Install Fest Ukraine

Комбинированные нагреватели для систем ГВС коттеджей – выбор параметров

С. Тишаев
Разные аспекты устройства систем горячего водоснабжения (ГВС) неоднократно освещались на страницах нашего журнала. Как выяснилось, интерес к этой теме не ослабевает. В этот раз затронем вопрос, как оценить необходимую мощность для ГВС коттеджа?

Многообразие существующего оборудования и технологий позволяют обеспечить владельцу коттеджа такой уровень комфорта пользования ГВС, который его больше всего устраивает. Диапазон выбора тепловой мощности и источников тепла при этом очень широк – от нескольких ватт тепла при использовании бочки с водой и естественным солнечным нагревом (в летнем душе на садовом участке), до десятков киловатт тепла для коттеджа при использовании теплотехнического оборудования в виде ванн-джакузи, СПА- и плавательных бассейнов и других современных сантехнических устройств, обеспечивающих владельцу требуемый комфорт.

Сравнительно низкая температура входящей в систему ГВС воды (как правило – это водопроводная вода) дает возможность эффективного использования для ее нагрева нагревательного оборудования, использующего низкопотенциальное тепло, а также альтернативных источников энергии. К такому оборудованию относятся гелиоколлекторы (солнечные нагревательные элементы), конденсационные газовые котлы и тепловые насосы.

Очень часто использование только одного указанного вида высокоэффективного энергосберегающего оборудования технически или экономически не выгодно, поэтому для его использования производители оборудования разработали типовые комбинированные схемы, которые наилучшим образом используют преимущества применяемых технологий. В предлагаемой статье мы рассмотрим некоторые аспекты применения таких схем.

Распределения ГВС в жилых домах Таблица 1. Величины водопотребления и распределения потребления в жилых домах согласно СНиП 2.04.01-85

Напомним, что уже на этапе проектирования, для подбора оптимального источника тепла для ГВС следует определиться с необходимой тепловой мощностью источника тепла с учетом дополнительных факторов, влияющих на эффективность решения и выбор теплотехнического оборудования.

Для различных по назначению объектов, подключенных к сетям центрального теплоснабжения, расчетная суточная величина тепловой нагрузки на горячее водоснабжение для жилых и общественных зданий, а также для бытового потребления (душевые, столовые и др.) на предприятиях определяется расчетом по СНиП 2.04.01-85* («Внутренний водопровод и канализация зданий»). Методика определения расчетных расходов горячей воды (максимального секундного, максимального часового и среднего часового) и тепловых потоков (тепловой мощности) в течение часа при среднем и при максимальном водопотреблении в соответствии с разделом 3 СНиП 2.04.01-85* основывается на расчете соответствующих расходов через водоразборные приборы (или группы однотипных приборов с последующим усреднением) и определении вероятности их одновременного использования.

Аналогичные нормы существуют и в странах Евросоюза, например, DIN 4708 и EN 15450. По обязательным Приложениям СНиПа определяют как расходы воды и стоков санитарными приборами, так и нормы расхода воды потребителями. Указанные нормы применяются и к проектированию ГВС для коттеджа. Суммарный расход всех отдельных источников водоотбора можно установить:

  • проведя измерения расходомером (счетчиком горячей воды) для уже существующих потребляющих установок;
  • путем оценки, используя статистические средние значения из таблиц или экспериментальные данные;
  • расчетом среднего удельного расхода на один отбор.

Определив суммарный расход по горячей воде и требуемое теплопотребление, можно рассчитать необходимую емкость бака и тепловую мощность водонагревателя.

Таблица 2. Расходы ГВС и их соотношение (согласно EN 15450)Расходы-ГВС

Для предварительной оценки необходимого расхода холодной и горячей воды и необходимой тепловой мощности (пиковой и длительной) можно использовать приведенные здесь таблицы.

Теплопотребление-на-подогрев воды Таблица 3. Теплопотребление на подогрев воды для различных устройств, согласно действующим европейским нормативам

Одновременность работы разных устройств в этом случае можно задавать, исходя из конкретных запросов или требований владельца. При расчете тепловой мощности для ГВС следует учитывать желаемую температуру горячей воды.

Как правило, температура горячей воды ограничивается: с одной стороны – безопасной температурой, чтобы не обжечься при открывании крана (60°С), а с другой стороны – степенью комфорта и тепловой мощностью водонагревательного оборудования. Заметим, что нагревательное оборудование, имеющее в своем составе теплообменник (любой вид котлов, кроме электрических, тепловые насосы, гелиосистемы и т. д.), проектируется и рассчитывается на стандартную разность температур, которая указывается в технических характеристиках вместе с тепловой мощностью. Для стальных и чугунных котлов – это, как правило, Δt = 20°С. Для водонагревательного оборудования (водонагревательные колонки, котлы с нагревателями проточного типа и т. д.) в таблицах технических данных принято указывать производительность горячей воды в расчете на фиксированную разницу температур (Δt) входящей и выходящей воды. Наиболее часто указывается производительность при Δt = 30°С, согласно EN 625. Считая, что средняя температура входящей воды составляет 10°С, температура выходящей воды при таком Δt может оказаться ниже комфортной (40°С вместо 60°С). Поэтому при расчете и подборе такого оборудования для ГВС коттеджа, как правило, следует увеличивать величину Δt до 50°С.

Таблица 4. Средний расход горячей воды и средние значения теплопотребности в зависимости от уровня потребленияРасход горячей воды и теплопотребности

В подавляющем большинстве случаев, для обеспечения комфортного ГВС в коттедже необходимо использовать емкостные водонагреватели или накопительные баки для ГВС. Емкостные водонагреватели (более известные как баки-водонагреватели) могут нагревать и хранить большое количество горячей воды к моменту пикового водоразбора при относительно небольшой мощности нагрева, что значиельно снижает величину и скорость накопления отложений на теплообменных поверхностях. Для баков с косвенным нагревом температура стенки теплообменника определяется температурой теплоносителя от нагревательного устройства, т. е., как правило, не выше 80–90°С (в случае использования обычных водонагревателей).

Гелиосистемы

Владельцу коттеджа следует знать, что для обеспечения требуемого уровня комфорта в расчетах следует учитывать особенности применяемой технологии. Для гелиосистем – это зависимость (изменение) уровня солнечной инсоляции от географического положения объекта, климатических и атмосферных условий, времени года и времени суток. Простейшая комбинированная схема для системы ГВС на базе геликоллекторов включает солнечные коллекторы, циркуляционный контур для антифриза (теплоноситель для гелиоколлектора), бак-аккумулятор тепла и резервный нагреватель (на рисунке отсутствует).

Комбинированная схема для системы ГВС Рис. 1. Простейшая комбинированная схема для системы ГВС на базе гелиоколлекторов

Такая система является комбинированной именно из-за наличия резервного нагревателя. Он нужен для нормальной работы системы ГВС в периоды, когда отсутствует или недостаточна инсоляция (например, в ночное время или в зимние месяцы).

В комбинированной системе контур солнечных коллекторов используется для предварительного нагревателя воды для ГВС, а окончательный нагрев до требуемой температуры выполняется резервным нагревателем. Им может быть как ТЭН, встроенный в аккумуляторный бак, так и котел (газовый или электрический).

В случае использования этого бака-аккумулятора в системе отопления коттеджа, котел становится основным источником тепла в отопительный период, а гелиосистема – вспомогательным.

Насколько финансово привлекательно инвестирование средств в оборудование ГВС гелиосистемой? Наиболее наглядно сравнение себестоимости производства (нагрева) 1 м3 воды для ГВС. Безусловно, такое сравнение всегда должно выполняться для каждого конкретного объекта еще на этапе предпроектных проработок. Поэтому для примера, с разрешения владельца коттеджа, рассмотрим здесь расчетные данные для проекта реального объекта в Киевской области – хорошо теплоизолированного (с удельными расчетными теплопотерями 60 Вт/м2) элитного двухэтажного коттеджа для семьи из четырех человек площадью 270 м2. Нагревательное оборудование в проекте используется как для нагрева воды для ГВС, так и для отопления и вентиляции. При расчете себестоимости производства горячей воды стоимость систем отопления, ГВС и вентиляции, которые одинаковы для всех сравниваемых источников тепла, в данном примере учитываться не будет.

Владелец коттеджа выбрал для себя комфортный уровень температуры горячей воды в системе ГВС, равный 45°С. Распределение общей полезной тепловой мощности по видам нагрузки представлено в таблице 5. Расчетное месячное потребление тепла по виду нагрузок представлено ниже в таблице 6. Величина инвестиционных затрат на установку всесезонной гелиосистемы подходящей тепловой мощности (только для ГВС и рециркуляции ГВС) составляет 286 608 грн.

Таблица. 5Распределение тепловой мощности

Актуальный розничный тариф на электроэнергию, принятый в расчет для бытовых потребителей по состоянию на апрель 2017 г., составляет 1,68 грн за кВт•ч (при потреблении свыше 100 кВт•ч в месяц).

Согласно расчету, за весь год гелиосистема потребляет 1124 кВт•ч электроэнергии в год, из которых 692,4 кВт•ч приходится на работу ТЭНа в периоды недостаточной солнечной инсоляции.

Таблица 6. Месячное потребление тепла, кВт*ч/месПотребение тепла

Расчетная себестоимость нагрева 1 м3 воды от температуры 10°С до температуры 45°С для рассмотренных условий и с учетом возврата инвестиций в течение 10 лет (в виде амортизации), но без учета инфляции, составляет 68,21 грн.

Тепловые насосы

Комбинированную схему ГВС с тепловым насосом рассмотрим только на примере теплового насоса воздухвода. Этот вид тепловых насосов самый распространенный (около 70% всего рынка тепловых насосов) из-за компактности, простоты монтажа, небольшой цены (по сравнению с тепловыми насосами других видов). В зависимости от технологии и типа используемого в тепловом насосе хладагента (чаще всего – фреона), температура воды на выходе из конденсатора (теплообменника), при которой энергоэффективность (СОР) максимальна, составляет 35 –45°С. Для того, чтобы в теплообменнике бака ГВС был эффективный теплообмен, температурный перепад должен составлять не менее 10–15°С. Поэтому, даже при условии работы теплового насоса в летний сезон, для получения требуемой комфортной температуры ГВС (+60°С) приходится или повышать настройку температуры конденсатора (с потерей СОР), или применять прямой электрический донагрев воды встроенным ТЭНом, что также, в конечном счете, понижает общий СОР теплового насоса как теплогенератора. В зависимости от назначения теплового насоса и завода-зготовителя, ТЭН может встраиваться как в конструкцию самого теплового насоса (в контур охлаждения конденсатора), так и в бак-аккумулятор.

Комбинированная схема для системы ГВС Рис. 2. Комбинированная схема для системы ГВС с ТН «воздух-вода»

При использовании теплового насоса важно учитывать свойство уменьшения его СОР при снижении температуры наружного воздуха (температуры испарителя) в зимний период. В настоящее время ряд производителей тепловых насосов расширили температурный диапазон их применения до температуры наружного воздуха вплоть до –25°С, однако СОР теплового насоса при таких условиях стремится к 1. При больших и длительных расходах горячей воды и наличии альтернативного ТЭНу источника тепла с допустимой высокой температурой нагрева, например водогрейного газового или твердотопливного котла, выгодно использовать комбинированную схему, в которой тепловой насос выполняет предварительный базовый нагрев холодной воды, а котел – пиковый режим и донагрев воды до заданных параметров.

В случае использования теплового насоса в системе отопления коттеджа, в отопительный период тепловой насос сохраняет свою функцию основного (базового) теплогенератора для предварительного нагрева теплоносителя (и теплоснабжения низкотемпературных потребителей, например, теплого пола), а котел продолжает обеспечивать пиковый режим и донагрев воды до заданных параметров.

Для определения себестоимости нагрева 1 м3 воды для ГВС и с тепловым насосом для коттеджа, рассмотренного выше, примем, что один тепловой насос работает только на ГВС. Также примем, что коттедж оборудован электроотопительной установкой (тепловым насосом) в установленном порядке, с установкой 2-зонного счетчика. Учет зависимости СОР теплового насоса будем вести для среднемесячной температуры наружного воздуха для выбранного района по действующему документу ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010. Учет дополнительного нагрева воды до необходимой температуры выполнен для отдельного ТЭНа.

Актуальный розничный тариф на электроэнергию, принятый в расчет для бытовых потребителей по состоянию на апрель 2017 г., составляет 1,68 грн за кВт•ч (при потреблении свыше 100 кВт•ч в месяц) в период с 1 мая по 30 сентября, 1,68 грн за кВт•ч (при потреблении свыше 3000 кВт•ч в месяц) в период с 1 октября по 30 апреля, а также 0,90 грн за кВт•ч (при потреблении до 3000 кВт•ч в месяц) для апреля и октября.

Результаты выполненных расчетов с разбивкой по месяцам представлены в таблице 7.

Таблица 7. Результаты расчетов стоимости электроэнергии для системы ГВС с тепловым насосомСтоимост электроэнергии в коттедже для системы ГВС с тепловым насосом

Как видно из таблицы 7, за весь год ТН потребляет 7507 кВт•ч электроэнергии в год, из которых 2281 кВт•ч приходится на работу ТЭНа для донагрева теплоносителя до нужной температуры.

Величина инвестиционных затрат на установку ТН «воздух-вода» потребной тепловой мощности (только для ГВС и рециркуляции ГВС) составляет 278, 9 тыс. грн.

Расчетная себестоимость нагрева 1 м3 воды с температуры 10°С до температуры 45°С для рассмотренных условий и с учетом возврата инвестиций в течение 10 лет (в виде амортизации), но без учета инфляции, составляет 87,96 грн.

Конденсационные газовые котлы

Несмотря на высокую стоимость природного газа, использование энергосберегающих конденсационных котлов позволяет эффективно использовать этот энергоноситель для нагрева воды в системе ГВС. Настройки котла позволяют ему работать в широком диапазоне температур. Конденсационный котел в системах ГВС может работать как в режиме конденсации (с графиком 60/40°С), так и в бесконденсационном режиме (с графиком 70/50°С). В зависимости от имеющейся тепловой нагрузки и функционального назначения схемы, котел может обеспечивать как режим пикового потребления, так и донагрев воды до заданных параметров.

Например, конденсационный котел, работающий в режиме конденсации с КПД 103% для рассматриваемого здесь коттеджа, позволит существенно снизить себестоимость нагрева 1 м3 воды для ГВС.

При действующем розничном тарифе на природный газ для населения и его калорийности 8 050 ккал/м3, инвестиционных затратах на установку конденсационного котла в размере 30,5 тыс. грн, расчетная себестоимость нагрева 1 м3 воды от температуры 10°С до 45°С для рассмотренных условий и с учетом возврата инвестиций в течение 10 лет (в виде амортизации), но без учета инфляции, составляет 40,93 грн. При этом годовой расход (потребление) природного газа на нагрев и циркуляцию воды в системе ГВС составит 2,13 тыс. м3. Отметим, что в данном расчете также не учитывалась ни стоимость подключения к имеющимся газовым сетям, ни стоимость прокладки и подключения газовой линии, ни широко обсуждаемое сейчас введение абонентной платы за доступ к газовым сетям.

Таким образом, выбор комбинированной схемы источников тепла для ГВС с использованием высокоэффективного энергосберегающего оборудования зависит от множества факторов, которые необходимо принимать в расчет и учитывать еще на этапе предпроектных проработок, принимая во внимание прогнозируемое изменение ситуации с тарифами и тенденции на рынке энергоносителей.

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



Оставьте комментарий

Telegram