Климатизация и энергообеспечение пассивного дома: технические аспекты

Б. Басок, А. Недбайло, И. Божко, М. Ткаченко

Современное энергоэффективное строительство нуждается в разработке и внедрении комбинированных систем теплообеспечения на основе возобновляемых источников энергии. В данной статье рассматриваются технические решения для системы теплообеспечения и поддержания климата в пассивном доме в режиме круглогодичной работы, что позволяет значительно повысить ее энергоэффективность

Современные мировые тенденции повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения в целом направлены на использование природных возобновляемых источников энергии, рекуперацию и использование вторичных энергоресурсов, децентрализацию источников теплоснабжения, а также переход на низкотемпературные отопительные системы. Новейшие системы теплообеспечения энергоэффективных (пассивных) зданий во многих случаях выполняются комбинированными, с высокой степенью автоматизации управления процессами поддержания параметров температурно-влажностного режима и переключением между подсистемами, оптимальными в данный момент.

Достижение параметров пассивного здания (напомним, это здания, где потери тепловой энергии с квадратного метра (кВт·ч/м2) в год или в отопительный период в среднем составляют не более 10–40 кВт·ч/м2) обеспечивается сочетанием архитектурно-строительных приемов и технологических особенностей устройства систем поддержания комфортных санитарно-гигиенических условий в помещениях различного назначения.

Имплементация энергоэффективных технологий низко- и среднетемпературных систем теплоснабжения помещений с использованием возобновляемых альтернативных источников энергии (низкопотенциальной теплоты грунта, атмосферного воздуха, водоемов, сбросной теплоты промышленных предприятий) на основе тепловых насосов различных типов предоставляет возможность комплексного решения проблемы теплоснабжения и климатизации различных зданий. Такие технические решения обеспечивают значительное снижение затрат на эксплуатацию, экологически приемлемы, существенно снижают потребление дорогостоящих энергоносителей (например природного газа) или замещают их на менее дорогие. Кроме того, подобные системы предусматривают рациональное использование электроэнергии благодаря многозонной суточной тарификации.

Тепловые насосы в настоящее время стали реальной альтернативой использованию в качестве источников энергии различного органического топлива – на повышение температурного потенциала (трансформацию) одной единицы теплоты теплонасосная установка может затрачивать втрое меньше электроэнергии, чем традиционные обогреватели. Объемный сезонный аккумулятор теплоты (в т.ч. грунтовый) также может стать одним из дополнительных источников теплоты в холодный период года.

Рабочий прототип

При разработке комплексных решений по энергообеспечению пассивного дома общей площадью 300 м2, который служит в качестве прототипа энергоавтономного здания (или «дома с нулевым потреблением от внешних энергосетей», Zero-energy), в Институте технической теплофизики НАН Украины (ИТТФ НАН Украины) были использованы оригинальные подходы и предложения ряда предыдущих проектов.

При проектировании и строительстве данного испытательного пассивного дома расположение ограждающих конструкций было выбрано в строгом соответствии с наиболее выгодной ориентацией по сторонам света, использованы определенные архитектурные приемы для минимизации тепловых потерь через ограждающие конструкции.

Наружные стены были изготовлены из комбинаций различных строительных материалов (конструктивно стена представляет собой многослойную панель с утеплителем из пенополистирола). Односкатная крыша ориентирована на юг под углом 33˚ к горизонту. Для повышения теплового сопротивления светопрозрачных конструкций были применены сдвоенные оконные системы из трехкамерного профиля толщиной 60 мм и двухкамерных стеклопакетов со стеклами с низкоэмиссионным покрытием. Наружные ограждающие конструкции рассматриваемого пассивного дома имеют следующие коэффициенты теплопередачи: наружные стены – от 0,09 до 0,13 Вт/(м2·°С); окна – 0,26 Вт/(м2·°С); крыша – 0,21 Вт/(м2·°С); пол цокольного этажа – 0,35 Вт/(м2·°С).D_1

Рис. 1. Пассивный дом: с фасадным утеплением ограждающих конструкций и вспомогательными инженерными системами

Составляющие объекта

На данном объекте были реализованы: автономная комбинированная теплонасосная система теплообеспечения (мощностью 6 кВт) с использованием возобновляемой теплоты грунта и грунтовых вод; система принудительной приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией теплоты; резервная радиаторно-конвекторная система обогрева здания на основе твердотопливного котла (мощностью 12 кВт) и печи; система электрообеспечения оборудования здания (потребляемой мощностью до 3 кВт) с использованием фотовольтаических панелей двух типов (мощностью до 3,2 кВт) и отдельно расположенного ветрогенератора (мощностью до 4 кВт).

Также были предусмотрены:

  • солнечные тепловые и фотовольтаические коллекторы на крыше дома и на прилегающих к ней пилонах;
  • тепловой насос, сезонные объемные баки-аккумуляторы теплоты (водяной и парафинсодержащий), твердотопливный котел, размещенные в цокольном этаже дома;
  • водозабор технической воды для хозяйственно-бытовых нужд из скважины глубиной 38,3 м на территории объекта;
  • системы водяного (в т.ч. капиллярного) отопления типа «теплый пол» и «теплая стена»;
  • электрокабельные и термопленочные системы напольного и настенного отопления в отдельных помещениях;
  • воздушная система отопления и кондиционирования на основе воздухо-водяных теплообменников (фэнкойлов);
  • воздушная «тепловая завеса» фрагментов фасада здания и рекуперативная система вентиляции с использованием многоходовых грунтово-воздушных теплообменников.

Гидравлическая схема системы теплоснабжения приведена на рис. 2. Основной подход при ее разработке – обеспечить многовариантность эксплуатации системы с выбором источника теплоснабжения и отдельных отопительных приборов и систем для сравнения их энергоэффективности. При этом возможна эксплуатация системы в разных режимах в зависимости от тепловых потерь здания или теплопритоков в различные сезоны. Фотографии фрагментов систем теплообеспечения на основе теплового насоса, котла и печи показаны на рис. 3.

D_2

Рис. 2. Принципиальная гидравлическая схема комбинированной системы теплоснабжения пассивного дома

D_3Рис. 3. Фотографии фрагментов систем теплообеспечения на основе теплового насоса, котла и печи:
а) – гидравлическая система коммутации источников теплоты; б) – твердотопливный котел и печь; в) – грунтово-воздушный теплообменник и грунтово-жидкостный коллектор; г) – гребенка распределения теплоносителя по контурам отопления; д) – Г-образные контуры водяной системы типа «теплый пол»; е) – фрагмент коллектора и капиллярных труб водяной системы «теплый пол»

Сезонные особенности

Принято считать, что среднесуточная температура наружного воздуха в летний период не опускается ниже +21°C. Основная задача климатизации в это время – кондиционирование воздуха в помещениях. Системой теплообеспечения предусмотрено два независимых варианта кондиционирования. Основная схема кондиционирования использует грунтово-воздушные теплообменники, выполненные из поливинилхлоридных труб наружным диаметром 110 мм. Прокачиваемый по трубам с помощью осевого вентилятора наружный воздух охлаждается в грунтовом массиве (приблизительно до +8°C) и направляется на рекуператор системы вентиляции – таким образом осуществляется централизованное кондиционирование всего дома.

Дополнительно предусмотрена возможность зонального кондиционирования отдельных помещений за счет установки вентиляторных воздухо-водяных доводчиков (т. н. фэнкойлов). Подключение фэнкойлов и рекуператора системы вентиляции осуществляется через насос с регулируемым приводом для перекачивания охлаждающей воды.

Вторая задача, выполняемая системой теплообеспечения в летний период, – приготовление горячей воды и восстановление теплового состояния грунтового аккумулятора теплоты. В качестве основного источника теплоты для обеспечения горячего водоснабжения применены тепловые солнечные коллекторы, установленные на пилонах дома. Холодная вода из скважины поступает на станцию повышения давления и далее закачивается в баки-накопители холодной и горячей воды. В данном случае это бойлер косвенного нагрева с водяной «рубашкой» и встроенным электрическим нагревателем. В его внутреннюю секцию поступает холодная вода из станции повышения давления. Во внешнюю секцию поступает нагретый в солнечных коллекторах раствор антифриза. Приготовление горячей воды происходит за счет теплообмена между секциями. После заполнения обоих баков станция повышения давления автоматически отключается для экономии электроэнергии. В случае, когда нет поступления солнечной энергии и происходит остывание горячей воды, в баке-накопителе автоматически включается электрический нагреватель.

При профиците теплоты, полученной от солнечных коллекторов, нагретый водный раствор пропиленгликоля прокачивается через пластинчатый теплообменник и, подогревая воду, восстанавливает тепловое состояние грунтового аккумулятора теплоты (массива грунта). В переходный и зимний периоды грунтовой аккумулятор теплоты используется в качестве низкопотенциального источника теплоты для теплового насоса.

В переходный период, то есть в такое время года, в течение которого среднесуточная температура наружного воздуха колеблется в пределах от +8 до +21°C, основными задачами являются работа системы горячего водоснабжения и покрытие тепловых потерь пассивного дома за счет работы системы вентиляции. Приготовление горячей воды в переходный период осуществляется по той же схеме, что и летом.

При понижении температуры внутреннего воздуха в двух и более помещениях ниже +20°C часть нагретого в солнечных коллекторах раствора пропиленгликоля поступает на пластинчатый теплообменный аппарат и нагревает воду, которая, в свою очередь, поступает на рекуператор системы вентиляции. При сохранении тенденции снижения температуры внутреннего воздуха после заданного промежутка времени работы пластинчатого теплообменника происходит его отключение и включение теплового насоса. Этот механизм действует в ночные периоды или днем при снижении интенсивности солнечного излучения, например, из-за облачности.

В качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии для теплового насоса предусмотрен ряд теплообменников. Каждый из них имеет свой приоритет. Смена источника возможна как автоматически, так и в ручном режиме. В переходный период при включении теплового насоса первым источником низкопотенциальной энергии для него служит теплообменник скважины водозабора.

Тепловые потери дома в переходный период компенсируются за счет работы системы вентиляции. Для повышения температуры внутреннего воздуха в отдельных помещениях предусмотрено использовать фэнкойлы. При снижении температурного потенциала водозаборной скважины до уровня, который не может обеспечить стабильную работу, происходит переключение источника низкопотенциальной энергии теплового насоса с теплообменника скважины водозабора на грунтовый аккумулятор теплоты.

Также в переходный период происходит зарядка бака-аккумулятора системы отопления. Его предполагается использовать для приготовления теплоносителя для низкотемпературных отопительных приборов в зимний период.

Зимний период. Система теплообеспечения переключается в зимний режим работы при среднесуточной температуре наружного воздуха ниже +8 оС на протяжении трех суток. Основная задача в данный период – поддержание температуры внутреннего воздуха на уровне +20 оС вне зависимости от температуры наружного воздуха. Основным источником теплоты для отопительных приборов в этом случае выступает тепловой насос. Также используются твердотопливный котел и мини-когенерационная установка. Приготовление горячей воды в зимний период выполняется, как описано выше.

Отопление помещений реализуется как системой вентиляции и фэнкойлами, так и низкотемпературными отопительными приборами. Основные отопительные приборы – водяной «теплый пол», капиллярный «теплый пол», а также трубчатый, капиллярный настенные и вмонтированные в бетонную стену теплообменники. В качестве резервного отопительного прибора выступает электрический «теплый пол», который размещен в одном из помещений. Низкотемпературные отопительные приборы подключаются к тепловому насосу через бак-аккумулятор.

В данном прототипе здания особое внимание было уделено группе теплообменников – источников низкопотенциальной теплоты для теплового насоса. Кроме теплообменника скважины водозабора и грунтового аккумулятора теплоты, здесь предусмотрена еще группа теплообменников, расположенных в грунтовом массиве на территории объекта. В эту группу входят: одноходовой теплообменник в виде шести прогонов трубы наружным диаметром 32 мм, которые образуют три петли длиной 15 м, а также восемь ниток трубы наружным диаметром 32 мм, которые образуют четыре петли длиной 20 м. Также имеется многоходовой паяный теплообменник, состоящий из трех полиэтиленовых секций с наружным диаметром трубы 40 мм.

Для преобразования энергии ветра в электрическую энергию постоянного тока напряжением 48 В для заряда аккумуляторных батарей используется ветрогенератор Fortis Montana со встроенным контроллером заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Основные характеристики ветрогенератора таковы: номинальная мощность – 4 кВт; выходное напряжение – 380/220 В три фазы; пороговая стартовая скорость ветра – 2,5 м/с; номинальная скорость ветра – 8 м/с; ориентация ветроколеса диаметром 6,7 м по ветру с помощью киля и наветренное положение относительно мачты высотой 30 м.

Также для обеспечения электроэнергией системы теплообеспечения используются фотовольтаические панели на основе 22 поликристаллических (номинальной мощностью 240 Вт каждая) и 60 тонкопленочных теллурид-кадмиевых фотомодулей (номинальной мощностью 80 Вт каждая). Расчет выработки солнечной станции выполнен в программе PVSyst по метеорологическим данным Meteonorm, результаты расчета выработки электроэнергии приведены в таблице. Расчетная годовая выработка электроэнергии фотомодулями составляет 11 378 кВт·ч.

Для предотвращения аварийных режимов заряда аккумуляторных батарей от фотоэлектрических преобразователей и увеличения эффективности потребления энергии фотомодулей используются контроллеры заряда. Для бесперебойного электроснабжения реализована система с аккумуляторами номинальным напряжением 12 В и емкостью 100 А·ч соединенных по схеме: четыре последовательно и семь параллельно. Общая емкость системы аккумуляторов составляет 33,6 кВт·ч.

В настоящее время на данном объекте-прототипе выполняются монтажные и пусконаладочные работы по вводу в эксплуатацию системы энергоснабжения пассивного дома, а также установка контрольно-измерительного оборудования в отдельных помещениях для мониторинга и накопления статистических данных по функционированию и энергоэффективности как отдельных звеньев, так и системы в целом. Последующий анализ данных позволит определить оптимальное в наших климатических условиях техническое решение для круглогодичного энергообеспечения пассивного дома, что позволит аккумулировать энергию и выбирать наиболее подходящий ее источник посезонно.

Больше важных статей и новостей в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь!

Просмотрено: 1 772


Оставьте комментарий

Telegram