Тепловые насосы нынче актуальны, и доказательством этому могут послужить разные проекты, в которых используются именно теплонасосные установки. Причина столь большой популярности данных приборов – их энергетическая эффективность, что сулит значительную экономию средств.
Если же данные установки работают вместе с разными системами климатизации, то здесь они выделяются еще большими преимуществами. Тепловой насос характеризуется большей результативностью, если разницы температуры между потребителем тепловой энергии и источником будет низкой. Соответственно, это оборудование уместно сочетать с низкотемпературными системами обогрева (с системами на основе теплых полов, например).
Сейчас активно проводятся своеобразные испытания и анализ эффективности использования теплонасосных установок для снабжения горячей водой и обогрева жилых домов. Экспериментальные объекты – дома в Австрии.
Большой дом в Австрии
Первый жилой объект, рассматриваемый в данном материале, располагается прямо в центре Вены. Он представляет собой большую двухэтажную виллу, площадь которой чуть не дотягивает до 600 м2. Следует отметить, что степень теплозащиты здесь высокая – это очень важно. Материал наружных стен – пенобетонные блоки с эффективной теплоизоляцией (полистирол толщиной 0.3 м). Окна являются трехкамерными стеклопакетами, обеспечивающими также хорошую теплоизоляцию сооружения.
Здание уникально тем, что оно обслуживается комбинированной системой холодо- и теплоснабжения, горячего водоснабжения, охлаждения. Для этого используются солнечные коллекторы для нагрева воды, тепловой насос, охлаждающие потолки и теплые полы.
Солнечные коллекторы, установленные на крыше здания
В данном случае солнечный коллектор является самым важным элементом, на который возложена функция теплоснабжения. Именно он готовит горячую воду для отопления и снабжения самого дома горячей водой. На здании устанавливаются 3 вакуумных трубчатых коллектора, рабочая поверхность которых в сумме составляет два квадратных метра. В каждом из них есть 12 вакуумных трубок. Сами трубки произведены из прочного стекла на основе боросиликата, и размещаются они над отражателем из керамики. Отражатель характеризуется непростой параболической формой. Благодаря этой форме солнечные лучи точно фокусируются в достаточно широком диапазоне высоты нахождения солнца. Плоские солнечные коллекторы, например, эффективны только лишь при конкретном положении солнца. Одно из важных положительных особенностей данных коллекторов – простота ремонта. Если будет необходимость, трубки можно заменить вручную, не сливая при этом теплоноситель.
Теплоноситель, который находится в солнечном коллекторе, благодаря солнцу разогревается и затем подогревает теплоноситель в емкостном накопителе. Объем накопителя составляет 1900 литров, и этого вполне достаточно для бассейна и для горячего водоснабжения дома.
Принцип работы буферной емкости для отопления и горячего водоснабжения
Емкостный накопитель обладает одной особенностью – послойным нагревом. В его нижней части температура более низкая, и в зависимости от того, какой генератор тепловой энергии используется, подогрев или разбор теплоносителя может производиться на разных уровнях. Логично: температура воды в бассейне должна быть более низкой по отношению к температуре воды, которая используется для ГВС. Поэтому вода для бассейна черпается с точки, располагающейся ниже уровня точки разбора воды для ГВС. Подобная оптимизация во многом позволяет добиться экономии затрат энергии. Работа накопителя полностью автоматизирована и контролируется системой солнечного коллектора.
Комбинированная схема геотермального теплового насоса и солнечного коллектора
Конечно, нужно быть реалистами и понимать, что не всегда производительности коллектора достаточно для готовки горячей воды. Ночью или в пасмурные дни активность солнца низкая, и энергии может не хватать на разогрев воды до необходимой высокой температуры. Это предусмотрено технологами – они придумали теплонасосную установку. Источником теплоты является грунт. На участке устанавливаются скважины глубиной в 100 метров. Установка закачивает теплоноситель в обменники, расположенные в грунте, где он нагревается приблизительно до +9 С.
При разборе теплоты основная ее часть уходит на накопитель солнечного коллектора – ему отдается приоритет. По сути, это тепло для потребителя практически бесплатно, если не учитывать небольшие расходы на работу циркуляционных насосов, однако они минимальны. Но тепловые насосы активируются лишь в тех случаях, когда солнечный коллектор не справляется с нагревом воды до требуемого значения. За счет этого достигается значительная экономия энергии: чтобы получить тепло от коллекторов, нужна лишь работа циркуляционных насосов. Но получение тепла от теплового насоса предполагает работу компрессора, и для прокачки теплоносителя через теплообменник, расположенного в грунте, нужно затратить большее количество энергии.
Буферная емкость
Подобный алгоритм разбора воды хорош тем, что во много стимулирует жителей экономить воду. Они понимают, что чем реже использовать ГВС, тем реже теплонасос будет включаться в работу. Соответственно, это влечет экономию денег. Так жители получают отличную возможность оптимизировать потребление горячей воды и не переплачивать за коммунальные услуги.
Нельзя не упомянуть и о системе автоматизации – она позволяет контролировать потребление и производство тепловой энергии. Это также является своеобразным инструментом, благодаря которому жители экономят свои деньги. Связана данная система с сервисной службой через специальный модуль. Сервисные специалисты благодаря этому модулю могут круглосуточно следить за инженерными системами здания вне зависимости от расстояния. Если возникает какая-либо неисправность в работе, на мобильный номер специалиста отправляется оповещение с кодом. По коду специалист может определить характер поломки или сбоя в работе системы. Сам специалист, в свою очередь, тут же выезжает на дом к клиенту и устраняет поломку в оперативном режиме. В некоторых случаях неисправность может быть устранена даже дистанционно, поэтому выезд специалиста не всегда обязателен.
Тепловой насос может работать как источник для отопления целого здания. Отопительными приборами выступают теплые низкотемпературные полы. Всего существует 3 контура теплых полов, которые обслуживают разные зоны здания. Для обслуживания каждого контура используется циркуляционный насос и трехходовой клапан. Благодаря им достигается гибкая регулировка подачи теплоты в конкретную зону. Нет смысла отапливать зону, которая практически не эксплуатируется, и за счет этого достигается не только высокий уровень комфорта, но и экономия электроэнергии за счет снижение потребления ресурса.
Тепловой насос NIBE и буферная емкость в техническом помещении
Контуры полов подключаются через буферную емкость к тепловым насосам. Такая же буферная емкость использует в контуре ГВС. Что касается электроподогрева, то он отсутствует. Система оптимизирована так, что самые высокие тепловые нагрузки покрываются работой теплонасоса.
Система традиционного типа полностью отсутствует в здании. Вместо этого тепловые нагрузки в летний период снимаются благодаря охлаждающим потолкам. Как источник холодоснабжения применяются геотермальные скважины. В грунтовом теплообменнике теплоноситель охлаждается и благодаря циркуляционному насосу подается в теплообменник потолков. Теплоноситель при этом имеет температуру от +18 до +15 С – точная температура регулируется трехходовым клапаном. В самом контуре полотков теплоноситель пребывает с температурой помещения (от +10 до +21 С), и это позволяет не только предупредить появление конденсата на поверхности, но и обеспечить возможность саморегулирования системы, т.к. разница температур между системой и помещением небольшая.
Бывают ситуации, когда тепловой насос работает одновременно с охлаждающими потоками (в случае большого водоразбора, например). В этом случае источником низкопотенциальной теплоты является теплоноситель от обменников потолков. Вода, имея температуру 18 С, подмешивается к теплоносителю, который идет от грунтовых теплообменников к тепловому насосу, за счет чего повышается эффективность.
Важен и тот факт, что в здании нет классической общеобменной вентиляции. Поскольку площадь, которая приходится на одного жителя, большая, можно обходиться и естественным проветриванием. Есть только локальные вытяжки, и те располагаются в местах, где есть вероятность образования разных запахов, например, над кухонной плитой.
В этом здании есть и резервный источник энергоснабжения – магистральный газ. Но кран попросту находится в техническом помещении, и к нему не подключен никакой агрегат.
Когда реализовывался проект, перед подрядчиком не ставилась задача добиться максимальной экономии и эффективности. Сознательно делался выбор в пользу технически совершенной и сложной системы, которая бы предполагала использование только высококачественных материалов. Именно поэтому финансовые затраты на реализацию проекта оказались большими. Само лишь бурение скважин – большая статья расходов.
Во сколько точно обошелся данный проект, заказчик не говорит, но указывает при этом, что не экономил, ведь в приоритете стоял именно комфорт и высокая надежность работы всех систем.
Tепловой насос NIBE в интерьере
Небольшие жилые сооружения в пригородах
Если в рассматриваемом выше большом доме экономия не была основополагающим фактором использования теплонасосной системы, то в данном примере все наоборот. В небольших жилых домах, располагающихся в пригородах Вены, данная системы теплоснабжения была выбрана для снижения общей стоимости сооружения. Конечно, для этого потребовались большие капитальные вложения, но они позже окупятся за счет существенного снижения эксплуатационных расходов.
Учитывая необходимость в снижении расходов, было принято решение не использовать грунтовые теплообменники, устройство которых составляло большую часть затрат. Здесь источником низкопотенциальной теплоты является обычный наружный воздух.
Само здание является двухэтажным и рассчитано оно на 2 квартиры. Как и рассматриваемая выше вилла, это здание отличается отличной тепловой защитой. Наружные стены изготовлены из монолитного железобетона толщиной 150 мм. Присутствует и наружная теплоизоляция толщиной 300 мм – стиропор.
В каждой квартире есть тепловой насос, накопительный объем которого составляет 295 литров. В этот насос установлен электрический нагреватель воды мощностью 6 кВт, который не используется при нормальном режиме работы.
Недалеко от здания размещается теплообменник типа «воздух/жидкость», принцип работы которого следующий: воздух через теплообменник прогоняется вентилятором, нагревая при этом теплоноситель – воду. Заем этот теплоноситель циркуляционным насосом подается на испаритель. Несмотря на относительно простую схему работы, система эффективна в пригородах Вены – коэффициент COP равен 4.
Теплообменник "воздух-вода"
Тепловой насос также производит горячую воду на ГВС. Горячее водоснабжение в приоритете для данной системы.
Как система отопления может использоваться теплый низкотемпературный пол. Системы охлаждения не предусмотрены вообще, как и системы вентиляции.
Солнечные панели на крыше здания
Как и в большой вилле, здесь есть солнечные коллекторы, использующиеся для нагрева воды. Однако кроме них на зданиях устанавливаются фотоэлектрические специальные панели, вырабатывающие электрическую энергию. В сумме мощность данных панелей на одном здании составляет 2 кВт. Следует отметить уникальную систему данного здания: когда производство энергии превышает количество потребления, то излишки поставляются в городскую электросеть. Таким образом, дома не только потребляют, но даже и производят электроэнергию. Эти сооружения уже близки к тем, которые приняты в Европе как стратегические сооружения с нулевым энергопотреблением.
На основе материалов из журнала "АВОК"