Тепло- и холодоснабжение современного коттеджа
Повышение энергоэффективности систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха для односемейных домов, в комплексе с улучшением теплоизоляционных характеристик дома и с использованием возобновляемых источников энергии позволяет повысить качество жизни пользователей и достигнуть значительной экономии энергоресурсов. Однако зачастую установка инновационных инженерных систем требует помимо дополнительных затрат применения нетрадиционных технических решений, как это видно на примере строительства современного коттеджа, осуществляемого в настоящее время на Украине.
В. Ф. Гершкович, канд. техн. наук, лауреат премии НП «АВОК», ЧП «Энергоминимум», Киев
Владельцем строящегося коттеджа было решено оборудовать свой дом с учетом последних достижений теплотехнической науки. Система отопления должна быть без радиаторов, система вентиляции – без воздуховодов, охлаждение помещений в летние месяцы осуществляться бесшумно и без возникновения явных холодных воздушных потоков. Отапливаться дом должен энергией солнечной радиации и низкопотенциальной энергией земли. Обязательно наличие резервного газового котла. Энергоемкое инженерное оборудование должно работать во время действия льготного тарифа и отключаться в пиковые часы нагрузки, сохраняя при этом заданный уровень комфорта. И, конечно, управление всем технологическим оборудованием должно происходить в автоматическом режиме.
Специалисты – проектировщики инженерного оборудования зданий, оговорив финансовые расходы с владельцем, обратились к архитектору с вопросом о готовности проектировать дом с учетом всех требований, продиктованных особенностями использования нестандартного инновационного оборудования.
Обычно в топочном помещении ставят только газовый котел. В данном коттедже планировалось установить гораздо большее количество теплоснабжающего оборудования. Поэтому первоначально отведенное под это оборудование помещение, обозначенное на плане как «топочная», пришлось несколько расширить. План и схема размещения основного оборудования в топочной коттеджа показаны на рис. 1 и 2. Другие требования инженеров архитектор тоже учел, поэтому дом получился хорошо утепленным, с нишами для теплых форточек, с теплыми полами и стенами, которые зимой греют, а летом охлаждают.
Рассмотрим подробнее схему теплоснабжения данного коттеджа. Основным и самым дорогим составляющим схемы является тепловой насос 1. Пока на улице холодно, он вырабатывает тепло, передавая его от грунта в помещения. Теплота забирается посредством вертикальных грунтовых теплообменников 11 при температуре около нуля. Эта теплота трансформируется в тепловом насосе. Из теплового насоса теплоноситель (вода) с температурой около 40 °С накапливается в емкости 13, из которой по мере необходимости подается к теплым полам и стенам, отдавая теплоту.
Все было бы просто, если бы не нужно было дополнительно подогревать горячую воду, используемую для нужд горячего водоснабжения (душ, ванна и мойка), поскольку температура 40 °С недостаточна, она должна достигать хотя бы 50 °С. Для этого предусмотрена емкость 14, в которой хранится вода с такой температурой. Как только датчик А2, установленный в верхней части бака 14, зафиксирует понижение температуры горячей воды до 49 °С, трехходовый кран 16 переключает поток теплоносителя, идущего от теплового насоса, на теплообменник 19, в котором подогревается горячая вода. Автоматика теплового насоса настроена так, что вода в его конденсаторе в этом режиме будет подогреваться до 55 °С, и как только температура воды в нижней части бака 14 поднимется до 50 °С, трехходовый кран 16 по сигналу датчика А8 тотчас переключит тепловой насос на работу в отопительном режиме.
Пока тепловой насос работает на горячее водоснабжение, отопление остается без источника тепла. Но это не страшно, потому что системы отопления инерционны, а вода в баке 14 должна нагреться достаточно быстро. Иностранные компании часто предлагают баки горячего водоснабжения со встроенным теплообменником, но от них пришлось отказаться, потому что в них нельзя было бы нагреть воду так быстро, как это может сделать интенсифицированный теплообменник 19. Да и эффективность скоростного теплообменника значительно выше, чем у погруженного в неподвижную воду, где нельзя достичь высоких значений коэффициента теплопередачи.
Теплообменник 19 в рассматриваемом коттедже выполняет еще одну, не свойственную обычным системам горячего водоснабжения, задачу. Дело в том, что ванные комнаты в этом коттедже примыкают к наружным стенам, в которых архитектор предполагает установить широкие и красивые окна. Обеспечить в этих комнатах комфортную температуру 25 °С при помощи теплого пола ограниченной площади невозможно, а к отопительным радиаторам вообще и в ванных комнатах в частности владелец относится крайне отрицательно. Поэтому пришлось установить в них большие полотенцесушители эксклюзивного дизайна, присоединив их к системе горячего водоснабжения, в которой температура теплоносителя выше, чем в системе отопления. В этих условиях бак 14 будет достаточно интенсивно охлаждаться, даже когда никто ванными не пользуется, и наполнить этот бак горячей водой можно только при эффективной работе теплообменника 19.
При выборе тепловой мощности отопительного теплового насоса нагрузками горячего водоснабжения часто пренебрегают, полагая, что они кратковременны. В данном случае эти нагрузки были учтены, хотя и не полностью, исходя из того, что система горячего водоснабжения отчасти работает еще и на обогрев ванных комнат.
Первоначально предполагалось установить тепловой насос на часть отопительной нагрузки, полагая, что солнечные коллекторы, а при необходимости и газовый котел, добавят теплоты, если тепловой насос перестанет справляться. Были выполнены специальные исследования, показавшие, что солнечные коллекторы зимой работают малоэффективно, а экономить на стоимости теплового насоса недальновидно (результаты этих исследований опубликованы в информационном сборнике «Энергосбережение в зданиях» №2 (№51) за 2010 год). Поэтому было принято решение использовать тепловой насос такой мощности, чтобы он один мог покрывать все тепловые нагрузки, предоставив газовому котлу роль резервного источника.
Солнечные коллекторы 27 остались в арсенале энергосберегающих устройств, примененных в коттедже, предназначенных для частичного отопления зимой и для обеспечения горячего водоснабжения летом.
В холодное время года, как только температура незамерзающей жидкости в солнечных коллекторах, фиксируемая датчиком А5, превысит температуру наружного воздуха, измеряемую датчиком А6, должен включиться циркуляционный насос 10. Трехходовый клапан 17 тут же откроет движение жидкости через теплообменник 27, в котором будет нагреваться теплоноситель системы отопления, подаваемый насосом 4. Солнце зимой светит недолго, и как только интенсивность солнечного излучения уменьшится, должно соответственно снизиться количество воды, прокачиваемой насосом 4 через теплообменник 21. Чтобы такое регулирование было плавным и температура подогретой воды всегда была на нужном для системы отопления уровне, насос 4 снабжен частотным регулятором числа оборотов двигателя.
Таким же регулятором снабжен и насос 8, работающий в теплое время года, когда трехходовый клапан 17 пропускает подогретую в солнечных коллекторах жидкость в теплообменник 22, работающий на систему горячего водоснабжения.
Как уже отмечалось, коттедж обогревают теплые полы и теплые стены. Обычно в таких случаях каждая система имеет свой смесительный узел приготовления теплоносителя. В данном случае проектировать смесительные узлы не стали, потому что любое смешение в системе с тепловым насосом – это необратимые потери энергии. Незачем перегревать теплоноситель, чтобы потом искусственно понижать его температуру, подмешивая обратную воду. Так можно делать только при теплоснабжении от котельной, от которой теплоноситель всегда поступает с более высокой температурой, чем это необходимо для теплого пола. В нашем проекте тепловой насос греет воду до минимально необходимой температуры, которая принята одинаковой для теплых полов и теплых стен. Такое решение стало возможным благодаря применению автоматических регуляторов температуры в каждом отапливаемом помещении, которые могут перекрыть поток теплоносителя при избыточном отоплении.
Эти же регуляторы теоретически могут работать и летом, когда стены становятся прохладными. Хотя в помещениях, охлаждаемых только стенами, достигнуть очень низких температур внутреннего воздуха крайне сложно, поскольку холодоноситель, подаваемый в змеевик стены, не может быть охлажден до слишком низкой температуры. Прохладная стена является элементом саморегулируемой системы, способной создать достаточно комфортный температурный режим при относительно высоких температурах внутреннего воздуха, поскольку теплообмен человека со средой обитания происходит не только путем конвекции и испарения, но, главным образом, путем излучения. В летний жаркий день можно открыть окно, и все равно в таком помещении будет достаточно комфортно.
Обычно стены со змеевиками, предназначенные зимой для отопления, а летом для охлаждения помещений, проектируют с раздельными насосами и узлами приготовления энергоносителей. В данном проекте удалось использовать насос 5 для работы и зимой, и летом. В режиме отопления трехходовый клапан 18 связывает всасывающий патрубок насоса с баком 13, а клапан 15 пропускает воду мимо теплообменника 22. В теплое время года клапан 18 всегда должен быть установлен так, чтобы всасывающий патрубок насоса 5 был отсоединен от бака 13. В то же время регулирующий трехходовый клапан 15 должен дозировать поступление хладагента в теплообменник 22 таким образом, чтобы температура охлажденной в этом теплообменнике воды, которая фиксируется датчиком A3, не понизилась ниже температуры точки росы, которая должна контролироваться датчиком А4.
Как правило температура воды, подаваемой в змеевики стен, находится на уровне 19–20 °С. Для получения воды с такой температурой не нужно использовать тепловой насос 1 в качестве холодильной машины, поскольку естественная температура грунта 8–10 °С, а после работы теплового насоса в режиме отопления температура грунтового массива будет еще ниже. Поэтому в теплообменник 22 подается раствор пропиленгликоля, охлажденный в грунтовых теплообменниках 11.
Стоит обратить внимание на то, что раствор пропиленгликоля подается летом в теплообменник 22 и испаритель теплового насоса постоянно, даже если стены не охлаждаются, например, в прохладную погоду, а тепловой насос не работает, например, когда горячая вода приготавливается солнечными коллекторами. Если энергии солнца недостаточно и тепловой насос должен греть воду для системы ГВС, полость охлаждающей среды теплообменника служит просто каналом циркуляции пропиленгликоля. Но как только возникает потребность в охлаждении помещений, теплообменник 22 начинает работать, используя при этом теплоту помещений для горячего водоснабжения. Это повышает эффективность теплового насоса.
Для расширительных баков места на полу топочной не осталось, но высота помещения оказалось достаточной для того, чтобы разместить их под потолком над насосами.
Таблица
Характеристика инженерных систем дома и расчетные объемы потребления энергии
| Проектные параметры систем | Количество | |||
| Отопление | ГВС | Всего | ||
| Тепловая мощность, кВт | теплые полы | 18,9 | – | – |
| теплые стены | 6,5 | – | – | |
| всего | 25,4 | 24,4 | 37 | |
| Удельная тепловая мощность, Вт/м2 | 32,5 | – | – | |
| Максимальное потребление тепла, ГДж/сут | 2,2 | 0,14 | 3,24 | |
| Потребление тепла за год, ГДж (МВт•ч) | 190 (53) | 51 (14) | 241 (67) | |
| Производство тепла за год, МВт•ч |
тепловым насосом | 52,4 | 9,0 | 61,4 |
| солнечным коллектором |
0,6 | 5,0 | 5,6 | |
| всего | 53 | 14 | 67 | |
| Электрическая мощность теплового насоса, кВт | – | – | 9,2 | |
| Коэффициент преобразования | 4,2 | 3,1 | 3,9 | |
| Потребление электроэнергии за год, МВт•ч | 12,6 | 4,5 | 17,1 | |
| Удельное потребление электроэнергии, кВт•ч/м2•год |
15,8 | 5,6 | 21,4 | |
Приведем характеристики инженерных систем, используемых в коттедже (таблица), позволяющие составить более полное представление о проекте и прокомментируем значения проектных параметров, выделенных в таблице оранжевым цветом:
- общая расчетная тепловая мощность 37 кВт определена, исходя из кратковременной работы теплового насоса на нужды горячего водоснабжения, но с учетом того, что присоединенные к системе ГВС полотенцесушители в ванных комнатах частично будут работать на отопление;
- удельная тепловая мощность систем отопления, равная 32,5 Вт/м2, вдвое меньше нормативной, благодаря, главным образом, применению комнатных приточно-вытяжных аппаратов «Теплая форточка», которые подогревают приточный воздух теплом вытяжного воздуха в рекуператоре с эффективностью 72 %. Поэтому потери на вентиляцию учитывались с коэффициентом 0,28;
- несмотря на то, что удельное потребление энергии 15,8 кВт•ч/(м2•год), приближается к показателю, характерному для пассивных домов (15 кВт•ч/(м2•год)), данный коттедж не может быть отнесен к пассивным зданиям, потому что в нем используется достаточно мощный тепловой насос. При оценке удельных затрат энергии в пассивных домах рассчитывают количество потребляемой тепловой энергии, в то время как удельный показатель данного коттеджа рассчитан с учетом потребления энергии электрической. Если исходить из средней величины коэффициента преобразования теплового насоса 3,9, удельное потребление тепловой энергии составит 61,6 кВт•ч/(м2•год), что дает основания к отнесению коттеджа к классу современного энергетически эффективного сооружения.
Коттедж в настоящее время находится в стадии строительства, поэтому фактическую эффективность работы устанавливаемого инженерного оборудования можно будет оценить позднее.
Опубликовано в журнале «Энергосбережение» №7/2010