И зимой, и летом

С. Шовкопляс
Экономичное отопление – вполне решаемый вопрос. Сейчас на рынке имеется достаточно широкое предложение эффективных технических решений. А можно ли инженерную инфраструктуру, сделанную для отопления в холодный период, задействовать и для охлаждения дома в жаркое время года? Этот вопрос решается с помощью комбинированных систем отопления / охлаждения с тепловыми насосами.

Приобретая товар, услугу, изделие, потребитель рассчитывает на его основные потребительские качества (например, от системы отопления и ГВС – на выработку и подачу достаточного количества тепла), но, тем не менее, учитывает и его дополнительные свойства – value added, дополнительные функции, добавленную потребительную стоимость. Можно ли отопительную систему использовать в качестве климатической машины, работающей круглый год – и летом, и зимой? Можно ли ожидать от системы теплоснабжения еще и функции охлаждения? Насколько это реализуемо и выгодно? Об этом пойдет речь на примере решения, предлагаемого фирмой Buderus.

Солнце, воздух и вода

Использование в качестве основного теплогенератора реверсивного теплового насоса (источника низкопотенциального тепла) совместно с системой отопления «теплый пол» или фэнкойлами (системы распределения низкопотенциального тепла) позволяет превратить отопительную систему в комбинированную нагревательно-охладительную климатическую машину для целого дома, максимально использующей возобновляемые источники природной энергии круглый год.

Немецкой компанией Buderus для обеспечения частного дома горячей водой и отоплением / охлаждением помещений разработана типовая схема такой комбинированной системы (см. рисунок), которая состоит из:

  • основного источника тепло / холодоснабжения - теплового насоса «воздух-вода» LogathermWPL AR B с внутренним блоком со встроенным 3-ходовым клапаном и внешним блоком мощностью 17 кВт (поз. К.18);
  • дополнительного источника тепла – настенного конденсационного котла Logamax plus GB172i мощностью 35 кВт (поз. К.1), буферного бака-накопителя Logalux P200 / 5W (поз. К.10) и гелиосистемы из 3-х плоских гелиоколлекторов SKN 4.0 (поз. К.5), а также бивалентного бака нагрева ГВС для теплового насоса (с увеличенной площадью теплообменника верхнего змеевика) Logalux SMH 400 (поз. К.7).

Ris_1Этим проектом Buderus предусмотрено специальное решение для гидравлического соединения комбинированной схемы тепло- и холодоснабжения помещения.

Рис. Типовая схема комбинированной системы отопления / охлаждения от компании Buderus с использованием бивалентного теплового насоса "воздух-вода"

TablТаблица 1. Спецификация к схеме комбинированной системы отопления / охлаждения от компании Buderus

Основным (ведущим) источником энергии в этой схеме служит тепловой насос Logatherm WPL AR B «воздух-вода», который в зависимости от погодных условий работает в реверсивном режиме для тепло- или холодоснабжения дома. В данной модели буква «B» означает «бивалентный», то есть тепловой насос Logatherm WPL AR B предназначен для комбинированной системы теплоснабжения в сочетании с дополнительным источником тепла, таким как газовый котел. Дополнительным теплогенератором может также быть и твердотопливный котел с автоматической подачей топлива, а также электрический котел. Любой дополнительный источник предназначен для покрытия «пиковых» нагрузок в режиме работы теплового насоса наотопление. При этом обязательно нужно учесть, что максимальная мощность дополнительного (ведомого) котла не должна превышать 35 кВт. Тепловые насосы Logatherm WPL AR разработаны как для охлаждения с помощью конвекторов с вентиляторами (фэнкойлов), так и для пассивного охлаждения через системы отопления пола, стен или потолка.

Теплоноситель от теплового насоса поступает в буферный бак Logalux P200 / 5W (поз. К.8), который имеет специальную высокоэффективную теплоизоляцию и предназначен для хранения как теплой, так и холодной воды.

Буферный бак Logalux P200 / 5W обладает специальной высокоэффективной теплоизоляцией с высокой устойчивостью к диффузии водяного пара, позволяющей в жаркое время года накапливать в нем холодную воду с температурой +10 о . Эта теплоизоляция одновременно препятствует образованию конденсата на поверхности бака.

Особенности работы теплового насоса предполагают наличие минимального константного объема теплоносителя системы отопления. Этот неизменяемый минимально-необходимый объем можно обеспечить, применив также буферную емкость Buderus Logalux P50W объемом от 50 л.

Из буферного бака Logalux P200 / 5W тепло- или хладоноситель поступает в контуры тепло / холодоснабжения. Нагрев горячей воды происходит в бивалентном баке ГВС Logalux SMH 400 (поз. К.7) от теплового насоса по приоритету.

Если в момент запроса на нагрев горячей воды теплоноситель имеет температуру ниже необходимой для приготовления горячей воды, то сначала переключается трехходовой «разгонный» клапан (поз. К.20), и теплоноситель движется по «малому кругу», что позволяет мгновенно повысить его температуру до необходимого уровня для нагрева горячей воды. Этим же исключается возможность попадания хладоносителя в бак ГВС при работе теплового насоса в режиме охлаждения.

Трехходовой клапан для ГВС (поз. К.19) переключается только после достижения необходимого значения температуры теплоносителя для нагрева горячей воды. Для возврата в режим охлаждения после окончания процесса приготовления горячей воды теплоноситель также замыкается в «малом круге» с помощью переключающего «разгонного» клапана (поз. К.20). При снижении температуры наружного воздуха ниже заданного значения и / или при снижении мощности теплового насоса включается газовый конденсационный котел (поз. К.1). Нагретый теплоноситель от газового конденсационного котла проходит через встроенный трехходовой смесительный клапан теплового насоса. Таким образом, на выходе из теплового насоса достигается необходимая температура воды для системы отопления.

При достаточном уровне поступления солнечной энергии происходит дополнительный нагрев горячей воды в бивалентном баке ГВС Logalux SMH 400 EW теплом от гелиосистемы, состоящей из 3-х солнечных коллекторов Logasol SKN 4.0. В летний период солнечная установка может практически на 100% обеспечить дом горячей водой, при этом тепловой насос будет включаться очень редко (только в дождливые и пасмурные дни), что также позволит значительно сократить затраты на приготовление горячей воды летом.

Тепловой насос Logatherm WPL AR B разделен с конденсационным котлом (дополнительным источником тепла) с помощью гидравлической стрелки (поз. К.2). Он переводится в режим охлаждения в соответствии с программой «режима охлаждения», которую пользователь может самостоятельно запрограммировать, учитывая индивидуальные пожелания, а именно, в какой период времени летом тепловой насос должен обеспечивать дом холодом.

Как работает автоматика

Работа данной комбинированной схемы отопления / охлаждения организована на базе цифровой системы управления Buderus EMS Plus. Главный ее элемент – базовый модуль теплового насоса НС100А. Система регулирования обеспечивает погодозависимое управление системы отопления. Датчик температуры наружного воздуха подключается к плате базового модуля управления теплового насоса. Контуры отопления работают в двух режимах – отопления и холодоснабжения (охлаждения).

Для обеспечения работы газового котла в модулированном режиме применяется модуль МС 400. МС 400 соединяется с газовым конденсационным котлом Logamax plus GB172i по шине EMS Plus. Соединение модуля МС 400 с платой управления теплового насоса осуществляется через вход / выход 0-10 В. Таким образом, при снижении температуры наружного воздуха или для повышения тепловой мощности тепловой насос через сигнал 0-10 В выдает запрос на тепло к модулю МС 400, а по шине EMS Plus модуль МС 400 «передает информацию» котлу о том, сколько дополнительной энергии необходимо в данный момент.

В данной схеме гелиосистема нагревает воду только для ГВС. Управление гелиосистемой осуществляется функциональным модулем управления EMS Plus для гелиосистем – MS 100, который также подключается к главному регулятору теплового насоса НС 100А по шине EMS plus.

Гелиомодуль MS 100 обеспечивает управление частотным насосом гелиоконтура. В зависимости от интенсивности солнечного облучения и динамики роста температуры рабочей жидкости в гелиосистеме, которая измеряется датчиком гелиоколлектора, изменяется частота вращения насоса, тем самым обеспечивается оптимальная циркуляция жидкости в солнечном контуре и достигается наиболее эффективный режим работы гелиоустановки. Количество вырабатываемого тепла гелиосистемой может определяться в соответствии с алгоритмом предусмотренной в регуляторе программы (путем косвенных вычислений) или с помощью дополнительного теплового счетчика.

Теплый пол и фэнкойлы

Реализация системы отбора тепла в виде контура «теплого пола» и фэнкойлов позволяет использовать систему отопления в обратимом режиме – для охлаждения летом. Использование воды в качестве хладоносителя намного эффективнее, чем использование воздуха.

«Теплый пол» (в данном случае, летом – «холодный пол») к тому же охлаждает не только воздух в помещении, но и перегретые конструкции здания, которые затем служат неким аккумуятором холода, сглаживающим нестационарные температурные режимы. Данное решение – фэнкойлы и теплообменник на полу – из-за их «низкопотенциальной» особенности намного комфортнее, чем холодные струи от кондиционеров. Схема (см. рисунок) предусматривает подключение до 4-х независимых контуров.

Режим охлаждения для второго, третьего, четвертого контуров может быть задан при условии, что первый контур предусмотрен для режима охлаждения. Регулятор RC 100H имеет встроенный датчик комнатной температуры и датчик относительной влажности воздуха. Измеряя реальную температуру в помещении, RC 100H обеспечивает комфортные условия в доме как зимой, так и летом. Датчик относительной влажности контролирует, чтобы на стенах и на полу не образовывалась влага при работе теплового насоса в режиме охлаждения.

Однако следует помнить об особенностях работы всей системы для охлаждения. Принципиально возможны два различных режима работы:

  • режим охлаждения выше температуры точки росы, например охлаждение с помощью системы отопления пола;
  • режим охлаждения ниже температуры точки росы, например охлаждение с помощью фэнкойлов.

В режиме охлаждения температура поверхности системы отопления пола не должна опускаться ниже 20 °C. Чтобы обеспечить соблюдение критериев комфортности и избежать образования конденсированной влаги, необходимо учитывать граничные (предельные) значения температуры на поверхности пола.

Для контроля выпадения влаги (можно настроить нижний предел температуры вплоть до +5 °C) нужно устанавливать датчики температуры точки росы (до 5 штук) в критических местах, в которых может образовываться конденсат или, например, в подающий трубопровод системы отопления пола. Тогда можно предотвратить образование конденсата на полу даже при кратковременных колебаниях погодных условий. Датчики подают сигнал на отключение подачи теплоносителя (или теплового насоса) при образовании конденсата во избежание увлажнения конструкций здания и дискомфорта для обитателей.

Минимальная температура в подающем трубопроводе для охлаждения с помощью системы отопления пола и минимальная температура поверхности пола зависят от конкретных условий
микроклимата в помещении (температура воздуха и его относительная влажность). Следует учитывать эти факторы при проектировании. В частности, не рекомендовано применять охлаждение пола во влажных теплых помещениях, например в ванных комнатах и кухнях. Нужно предусмотреть отключение напольных контуров в них, когда тепловой насос работает в реверсивном режиме – на охлаждение.

Кроме того, для буферного бака-накопителя необходимо применять теплоизоляцию с высокой устойчивостью к диффузии водяного пара (что реализовано в модели Logalux P200/5W и других тепловых аккумуляторах этой серии с различным рабочим объемом).

При эксплуатации ниже температуры точки росы необходимо также полностью обеспечить теплоизоляцией с высокой устойчивостью к диффузии водяного пара все трубопроводы подключения. Выпадающий конденсат, например, в фэнкойлах, необходимо отводить в соответствии с действующими нормами.

Режим эксплуатации ниже точки росы, вообще говоря, технически возможен, но нежелателен для комбинированной системы отопления / охлаждения частного дома из соображений комфортности, его следует избегать.

Вопросы эффективности

Tabl_2

В таблице 2 приведены характеристики теплового насоса «воздух-вода» Logatherm WPL AR B производства фирмы Buderus, показанного на схеме (рис. 1), однако эта серия имеет намного более широкий модельный ряд. По таблице 2 можно оценить мощность и эффективность тепло- и холодопроизводительности. Она достаточно высока.

Таблица 2. Тепловой насос WPL 17 AR, мощностные характеристики согласно EN 14511
*) отношение холодопроизводительности к количеству потребленной энергии называется холодильным коэффициентом, или EER

Следует отметить, что в качестве основного теплоагрегата для отопления / охлаждения можно использовать рассольно-водяные и водно-водяные тепловые насосы. Они могут быть энергоэффективнее, иметь более высокий COP и EER и лучшие показатели затратности. Однако применение именно воздушно-водяногонасоса значительно экономит общие затраты на реализацию проекта. В этом случае нет никаких особых требований к размерам земельного участка, не требуется финансовых вложений в проектирование и получение разного рода разрешений на рытье канав, бурение и тампонаж скважин и прочее, что в случае рассольно-водяных и водно-водяных тепловых насосов может быть сопоставимо по затратам с ценой самого теплового насоса. В некоторых случаях (особенно в районах старой застройки или из-за геологических особенностей местности) обустройство скважин и геотермальных полей вообще может оказаться невозможным.

Тем не менее, место размещения наружного блока (ODU W, поз. К.18, см. рис. 1) воздушно-водяного теплового насоса должно соответствовать требованиям, указанным в документации производителя по проектированию. Это в основном касается направленности выхода вентилятора и расстояния от стены, граничащей с жилой комнатой, а также обустройства основания для наружного блока и теплоизоляции связующих трубопроводов.

Обычно систему отопления выбирают и рассчитывают «по теплу». В таком случае – возможность использовать комбинированную системудля охлаждения – это опция, дополнительная функция. Поэтому нужно обязательно проверить, будет ли достаточно холодопроизводительности теплового насоса для покрытия потребности по охлаждению помещений дома в жаркое время года.

Однако, подобно тому, как для покрытия пиковых тепловых нагрузок в данной схеме (см. рисунок) имеется конденсационный настенный газовый котел Logamax plus GB172i), точно так же и для обеспечения всех потребностей для охлаждения в жаркое время года потребуется дополнительная техника (например, широко распространенные сплит-системы).

Вообще говоря, общая экономическая эффективность реализации каждого проекта очень сильно зависит от правильности и точности проектирования системы с учетом всех локальных особенностей, а также от факторов, которые не видны на схеме. Например: длина трубопроводов и количество теплоизолированных участков, стоимость прокладки всех инженерных коммуникаций системы, расположение компонентов системы в конкретном доме и прочее.

Корректное практическое сравнение экономической эффективности применения комбинированной системы для отопления / охлаждения и раздельных систем требует очень большого количества идентичных параметров – одинаковость строения, одинаковые отапливаемые и охлаждаемые помещения, одинаковые системы распределения тепла, система вентиляции, та же ориентация по сторонам света, размеры окон и тип стеклопакетов, даже просто расположение окружающих деревьев и местность в целом.

Тем не менее, согласно техническим характеристикам теплового насоса Buderus и на основании экспериментальных данных, полученных при анализе работы уже реализованных систем тепло- холодоснабжения в соответствии с данной схемой, снижение затрат на охлаждение дома может быть достигнуто в три и более раз.

Что ни говорите, а глобальное потепление дает о себе знать. В Финляндии автору статьи не так давно показали вполне современный, хорошо теплоизолированный дом, построенный всего десяток лет назад. И сообщили, что из всех затрат на энергию для этого дома примерно 15 % расходуется на отопление и ГВС, еще пять – на все прочие инженерные системы, включая освещение, а 80% тратится… на охлаждение помещений летом обычными электрическими кондиционерами. В Финляндии. В стране Деда Мороза и белых ночей.

Согласитесь, что возможность снизить летний счет за дорожающую электроэнергию минимум втрое, причем за счет использования энергии солнца, воздуха и воды, к тому же путем эффективного круглогодичного использования… системы отопления и подготовки горячей воды, – весьма заманчиво, разумно и практично.



Оставьте комментарий