Тогда на теплоснабжение такого жилого дома в месяц необходимо 5040 кВт·ч (4,3 Гкал) полезного тепла. С учетом КПД газовых водогрейных котлов (90%), средний за сезон ежемесячный расход газа составит 583 м³ (для газовых котлов), а расход электроэнергии для электрического котла – около 5419 кВт·ч. Поскольку тарифы на природный газ и электроэнергию очень существенно зависят от объемов потребления, то рассчитанные показатели важны нам для того, чтобы понять, что за отопление придется платить по самым высоким тарифам, т.к. потребление газа в нашем примере превышает 200 м³ в месяц и электроэнергии 600 кВт·ч в месяц.

Как видно из табл. 2, топливные дрова превосходят по самому влияющему эксплуатационному показателю остальные сравниваемые виды топлива. Значит ли это, что следует покупать дровяной котел и переходить на этот вид топлива?

Таблица 2. Стоимость получения полезного тепла от различных энергоносителей

Вид топлива (энергоресурс)	Цена розничная, грн/т	Стоимость топливной составляющей 1 Гкал тепла η=85%, грн
Дрова (за 1 м³)	400	400
Торф фрезерный	1000	442
Пеллеты древесные	2000	522
Бурый уголь (Александрия)	1200	720
Донецкий антрацит	3000	540
Газ природный (расчет на Нм³ при η=90%)	7,188	966
Электроэнергия (расчет на кВт·ч при η=93%)	1,479	1849

Если вы находитесь в лесном регионе или дрова доступны в продаже, если у вас есть место для хранения топлива и вы в состоянии, и готовы потратить дополнительные усилия и время на выполнение несложных функций персонального истопника, то, скорее всего, – да.

Оценка инвестиций

А как же обстоит дело с инвестиционными расходами на дровяной котел? Даже беглый анализ рынка водогрейных котлов одинаковой тепловой мощности 18–20 кВт показывает, что разброс цен, как на газовые, так и на твердотопливные котлы весьма велик. Можно найти довольно дешевые котлы, работающие на газе, например ATON Atmo 16E тепловой мощностью 16 кВт стоимостью 5800 грн. и на дровах – «Огонек» КОТВ 20 тепловой мощностью 18 кВт стоимостью 7080 грн. Вот только тепловые мощности этих котлов определяются по-разному. В чем же разница?

Начнем сначала с самой цифры. Почему котел мы рассматриваем на 16–20 кВт тепловой мощности, если в расчете стоимости топливной составляющей мы принимали 7 кВт. Все просто. Максимальная тепловая мощность котла выбирается для максимально суровых климатических условий, для нашего дома это 15 кВт. Но часто ли зимой стоят 30-градусные морозы? Нет, не часто. Вот и котел на полную мощность будет работать не часто.

Многолетние наблюдения дают климатологические данные, которые позволяют достоверно рассчитывать среднюю по сезону тепловую мощность (расход топлива) и длительность отопительного периода для разных географических районов по средним температурам отопительного периода. Например, для Киева такая температура составляет -1,1°С. А как же тогда работает котел на режиме частичной мощности?

С газовым котлом все просто и понятно. Его тепловая мощность при непрерывной и постоянной подаче топлива определяется произведением тепловой мощности сгоревшего газа на КПД котла. Эффективность газовых котлов довольно высока – около 90% (по низшей теплоте сгорания топлива). Если система отопления работает в режиме частичной мощности, скажем, с нагрузкой 7 кВт, то автоматика газового котла поддерживает заданную терморегулятором температуру на выходе из котла, например, 60°С. При превышении этой температуры подача газа на горелку прекращается, котел выходит в режим ожидания момента, когда температура в сети понизится на 8–10 градусов, чтобы газовая горелка опять включилась на все свои 16 кВт практически мгновенно. Чем сильнее мороз, тем больше тепловая нагрузка теплосети и тем чаще работает горелка.

Для котлов с периодической загрузкой топлива процесс выглядит несколько иначе. Тепловая мощность котла в процессе сгорания топлива меняется от нуля, при розжиге топлива, до максимума за 15–20 мин., затем остается максимальной некоторое время (35-40 мин.) и опять снижается практически до нуля при выгорании загруженного топлива. Какую же тепловую мощность указывают производители твердотопливных котлов: среднюю или максимальную для загрузки? Существуют различные стандарты определения тепловой мощности твердотопливных котлов. По правде говоря, нам они не важны. Важны характеристики котла, которые указывают отечественные котлостроители, и свойства топлива.

Например, для указанного котла «Огонек» КОТВ 20 объем топки составляет 65 л. Таким образом, учитывая, что в котел загружаются колотые дрова, более 12 кг мы туда не впихнем. При среднем КПД такого котла 75% , влажности дров 35% и времени горения такой загрузки 1,5 часа, средняя тепловая мощность котла должна быть 18 кВт. Почему должна быть? Рассмотрим немного подробнее процесс работы твердотопливного котла при частичной тепловой нагрузке сети.

После начальной стадии – растопки дров, которая может длиться 15–20 мин. и характеризуется малой тепловой мощностью (2–3 кВт) и малыми потерями тепла с уходящими газами, температура в топке котла повышается до максимальной, соответственно, максимальной становится и тяга в дымовой трубе и увеличивается коэффициент избытка воздуха ? – до 2–3. Температура уходящих газов из котла также становится максимальной – до 300°С. При этом потери тепла с уходящими газами максимальны, что не может не отразиться на снижении мгновенного КПД котла. Процесс интенсивного горения топлива в котле длится около 40 мин., тепловая мощность наивысшая и может достигать заявленных 31 кВт, после чего идет плавное выгорание образовавшегося древесного угля и затухание котла. Средняя тепловая мощность для этого этапа горения составляет около 11 кВт. При работе такого котла напрямую в теплосеть рассматриваемого дома в случае мороза -30°С мы получим следующее:

на этапе растопки загрузки топлива – недостаток тепловой мощности (около 11 кВт);
на этапе интенсивного горения – избыток тепловой мощности (около 16 кВт), который будет приводить к перегреву теплоносителя выше установленной температуры и, соответственно, повышению температуры радиаторов и воздуха в доме выше необходимой, но вряд ли приведет к закипанию котла из-за кратковременности процесса;
на этапе выгорания древесного угля – недостаток тепловой мощности (около 4 кВт).

Таким образом, эффективная тепловая мощность котла составит всего около 12 кВт, а коэффициент использования энергии топлива (КИТ – аналог КПД котла) – всего 51%. Имея котел необходимой тепловой мощности, вы не сможете обеспечить комфортных условий в доме в сильные морозы и при этом почти вдвое больше необходимого будете расходовать дров, загружая топку каждые 1,5 часа. И даже частичное заполнение топки дровами не спасет ситуацию. Печальная картина, не правда ли? А на режиме частичной мощности, т.е. при слабом морозе, все будет еще хуже, т.к. появляется риск закипания теплоносителя в котле.

Именно поэтому все производители твердотопливных котлов настоятельно рекомендуют подключение таких котлов к теплосети через теплоаккумулирующий бак (в дальнейшем теплоаккумулятор – ТА).

Как рассчитывается ТА исходя из конкретных условий, мы рассматривать не будем. Есть соответствующие расчеты в специализированных изданиях. Для расчета цены бака применим простые (не всегда точные) рекомендации по экспресс-выбору емкости теплоаккумулятора: на 1 кВт мощности котла принимать 100 л емкости ТА. Для нашего котла расчетная емкость ТА составит 1800 л, а ближайшая стандартная емкость ТА – 1500 л. Стоимость бака ЕАМ-00 1500 составляет 20100 грн, что значительно превышает стоимость самого котла.

Зато вся избыточная тепловая мощность котла на этапе интенсивного горения топлива будет поглощена водой ТА и в дальнейшем отдана в теплосеть, повышая КИТ до величины КПД котла, а эффективную тепловую мощность котла – до паспортной, и проблемы работы котла на режимах частичной мощности уже не существует, одной загрузки котла хватит на 4 часа. Правда в большие морозы частота загрузки котла останется прежней – каждые 1,5 часа, но сколько тех морозов?

Суммарные затраты на первый отопительный сезон для двух основных конкурентов – газа и дров – представлены в табл. 3.

Таблица 3. Затраты на приобретение оборудования и эксплуатацию в первый сезон

	Газовый котел	Котел на дровах
Инвестиционные расходы (без учета доставки и монтажа)	ATON Atmo 16E – 5800 грн. Проект и подключение котла – 5000 грн.	«Огонек» КОТВ 20 – 7080 грн. ЕАМ-00 1500 – 20100 грн.
Расходы на топливо за 6 месяцев отопительного периода	25129 грн.	11253 грн. (без учета стоимости доставки дров)
Суммарные расходы	35929 грн.	38433 грн.

Теперь уже выгода твердотопливного котла не так очевидна, не правда ли? Денег на оборудование нужно много и сразу, а окупаться это будет в следующих сезонах. Да и внимания котел потребует немало. Даже в межсезонье придется 4 – 6 раз в сутки загружать котел. А ведь он еще потребует чистки от сажи и копоти, чтобы не потерять свою эффективность. Удовольствие это довольно сильно отличается для разных моделей твердотопливных котлов, но отнюдь не из приятных и полезных для здоровья.

Пиролиз и длительное горение

Но, может быть, неправильно был выбран дешевый котел? Ведь существуют подороже и «покруче», скажите вы, например, котлы длительного горения, или газогенераторные (пиролизные). Да, такие котлы решают часть проблем, более того, они имеют на 8 – 10% выше КПД, но и те и другие являются котлами с периодической загрузкой и имеют свои недостатки. Пиролизные котлы, например, требуют надежного электроснабжения для работы вентилятора и дымососа. А, как известно, электроснабжение населенных пунктов часто прерывается у нас именно в суровые морозы, снегопады и непогоду, т.е. тогда, когда тепло нужнее всего.

Котлы длительного горения решают вопрос работы твердотопливного котла в режиме частичной мощности (основной режим работы котла) за счет медленного горения (тления) топлива и регулирования тяги/подачи воздуха в камеру сгорания котла, что позволяет значительно уменьшить емкость ТА или вообще исключить его применение. Но как быть с удобством обслуживания котла в суровые морозы, т.е. при работе котла на максимальной мощности?

Котел Stropuva S 20 U тепловой мощностью 20 кВт и ценой 33153 грн. имеет самую большую топку объемом 350 л и вмещает 70 кг колотых дров. При КПД котла 91% (такой же, как у газовых котлов) одной загрузки дров влажностью 35% хватит для работы котла с полезной тепловой нагрузкой 15 кВт в течение 13 часов. Хороший результат, но инвестиционные расходы еще больше, чем для рассмотренного котла «Огонек» КОТВ 20 + ТА ЕАМ-00 1500.

Особенности применения дров

Еще несколько характерных особенностей котлов, работающих на дровах.

Зольность дров (особенно нехвойных пород), крайне низка (около 1,5%), поэтому проблем с утилизацией золы будет немного. К тому же для некоторых грунтов древесная зола является прекрасным минеральным удобрением.

Конечно, при обслуживании котла – загрузка дров, чистка теплообменника, выгрузка золы, вы не сможете избежать некоторого дополнительного загрязнения вашей топочной, но это загрязнение гораздо меньше, чем при использовании угля.

В случае использования дров самым важным вопросом, после доступности и цены, является вопрос хранения. Как видно из приведенных в табл. 1 физических свойств, дрова являются не только низкокалорийным, но и легким топливом, требующим большую площадь для хранения. Для рассматриваемого нами гипотетического дома, при заготовке топлива на весь отопительный сезон (6 месяцев), потребуется 18,6 скл. м³ дров. При укладке всех этих дров штабелями не выше 2 м, под склад нужно выделить 9 м² площади под навесом.

В этой статье мы не затрагивали вопрос выбора типа системы отопления, считая только, что это водяная система. Следует однако отметить, что если система отопления в нашем доме с принудительной циркуляцией, то для твердотопливного котла придется позаботиться о дополнительных устройствах для предотвращения закипания воды в котле в случае отключения электроэнергии, или об источнике аварийного электроснабжения.

Пеллетные котлы

Итак, мы рассмотрели основные проблемы при работе дровяных котлов с периодической загрузкой и даже цену решения некоторых этих проблем. Но ведь существуют автоматические пеллетные котлы с непрерывной подачей топлива, которые занимают промежуточное положение по удобству обслуживания между газовыми и котлами с периодической загрузкой. В зависимости от емкости топливного бункера, время автономной работы вашего котла может быть каким угодно.

Пеллетный котел может быть хорошей альтернативой газовому котлу в том случае, если имеется надежное электроснабжение. Ведь он потребляет электроэнергии в несколько разбольше, чем газовый. Электрическая энергия необходима для работы вентилятора, дымососа, механизмов подачи пеллет и золоудаления. Но экономическая привлекательность установки пеллетных котлов еще меньше, чем котлов длительного горения из-за высокой стоимости оборудования. Например, котел КОТэко Geyzer 25 максимальной тепловой мощностью 25 кВт стоит 57000 грн. При емкости топливного бункера 220 л и КПД котла 85%, топлива хватит на 39 часов работы.

Автономность котла по загрузке топлива в 3 раза выше, чем рассмотренного выше котла Stropuva S 20 U, но риск аварийной остановки пеллетного котла во много раз больше из-за наличия вращающихся узлов и деталей.

Так что снова возвращаемся к вопросу компромисса между желаниями и возможностями.

Выводы

При наличии природного газа этот энергоноситель до сих пор обладает довольно высокой надежностью снабжения и является самым удобным с точки зрения использования. При наличии электроэнергии и исправном оборудовании газовый котел может месяцами работать без постоянного наблюдения и обслуживания. Возможно, что для рассматриваемого нами дома правильнее было бы инвестировать деньги в утепление, чтобы в 3 раза снизить тепловую нагрузку. И тогда экономия на отоплении была бы достигнута без снижения удобства обслуживания. В любом случае последнее слово остается за вашими предпочтениями и возможностями.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!