ГВС от теплового насоса: расчет

Рис. 1. Моновалентный режим нагрева воды

При применении моноэнергетического режима (рис. 2) тепловой насос также является единственным источником тепла для нагреваГВС до номинальных 60°C, но максимальную температуру подачи обеспечивает электронагревательная вставка в емкостном накопителе. Это наиболее эффективный способ нагрева горячей воды. Здесь же учитываются расходы электроэнергии и на циркуляцию ГВС.

Рис. 2. Моноэнергетический режим нагрева воды

В бивалентном режиме (рис. 3) тепловой насос несет основную нагрузку по нагреву воды, а второй теплогенератор покрывает только пиковые нагрузки. Эта схема очень эффективна при неравномерной нагрузке ГВС. Однако здесь высоки капиталовложения и затраты на обслуживание дополнительного теплогенератора. Один из наиболее эффективных вариантов применения тепловых насосов в наше время – использование насосов тип «воздух/вода» для систем с большим расходом горячей воды на протяжении суток, а также для тех систем, где график потребления горячей воды меняется в разные дни на протяжении недели или даже всего года. Например, детский сад, школа или офисное здание. В таких системах горячая вода расходуется в рабочие дни, а в выходные дни потребление воды минимальное иливообще отсутствует. При этом тепловой насос следует выбирать такой мощности, чтобы в теплое время года он обеспечивал необходимый расходгорячей воды на 100%, а в отопительный период, при низких наружных температурах, когда мощность и эффективность работы теплового насоса снижаются, он работал для предварительного нагрева горячей воды.

Рис. 3. Бивалентный режим

При проектировании подобных систем, для их эффективной и экономичной работы, очень важно учитывать зависимость коэффициента эффективности теплового насоса СОР от температуры подачи. Чем выше температура подачи теплового насоса, тем ниже у него коэффициент эффективности СОР. Например, при температуре наружного воздуха +20°С и подаче +35°С, коэффициент СОР теплового насоса составляет порядка 4, а при подаче +65°С – примерно 2,7.

Можно построить простую систему с тепловым насосом, который работает на нагрев бака запаса горячей воды с поддержанием в нем постоянной температуры, например, +50°С. При этом тепловой насос будет работать с постоянно высокой температурой подачи и соответственно, с минимальной эффективностью – с коэффициентом СОР порядка 2,7. Или можно построить другую систему, более эффективную с точки зрения работы теплового насоса. Например, система для детского сада, где суточный расход горячей воды составляет 4000 л. Можно установить баки запаса горячей воды расхода воды, до необходимой температуры, а потребление воды будет проходить на протяжении дня без подмеса холодной воды. Таким образом, среднее значение коэффициента СОР за время разогрева баков от +10°С до +55°С составит примерно 3,5.

Емкостные водонагреватели

Емкостный водонагреватель должен соответствовать определенным требованиям, чтобы работать с тепловым насосом: мощность греющего змеевика в водонагревателе и поверхность его теплообмена должны точно соответствовать мощности теплового насоса.

Так как тепловые насосы работают с более низкой температурой подачи, чем традиционные котлы, то и теплопередача на греющем змеевике водонагревателя из-за небольшой разницы температур также будет меньше.

Установлено, что для передачи одного киловатта мощности площадь теплообменика должна составлять не менее 0,25 м². У тепловых насосов типа «воздух/вода» без регулирования мощности компрессора, максимальная тепловая мощность будет летом, когда будут максимальные температуры наружного воздуха. Кроме того, должна быть обеспечена возможность передачи большого количества тепла в период максимального водоразбора.

Спиральный теплообменник не располагается до верхней части накопительной емкости, потому что низкая температура подачи теплового насоса способна несколько охладить верхнюю часть объема с максимальной температурой, которую обеспечивает второй теплогенератор или электронагревательная вставка.

В компактных тепловых насосах поверхность теплообменника и объем накопительной емкости уже оптимально подобраны, чтобы упростить процесс проектирования.

Если есть необходимость в больших расходах горячего водоснабжения или применяются тепловые насосы большой мощности – целесообразно использовать емкостные накопители с внешними теплообменниками (рис. 4).

Рис. 4. Система с тепловым насосом и емкостным накопителем с внешним теплообменником

Для эксплуатации емкостного накопителя совместно с тепловыми насосами разработаны так называемые загрузочные трубки. При их использовании скорость подачи горячей воды в объем накопительной емкости замедляется, что позволяет осуществлять послойную загрузку ламинарным потоком. Это необходимо, так как испаритель теплового насоса работает с малым перепадом температур.

Температура и гигиена

При проектировании внутренних систем ГВС из гигиенических соображений требуется соблюдать основное требование: емкости запаса горячей воды должны быть как можно меньше для данной системы, чтобы обеспечивался постоянный полный расход горячей воды. Чем меньше объем накопительных емкостей, тем более производительными должны быть теплогенераторы.

Современные отопительные устройства с большим модуляционным диапазоном мощности позволяют соблюсти эти условия и подобрать оптимальные устройства без больших инвестиционных затрат.

При ограниченной мощности теплового насоса пиковые нагрузки будут покрываться теплом из емкостных накопителей, поэтому необходимо соблюсти эти необходимые условия эксплуатации при проектировании.

Рабочий документ DVGW-W551 определяет различные гигиенические аспекты установок малой и большой мощности. К установкам малой мощности относят оборудование для индивидуальных домов и коттеджей с объемом накопительной емкости около 400 л и объемом теплоносителя в системе внутренних соединительных магистралей между емкостным накопителем и источником тепла не более 3 л.
Многоквартирные дома, офисные помещения и муниципальные объекты относятся к установкам большой мощности, с объемом емкостей более 400 л и водосодержанием в каждой соединительной магистрали более 3 л.

Предписания норм Евросоюза требуют соблюдения для установок большой мощности уровня температуры не менее 60°C в накопителе ГВС. Температура обратки в циркуляционном контуре должна быть не менее 55°C. Для установок малой мощности подразумевается поддержание температуры на выходе 60°C. Тепловые насосы стандартного исполнения, работающие на обычном хладагенте, достигают максимальной температуры подачи между 55°C и 65°C. При максимальной температуре подачи 55°C температура ГВС составляет 48°C, а при температуре подачи 65°C – максимум 58°C. Для удовлетворения гигиенических требований температура ГВС многоквартирных домов должна быть на выходе из накопителя не менее 60°C. Это можно осуществить с помощью бивалентной схемы (второго источника тепла) или специальными тепловыми насосами с температурой подачи 75°C или прямым электрическим нагревом.

Расчет потребности в ГВС

Для оценки потребности в европейской практике существует несколько подходов. Для жилого сектора расчет проводится согласно немецкого строительного стандарта DIN 4708, ч. 2. Учитывая санитарно-бытовое оснащение квартир в многоквартирном доме или количество индивидуальных коттеджей, а также число проживающих и возможность одновременного открытия точек водоразбора, определяется потребительский индекс N. Этот показатель, наряду с производительностью котла и выходной характеристикой NL накопителя определяет основу проектирования горячего водоснабжения объекта.

Однако надо учитывать, что, к примеру, NL горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов отличается от аналогичного показателятрадиционных отопительных котлов.

Поэтому, в первую очередь, необходимо обращать внимание на такие важные факторы, как: суточный расход воды, максимальный (пиковый) расход, возможные потери и тепловая производительность выбранного теплового насоса для режимов отопления и ГВС.

Мощность приготовления горячей воды должна обеспечивать приоритет ГВС перед режимом отопления. Для определения полной нагрузки теплоснабжения необходимо, в первую очередь, рассчитать отопительную нагрузку. После этого определяют реальную нагрузку в период максимального водоразбора с учетом одновременного открытия точек водоразбора. Для европейского потребителя эти нормы представлены в EN 15450, глава E, на примере семьи из трех человек. С учетом величины максимальной нагрузки ГВС определяют пиковую производительность теплогенератора и максимальный объем накопительной емкости. Приблизительно устанавливается показатель ежесуточной потребности в горячем водоснабжении на 1 человека равный 1,45 кВт·ч. При расчете температуры подачи 60°C это соответствует 25 литрам на человека ежедневно. Зависит водоразбор и от нужд, на которые расходуется горячая вода (табл. 1), а также времени суток (табл. 2).

Таблица 1. Расходы ГВС и их соотношение (согласно EN 15450)

Таблица 2. Средний расход на 1 семью (без ванны, 100 литров при 60°C)

Определение максимального расхода

Общая потребность в необходимой энергии за используемый период QDPB (кВт∙ч) определяется так:

Q_DPB = N_NE ∙ QD_PBNNE,

где Q_DPBNNE – потребность в единице энергии за выбранный период в кВт∙ч; N_NE – количество пользователей с одинаковым потреблением.
Исходя из общей потребности в энергии, рассчитывается количество энергии непосредственно для нагрева питьевой воды (энергии для ГВС) для используемого периода V_DP (л):

где с_w – удельная теплоемкость (для воды равен 1,163 Вт∙ч/кг∙K); t_soll – заданная температура горячей воды; t_cw – температура холодной воды.

При расчете потребления энергии необходимо также учитывать потери тепла через теплоизоляцию и от подмешивания холодной воды.

Потери рассеиванием через теплоизоляцию указаны в технической документации накопительной емкости.

Как правило, величину потерь при подмешивании холодной воды и снижения полезного объема накопительной емкости принимают в пределах 15–20% от номинального объема емкости.

Таким образом, минимальный объем накопительной емкости V_Sp-мин (л) рассчитывается по формуле:

V_Sp-мин = V_DP ⋅ 1,15,

где 1,15 – 15% потери при перемешивании с холодной водой.

Следующим шагом является расчет необходимой мощности теплового насоса для горячего водоснабжения Q_WP (кВт). Этот расчет является необходимым для определения нагрузки ГВС за выбранный период водоразбора.

где V_Sp – объем накопительной емкости (л); T_aufh – время разогрева емкостного водонагревателя.

Если время разогрева водонагревателя небольшое, то необходимо, исходя из максимальной производительности теплового насоса, определить следующее: увеличивать объем накопительной емкости либо использовать дополнительный теплогенератор? Второй вариант является более предпочтительным, особенно для многоквартирных домов с большими пиками водоразборов, чем увеличение первичной мощности теплового насоса, влекущей за собой повышение инвестиционных издержек.

При определении максимальных периодов водоразбора производится расчет мощности теплового насоса для ГВС Q_WP (кВт), исходя не только из номинальной нагрузки в течении дня, но и с учетом пикового поправочного числа.

Q_WP > Q_DPT⋅N_NE.

где N_NE – поправочное число периода максимального водоразбора; Q_DPT – мощность дневного потребления в кВт.

Таким образом, этапы оценки включают:

1. установка профиля нагрузки;
2. установка потребности в энергии для самого длительного периода;
3. расчет теоретического объема накопительной емкости для самого длительного периода;
4. определение реального объема с учетом теплопотерь через изоляцию и с подмеса;
5. определение необходимой мощности теплового насоса на отопление;
6. проверка соответствия мощности насоса периоду максимального водоразбора.

Упрощенный подход

Для коттеджей со стандартным санитарным оборудованием расчет мощности теплового насоса можно провести по упрощенной схеме: на 1 человека ежедневно принимается 25 л (60°C). Согласно минимальному объему рассчитывается температура подачи. Таким образом, объем накопителя (общий) в литрах:

V_Sp = V_tsoll.

Требуемый объем ГВС при tsoll (л):

где V_DP60 – требуемый объем ГВС при 60°C в литрах.

Пример расчета

Для примера возьмем дом, где есть 6 точек водоразбора. Период максимального расхода энергии приходится с 20:30 до 21:30 часов – в это время каждая точка потребляет 4,445 кВт∙ч энергии для горячего водоснабжения. Эти данные будем учитывать при проектировании: Q_DPBNE = 4,445 кВт∙ч; N_NE = 6; Q_DPB = 6 ⋅ 4,445 = 26,67 кВт∙ч.

Потребность в первичной энергии для выбранного периода составляет 26,67 кВт∙ч; c_w = 0,001163 кВт∙ч/кг ⋅ K; t_soll = 60°C; t_cw = 10°C.
На основании этого:

Потребность в количестве питьевой воды для ГВС для выбранного периода составляет 459 л.

Учитывая 15 % потери при подмесе, рассчитываем требуемый минимальный объем накопительной емкости:

V_Sp-мин = 459 л ⋅ 1,15 = 528 л.

На основании проведенных расчетов можно предложить два варианта компоновки систем.

Вариант №1 подразумевает применение накопителя с внутренним теплообменником (рис. 5). В данном случае используются 2 накопительные емкости, по 390 л каждая. Согласно техническому паспорту потери через теплоизоляцию составляют 2,78 кВт/24 ч. Эти накопительные емкости предполагают возможность получения требуемых 60°C на выходе с помощью электронагревательной вставки в верхней части накопительной емкости.

Рис. 5. Параллельно подключенные емкости

Для расчета возьмем период водоразбора между 9 и 19 часами: T_aufh = 11,5 часов.

Таким образом, необходимая тепловая мощность потребления в указанный период рассчитывается по формуле:

Этот показатель составляет 3,94 кВт.

Сопоставим его со среднесуточным потреблением Q_DPT = 11,445 кВт∙ч/24 ч.

То есть 3,94 кВт > 2,86 кВт.

В варианте №2 можно использовать бак с внешним теплообменником (рис. 6). Здесь используется 750-литровая накопительная емкость. Согласно технического паспорта, тепловые потери составляют 3,2 кВт/24 ч.

Температура на выходе из накопительной емкости такого объема должна быть не менее 60°C по гигиеническим требованиям. Поэтому необходим догрев вторым теплогенератором или ТЭНом.

Рис. 6. Накопительная емкость с внешним теплообменником

Упрощенный расчет производится исходя из количества пользователей. Например, на коттедж, в котором проживают 4 человека необходимо: 4 человека ⋅ 25 л ⋅ 2 = 200 л (60°C).

Исходя из этого:

Таким образом, при 50°C объем накопительной емкости равен 250 л.

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

Переглянуто: 27 146