Частный дом: схемотехника эффективных решений

Д. Лейнов

Дорогие читатели, редакция продолжает публиковать статьи по тематике схемных решений для различных объектов. В данном материале рассмотрено решения для частного дома. Материал предлагается, прежде всего, вниманию инженеров и специалистов, стремящихся создавать высокоэффективные решения

Многолетний опыт на рынке проектных и монтажных услуг показал, что сейчас крайне мало уделяется внимания схемотехнике. Очень многие считают, что главное – правильно подобрать оборудование, в меньшей степени думают, как обеспечить грамотное соединение оборудования, чтобы оно работало как единая система, как решение. Немногие из инженеров-проектантов задумываются над тем, что одно и то же оборудование можно соединить таким образом, что возникнет синергетический эффект. Что тепловой насос сможет давать больше тепла, а потреблять меньше электроэнергии, что солнечный коллектор прибавит в генерации, а также о том, как можно меньшими затратами добиться большего результата. Что самый обычный геотермальный насос, СОР которого производитель декларирует 5,5–6, может на самом деле выйти на показатель 11,4. И все это можно достичь только за счет правильного схемного решения при одном и том же основном оборудовании.

Договоримся об обозначениях

Правильная терминология, сокращения и удобные обозначения помогут быстро и грамотно читать схемы. Многолетний опыт позволяет автору предложить следующую логичную систему обозначений на схеме, которая позволяет с первого взгляда понять основную идею технического решения, принятого для данного объекта.

В основу системы обозначений положена стоимость сгенерированного киловатта. Чем она больше, тем больше порядковый номер системы. Например, самый дешевый киловатт – от солнца, а самый дорогой – от электросети. Понятно, что это все достаточно условно, и каждый для себя может выбрать другие критерии.

Системные обозначения

Пример обозначения на схеме:

2Ао-1,

Где:

2 – номер системы;
Ао – обозначение оборудования;
1 – порядковый номер на схеме.

Схемы, которые будут публиковаться на этих страницах в качестве иллюстраций, приводятся исключительно в ознакомительных целях. Их не следует применять к другим конкретным объектам, как минимум, творчески их не переработав. Следует четко понимать, что на принципиальной схеме показаны только принципы решения той или иной задачи, которую необходимо решить на данном конкретном объекте, используя данное, конкретное оборудование. Цель демонстрации подобных схем – заставить задуматься над эффективным схемотехническим решением.

Системные сокращения

Для примера, здесь приведена схема топочной загородного дома. Заказчик проводил реконструкцию, и одним из его непременных условий было – использовать уже имеющееся основное оборудование. Это: твердотопливный котел, буферная емкость, трубчатые солнечные коллекторы. Еще одной особенностью объекта было требование заказчика организовать в доме «шубохранилище». Это термоизолированное помещение, для летнего хранения меховой одежды, объемом в 22 м³ и с потребляемой мощностью в 5,4 кВт по холоду.

Принципиальная схема источников тепла и холода

Анализ объекта

Анализ объекта показал, что на объекте имеются следующие строения (строятся или уже существуют):

• Дом основной (реконструкция – увеличение площади и объема), 806 м².
• Домик персонала (включая дровяной склад, зимний птичник, один из гаражей), 256 м².
• Домик сторожа (он же гостевой дом, плюс неотапливаемый гараж), 106 м² отапливаемой площади.

Расстановка (расположение) оборудования было спроектировано следующим образом:

Топочная домашняя (основной дом): три тепловых насоса (2И1, 2И2, 2И3), послойная аккумулирующая емкость (0Бк-1), одна комбинированная емкость (0Бк-2), комбинированный бак (2Бк-1) предназначался для обеспечения буферизации «холода» в летний период, газовый котел (4И-1). На кровле – солнечные коллекторы (1И-1 и 1И-2).

Топочная в домике для персонала – твердотопливный котел (3И-1) и комбинированная буферная емкость (3Бк-1).

Гостевой дом предполагалось отапливать от общей топочной или (в перспективе, при организации небольшой теплицы) от местной топочной на твердотопливном котле (в данный проект не входит).

Основным источником тепла являются тепловые насосы (2 шт.), которые работают:

• Летом – на охлаждение (в зависимости от нагрузки – в активном или пассивном режиме) два тепловых насоса, а один – обеспечивает холодом шубохранилище. Так же все три тепловых насоса работают на приготовление ГВС, при необходимости.
• Зимой – на отопление и ГВС. Газовый котел используется как аварийный источник, на случай отключения внешней электрической сети и переходе объекта на электроснабжение от собственного электрогенератора, когда эксплуатация тепловых насосов будет экономически менее выгодна в виду дороговизны автономной электрической энергии.

Твердотопливный котел (при отключении электроэнергии) запускается персоналом вручную, и, по мере выхода на мощность, начинает подавать тепло в основную топочную. Это происходит за счет применения реверсивного узла с насосом 3Н-2. Данное оборудование (пеллетный твердотопливный котел) давал возможность включать его автоматически, но критерием целесообразности пуска, в этом случае, принимается длительность отключения внешней сети. А этот критерий не поддается автоматической обработке.

Реверсивный узел с насосом работает следующим образом. При работе на «низкотемпературном» режиме (т.е. от тепловых насосов) 3Н-3 подает воду в верхнюю часть 3Бк-1, а если включается твердотопливный котел 3И-1, то за счет переключения трехходовых клапанов 3Атп-1 и 3Атп-2, он начинает подавать теплоноситель из 0Бк-2 в нижнюю часть 3Бк-1, тем самым обеспечивая поток теплоносителя от твердотопливного котла в основную топочную.

Работа солнечных коллекторов в схеме предусматривается в обычном режиме – от них поступает тепла столько, сколько позволяют погодные условия в данное время. То есть, как только температура на коллекторе становится выше температуры в баке, включаются соответствующие насосы 1Н-1, 1Н-2, 1Н-3. Тут следует отметить, что 0Бк-1 (послойный), поэтому его греют более эффективные солнечные коллекторы – новое оборудование. А имеющиеся трубчатые коллекторы были не столь эффективны в силу многих причин, которые не зависели от разработчика схемы. (Возможно, что имеющиеся солнечные трубчатые коллекторы довольно долго пребывали в режиме стагнации и потому несколько потеряли свою эффективность.)

Приведенная схема достаточно подробно иллюстрирует, как именно функционирует примененное оборудование. Однако более подробно можно остановиться на применении 2И-3 для охлаждения «шубохранилища».

Основными элементами, дающими тепло(!) от внешнего источника в контур теплового насоса являются два фэнкойла, установленные в помещении шубохранилища. Как только в помещении температура поднималась до -9°С, включались верхний и нижний фэнкойлы, соединенные между собой последовательно, которые выключались при снижении температуры до -11°С. Трехходовой смесительный вентиль 2Атр-8 не позволял теплоносителю остывать ниже -13°С, что выполняет роль своеобразной защиты теплового насоса от слишком низкой температуры внешнего контура. При включении фенкойлов автоматически включался и тепловой насос. А трехходовой переключающий вентиль 2Атп-3 оставался только в положении «на ГВС». Это обусловлено тем, что в летний период не предусматривалось производство тепла для режима отопления. Таким образом, «холод» для шуб летом получался за счет нагрева горячей воды.

Трехходовой переключающий вентиль 2Атп-9 предназначается для переключения режимов работы насоса в летний период на режим ГВС. То есть, если тепловые насосы работают в режиме холода (неважно активного или пассивного), а (при отсутствии солнца) возникает потребность в ГВС, то тепловые насосы смогут отработать в таком режиме. На схеме отмечена ручная арматура, которая необходимо переключать при изменении режимов «Зима» или «Лето», то есть, положение при переходе из режима «отопление» в режим «охлаждение». Эта процедура должна производиться два раза в год, при сезонном переходе с режима на режим. Конечно, сезонное переключение можно автоматизировать, но такое решение повлекло бы за собой удорожание схемы без особой необходимости.

Трубная обвязка бака 2Бк-1 требует пояснений. Температурный режим по «холоду» для оборудования был в режиме [+10°С; +15°С]. А температура поступающей из скважины воды не поднимается выше +10°С. Пропуская холодную воду через теплообменник бака (теплообменник выполнен из нержавеющей стали, что и позволило организацию данного режима) происходит предварительный нагрев холодной воды и некоторое охлаждение теплоносителя. Это служит некоторой поддержкой тепловым насосам, работающим в режиме «холод».

Эффективность такого решения обусловлена тем, что среднесуточная потребность холодного водоснабжения – 0,6 м³. На объекте есть открытый бассейн, который подогревается летом и частично в весенне-осенний период, чтобы продлить период его использования. Бассейном пользуются весьма активно. Возле бассейна установлен открытый душ.Таким образом, в летний период расход ХВС достигал 1 м³/сутки.

Особенности системы

На данном объекте система климатизации относится к т. н. «системам активного утепления».

Подобные системы довольно экономичны. Для справки, затраты тепловой энергии на отопление по данному объекту (только дом – 806 м², без других построек) составляют всего 13 кВт. Это компенсация теплопотерь.

Отдельно – затраты на вентиляцию. Здесь применена вентиляция с рекуперацией, и она работает на полную мощность только иногда, в режиме «вечеринки» (когда много гостей, используется танцзал).

Разумеется, в доме имеется комфортный «теплый пол» в санузлах и в помещении предбанника, использована труба REHAU. Никаких других отопительных приборов больше в доме не предусматривается.

Кондиционирование, разумеется, производится за счет системы «активного утепления». Поэтому обвязка насоса 0Н-5 и выполнена таким особенным способом. Теплоноситель в этой системе периодически меняет направление (система «активного утепления» укладывается по внешней стене дома меандром), поэтому желательно менять направление движения теплоносителя, чтоб выравнивать температурные поля на внешних стенах.

Автоматика и электропитание

Для бесперебойности электроснабжения, на объекте установлен дизельный генератор с автоматическим пуском. Время запуска и выхода на режим у генератора – 10-15 с. За это время каких-то серьезных сбоев оборудования не наблюдалось. Тепловые насосы и оборудование шубохранилища не запитаны от генератора.

На данном объекте применена комбинированная автоматика. Работа систем 1,2,3,4 обеспечивается своей фабричной (родной) автоматикой. Но для оборудования, которое не входит в сферу управления «заводской» автоматики, предусмотрена своя автоматика, выполненная на базе свободно программируемого контроллера. Увязка всей системы производится по логике изменения температуры теплоносителя.

Тепловые насосы, имеют уставку по верхней и нижней температуре, по датчикам, расположенным в 0Бк-1. Верхняя уставка по баку была выставлена на температуру +40°С, а температурный режим потребителя (кроме вентиляции и комфортных теплых полов) не превышает +30°С. Если, допустим, происходит обесточивание, то тепловые насосы не работают. Естественно, через какое-то время температура в 0Бк-1 начинает падать. При снижении температуры в баке до +35°С запускается газовый котел, который работает от датчика температуры, размещенном в 0Бк-1, и подключенному в режиме, комнатного термостата. При этом не наблюдается никакого тактирования (частого пуска / отключения) благодаря достаточно большой тепловой инерционности бака.

Вентиляционная установка, как потребитель, работает с теплоносителем [+ 30°С; + 50°С]. Когда нагрузка на вентиляцию незначительна, например снаружи не слишком холодно или нет гостей, то теплоноситель подается с температурой ниже необходимой (около +40°С) Мы преднамеренно пренебрегаем уровнем температуры. Она компенсируется температурой стен (их большой тепловой емкостью). Вентиляционная установка работает по управляющему сигналу – концентрации СО.

Когда возникает потребность увеличения температуры подачи на теплообменники вентсистемы, для газового котла формируется сигнал (параллельно датчику температуры в 0Бк-1) с одновременной сигнализацией на «пульт». И уже заказчик может сам решить – оставить ли ему пока в работе газ или пора растопить твердотопливный котел. Реверс 3Н-2 осуществляется по контролю температур (сравнение в верхних точках 3Бк-1 и 0Бк-2). Где она больше – оттуда и отбирается тепло. Однако, опыт эксплуатации в течение двух лет, показал, что газовый котел так ни разу в этом режиме и не включался.

Температурный режим работы тепловых насосов на отопление +40°С. Этот температурный режим позволяет существенно снизить потребление электрической энергии тепловыми насосами. Начиная с середины марта, солнечные коллекторы уже вполне справляются с нагрузкой отопления и ГВС. В первые два года эксплуатации включения тепловых насосов днем не наблюдалось.

Об эксплуатационных издержках

Для резервирования мощности по теплу в 3Бк-1 предусмотрен ТЭН мощностью 6 кВт. Несмотря на то, что было предписано включать это устройство только в качестве дополнительной поддержки основных источников тепла. Однако, обслуживающий персонал упрямо включал электронагреватель, вместо того, чтоб запускать котел, что приводило к тому, что система грелась за счет дорогого электричества. Это можно назвать «эксцессом исполнителя».

Итак, некоторые итоги:

1. Не надо бояться разных температурных режимов работы оборудования. Есть несколько способов включить в параллельную работу тепловой насос и, например, твердотопливный котел, без схемных конфликтов. Это особо актуально для «бивалентных» топочных систем.
2. Перед реализацией нужно проанализировать «стандартные» схемы совместного подключения оборудования, предлагаемые в справочниках и рекомендациях производителей. Нужно адаптировать схему к конкретным условиям работы. Практически всегда имеется возможность обоснованно усовершенствовать систему.
3. Надо стараться как можно больше использовать ту энергию, которая доступна в каждом конкретном случае.

Автор приглашает к дискуссии специалистов для обсуждения специфики работы данной, а также других схем, на страницах мультимедийного издания AW-Therm в социальных сетях.

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

Переглянуто: 5 434