Разработка системы отопления с тепловым насосом

Д. Сытов

В данной статье приводятся практические советы по проектированию систем на основе тепловых насосов (ТН), в частности, предлагается последовательность действий, рассматривается зависимость необходимой мощности от режима работы оборудования и другие особенности

При планировании нового строительства, система теплораспределения должна быть рассчитана на низкие температуры потока. Однако существующие традиционные системы отопления также можно использовать в сочетании с тепловым насосом, если придать им нужную конфигурацию. С максимальным значением температуры потока между 43 и 63°C (в зависимости от температуры наружного воздуха), тепловые насосы подходят для модернизации. Они могут подавать тепло не только в поверхностные нагревательные системы, но и в обычные радиаторы.

Достоинством комбинации теплового насоса с напольной и/или настенной системой нагрева является то, что температура потока в контуре нагрева является очень низкой (35°C) и оборудование может работать особенно эффективно.

Если в холодных погодных условиях наличие более высокой температуры потока не обеспечивается, к тепловому насосу следует подключить вспомогательный теплогенератор. При помощи компактной буферной емкости, специально предназначенной для этого, тепловой насос может отлично справляться с функцией подвода тепла при работе в параллельном режиме.

Что касается источника тепла, важными являются окружающие условия места установки, которые необходимо оценить при выборе того или иного типа системы теплового насоса. Тепловой источник должен быть пригодным для использования, т.е., необходимо предусмотреть достаточное пространство для применения и утвердить его. В рамках разработки системы теплового насоса это значит, что планирование источника является более важным вопросом, чем проектирование источника энергии для обычной системы нагрева, работающей на газе или твердом топливе.

Система с использованием теплового насоса, в основном, состоит из трёх частей:

тепловой источник передает энергию, которая сохраняется в земле, грунтовых водах или окружающем воздухе, и передает её в тепловой насос;

тепловой насос повышает энергию источника до температуры, применимый в системе отопления (рис. 1);

система отопления передает тепловую энергию в помещение. Для достижения высокого уровня КПД теплового насоса следует использовать систему поверхностного нагрева (обычно отопление с размещением нагревательных труб под полом).

PR_TN_1Рис. 1. Функциональная схема работы теплового насоса «воздух-вода» в режиме отопления

Для обеспечения экономически выгодной и бесперебойной работы системы, все ее компоненты должны идеально подходить друг другу.

Режимы работы ТН

Различают несколько режимов работы теплового насоса. В моновалентном режиме ТН является единственным теплогенератором для отопления и производства горячей воды (рис. 2). Тепловой источник должен быть рассчитан на круглогодичную работу системы.

PR_TN_2Рис. 2. Схема подключения ТН в моновалентном режиме

В моноэнергетическом режиме подвод тепла осуществляется при помощи двух теплогенераторов, которые работают на одном источнике энергии. Тепловой насос комбинируется с дополнительным электрическим нагревом для обеспечения количества тепла в периоды максимального потребления. Дополнительный электронагреватель устанавливается в контуре потока применяемой системы и включается по требованию регулятора. Доля электронагрева в контуре, должна быть как можно меньше.

При бивалентном переменном режиме работы, кроме теплового насоса, устанавливается второй теплогенератор, который работает на другом источнике энергии для обеспечения тепловой нагрузки (рис. 3).

PR_TN_3Рис. 3. Тепловой насос в бивалентной схеме

При такой конфигурации, тепловой насос работает только до определенного момента, известного как точка бивалентности (например, при температуре наружного воздуха 0°C), для того, чтобы передать задачу подачи тепла при более низких температурах наружного воздуха второму теплогенератору (например, газовому котлу).

Этот режим работы часто используется в системах отопления с высокими температурами потока. В таких случаях, ТН способен обеспечить 60–70% годовой мощности отопления (при климатических условиях Центральной Европы).

В бивалентном параллельном режиме работы, кроме теплового насоса, устанавливается второй теплогенератор, который работает на другом источнике энергии для обеспечения тепловой нагрузки. При достижении определенной температуры наружного воздуха, второй теплогенератор срабатывает в ответ на потребность в тепловой нагрузке. Для этого режима работы необходимо, чтобы тепловой насос мог продолжать работать при самых низких температурах наружного воздуха.

Еще один возможный режим – бивалентный полупараллельный. В рамках заданного значения температуры наружного воздуха, тепловой насос самостоятельно производит необходимое количество тепла. Если температура падает ниже этого уровня, подключается второй теплогенератор. Он принимает на себя полную нагрузку подачи тепла.


Достоинства моновалентного режима – сравнительная простота конструкции и установки, невысокая стоимость, – бивалентного режима – высокая эффективность. В зависимости от режима работы различается и необходимая мощность теплового насоса (рис. 4).

PR_TN_4Рис. 4. Необходимая мощность теплового насоса в зависимости от режима работы:
а) моновалентный режим; б) бивалентный переменный режим; в) бивалентный параллельный режим; г) бивалентный полупараллельный режим

Последовательность действий

Рассмотрим последовательность разработки системы на примере теплового насоса типа «воздух-вода» (рис. 5), которая обеспечивает теплоотдачу для отопления и получения горячей воды в нужном количестве. В этом случае особенно важным является рассчитать нужное значение теплоотдачи, определить точку бивалентности и проверить температурный потенциал потока.

PR_TN_5Рис. 5. Последовательность разработки системы теплового насоса «воздух-вода»

Значение нормативной температуры наружного воздуха нужно для вычисления потерь тепла во внешнюю среду. Этот параметр выбирается из таблиц соответствующих нормативных документов (в странах Евросоюза это DIN EN 12831 «Нагревательные установки в зданиях. Процедура расчета стандартной отопительной нагрузки»). В Украине эти данные можно почерпнуть из ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010 «Будівельна кліматологія». При определении значения нормативной температуры наружного воздуха может помочь изотермическая карта.

Расчет нормативной отопительной нагрузки и количества потребления горячей воды является основой для определения размеров теплогенераторов, трубопроводных сетей и тепловыделяющих поверхностей. Стандартная отопительная нагрузка (в кВт) рассчитывается в соответствии с нормами.

Отопительная нагрузка определяется как тепловая мощность, получаемая зданием от системы нагрева для достижения нормативной внутренней температуры при максимально низком значении температуры наружного воздуха в зимнее время.

Согласно с DIN EN 12831, стандартная отопительная нагрузка рассчитывается в соответствии с нормативной температурой наружного воздуха местоположения здания. Это сумма стандартных отопительных нагрузок для каждого помещения здания.

Если теплогенератор используется для нагрева емкостного водонагревателя и для отопления здания, в систему ГВС необходимо ввести соответствующий дополнительный компонент.

Кроме расчета отопительной нагрузки, чрезвычайно важно выполнить гидравлические расчеты для всех трубопроводов, трубной арматуры и участков установки, задать размеры циркуляционных насосов для обеспечения экономически выгодной и удобной эксплуатации нагревательной установки. Если цифры для домов на одну семью являются проверенными и пригодными, то для комплексных установок, в частности, необходимо выполнить более точные расчеты.

После завершения установки системы, необходимо выполнить гидравлическую настройку; чем больше компонентов в системе, тем большую важность она приобретает. В Германии данная настройка выполняется в соответствии с VOB и DIN 18380. То же самое касается параметризации системы управления, которая настраивается индивидуально.

Производство ГВС

При уменьшении потребности в тепловой энергии, доля энергии, используемой для производства горячей воды, значительно увеличивается. В зданиях с плохой теплоизоляцией фактор необходимого количества горячей воды играл второстепенную роль; при хорошей теплоизоляции, для центрального отопления нужно меньшее количество энергии, в то время, как составляющая горячей воды остается неизменной. Её относительная пропорция в общей потребности энергии для здания увеличивается и может составлять треть или более от общего количества.

Производство горячей воды определяется на основании количества жителей, одновременности использования и индивидуальных потребностей. Это значит, что планирование производства горячей воды базируется на определении образа жизни пользователя. Другие потребители, такие как стиральные машины или вторичные циркуляционные линии, также следует внести в процесс проектирования.

Стандарт DIN 4708-2 «Центральные водонагревательные установки» является в ЕС базисом для унифицированного расчета необходимого количества тепла для централизованного нагрева питьевой воды в жилом помещении. Для определения необходимого количества горячей воды, сначала рассчитывается индекс потребления N, который водонагреватель должен достигать в комбинации с подключенным котлом. Индекс потребления зависит от количества людей и схемы расположения водоразборных точек в помещении.

Значение выходной характеристики NL, измеряемой в соответствии с DIN 4708, можно найти в документации, предоставляемой производителем бака. Однако, данный индекс, вычисляемый по стандарту, не всегда подходит для определения размеров систем теплового насоса. Причиной этого является максимально низкое значение температуры потока, которое может обеспечить тепловой насос. Температура горячей воды 60°C, по которой рассчитывается индекс NL, не достигается. Исключением из этого правила являются двухвалентные системы теплового насоса, в которых ГВС обеспечивается полноразмерным вспомогательным котлом.

Таким образом, можно выделить несколько критериев выбора емкости для нагрева ГВС:

  • значение мощности NL должно превышать или быть равным индексу потребления N;
  • мощность теплогенератора должна, как минимум, равняться длительной выходной мощности горячей воды 10/45°C, которая указана в документации вместе с характерным значением мощности.

При разработке проекта систем на базе теплового насоса, в европейской практике руководствуются стандартом DIN EN 15450 «Разработка систем нагрева с тепловыми насосами» в том случае, если размеры ТН задаются в соответствии с необходимым количеством горячей воды, а не в зависимости от отопительной нагрузки.

Возможны различные гидравлические решения для производства горячей воды:

  • нагрев моновалентного емкостного водонагревателя при помощи теплового насоса. При необходимости, обеспечивается электрический подогрев ТЭНом. При применении этого варианта, можно обеспечить предварительный нагрев воды при помощи гелиотермической установки;
  • производство горячей воды выполняется только вспомогательным котлом. Он выполнен либо в форме колонки для подогрева воды, либо в форме емкости с косвенным нагревом. ТН используется только для отопления помещений. Данный вариант можно использовать в существующих нагревательных установках с газовым настенным котлом, когда система модернизируется при помощи установки теплового насоса;
  • наиболее эффективным и удобным средством производства горячей воды является бивалентный емкостный водонагреватель. Нижняя его спираль предварительно нагревается тепловым насосом до 50°C. В результате, нужная температура потока теплового насоса не становится слишком высокой даже в процессе производства горячей воды, и тепловой насос работает эффективно. При необходимости, ГВС догревается до необходимого значения температуры горячей воды при помощи установки последующего нагрева, которая нагревает верхнюю спираль водонагревателя. Для догрева при этом можно использовать газовые котлы или электрическую установку.

Если есть необходимость в больших расходах горячего водоснабжения или применяются тепловые насосы большой мощности целесообразно использовать емкостные накопители с внешними теплообменниками. Они имеют такое неоспоримое достоинство, как возможность выбора любой поверхности теплообмена с широким диапазоном производительности. В качестве теплообменников при этом чаще всего применяются пластинчатые теплообменники. Их размер имеет большое значение для максимально достижимого значения температуры нагрева. Желательно иметь минимальную разницу температур между температурой подачи и обратки (рис.6).

PR_TN_6Рис. 6. Применение пластинчатого теплообменника для ГВС

В ходе проектирования системы ГВС важно предусмотреть мероприятия против легионеллы. Распространение этих бактерий можно предотвратить при соблюдении общепринятых правил и норм и применении предупредительных мер:

  • регулярно нагревать горячую воду в баке до 60°C (это можно осуществить с помощью бивалентной схемы (второго источника тепла), специальными ТН с температурой подачи 75°C или прямым электрическим нагревом);
  • температура выше 55°C в контуре вторичного обратного потока;
  • обеспечение равномерного потока в системе (например, при помощи ограничителей потока);
  • предотвращение использования рассредоточенных установок питьевой воды с «мертвыми» пространствами и неиспользуемыми трубами (при необходимости, обеспечьте децентрализованное производство горячей воды при помощи колонок для подогрева воды, установленных на удаленных или редко используемых водоразборных точках).

При планировании разработки установки питьевой воды следует также учитывать возможность использования устройств для очистки и дезинфекции компонентов системы и труб в процессе использования системы.

Оптимальная мощность ТН

Общая теплоотдача, которую должен производить тепловой насос состоит из следующих составляющих:

  • стандартная тепловая нагрузка;
  • тепловая мощность для производства горячей воды;
  • тепловая мощность для компенсации работы сети при пиковых нагрузках.

Из-за больших колебаний температуры теплового источника, ТН типа «воздух – вода» не могут обеспечить постоянную тепловую мощность и температуру потока в полном диапазоне температуры наружного воздуха (от -20 до 20°C). Поэтому для оптимального расчета параметров системы необходимо выяснить следующие аспекты:

  • тепловая мощность теплового насоса;
  • точка бивалентности максимально экономичной работы системы теплового насоса;
  • достижение нужной температуры потока.

В соответствии с параметрами, приведенными выше, можно выбрать подходящий тепловой насос, руководствуясь графиком мощности теплового насоса с учетом места размещения.

Так как выбор точки бивалентности также влияет на коэффициент полезного действия теплового насоса, для её определения и, соответственно, обеспечения экономически выгодной и эффективной эксплуатации, оптимального выбора диапазона тепловой мощности теплового насоса с учетом производства горячей воды, можно использовать подходящее программное обеспечение. Для этой цели компании-производители ТН предлагают соответствующие программы.

Охлаждение

При проектировании системы охлаждения здания с помощью теплового насоса, главным аспектом является обеспечение снижения требований к охлаждению.

Существует широкий потенциал средств, которые можно использовать при модернизации или планировании систем для защиты от солнца и систем вентиляции. Таким образом, уже на стадии планирования можно предпринять действия, направленные на сведение к минимуму расхода энергии, используемой для охлаждения.

Так, при охлаждении помещения при помощи поверхностных систем (теплые стены или потолок) важно применять систему плавного терморегулирования. Необходима высококачественная теплоизоляция. Важным фактором теплопередачи является верхний слой покрытия пола (в отличие от слоя стяжки): пол с ковролином значительно снижает охлаждающую способность по сравнению с полом, выложенным плиткой.

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



Оставьте комментарий

Telegram