Текущий выпуск
№3 2017
Главная|Журнал|Зима 2015|Тепловые насосы системы отопления ЖК «Первомайское»
      

Тепловые насосы системы отопления ЖК «Первомайское»

Николай Шилкин

В подмосковном жилом комплексе «Первомайское» система отопления реализована на базе теплонасосных установок, использующих низкопотенциальную тепловую энергию земли.

Нередко предпосылкой к воплощению проектов с инновационными решениями становится невозможность или дороговизна подключения к традиционным источникам энергоресурсов.

Теплонасосные установки

Решение использовать систему отопления на базе теплонасосных установок застройщик принял на начальной стадии строительства посёлка. Реализация газового отопления потребовала бы предусмотреть общую котельную, тепловые сети и индивидуальные тепловые пункты или узлы управления в каждом здании (в разных коттеджах различное число секций), что являлось в данном случае технически сложным и экономически невыгодным мероприятием. Для отопления каждой секции жилых домов используются две теплонасосные установки, что позволяет обеспечить резервирование на случай возможного выхода из строя части оборудования.

Система отопления рассчитана на температуру наружного воздуха –28 °C. Тепловые насосы могут изменять режим работы, благодаря чему возможно поддерживать комфортный микроклимат в помещениях даже в периоды, характеризуемые экстремально низкими температурами. Однако при этом существенно снижается эффективность оборудования. В связи с этим для снятия пиковых нагрузок в схеме теплоснабжения предусмотрели электрический водонагреватель (электробойлер) для догрева теплоносителя после теплонасосной установки. Электробойлер включается в работу автоматически.

Система тёплого пола

Тепловой насос работает тем эффективнее, чем меньше разница между температурами испарителя и конденсатора, т. е. температурой источника низкопотенциальной тепловой энергии и температурой потребителя. Таким образом, наиболее эффективно теплонасосные установки для отопления могут применяться в системах, отличительной чертой которых является относительно невысокая температура теплоносителя. Этим требованиям соответствуют системы отопления на основе напольных отопительных панелей (тёплых полов).

Известно, что во избежание заболеваний, связанных с перегревом ног, максимальная температура поверхности пола в помещении с постоянным пребыванием людей не должна превышать 26 °C, в помещениях с временным пребыванием – 31 °C, в детских игровых комнатах – 22 °C.

ЭФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

 Зависимость между температурой испарителя, температурой конденсатора и  коэффициентом преобразования теплового насоса, в котором в качестве рабочей жидкости используется холодильный агент HCFC-22, показана на графике. Анализ этой зависимости иллюстрирует две важные закономерности:

• Для данной температуры конденсатора повышение температуры испарителя увеличивает коэффициент преобразования: чем выше температура источника низкопотенциальной теплоты, тем эффективнее работает тепловой насос.

• Для данной температуры испарителя понижение температуры конденсатора увеличивает коэффициент преобразования: чем ниже температура потребителя теплоты, тем эффективнее работает тепловой насос.

Теплота от низкопотенциального источника может подаваться на испаритель теплового насоса либо посредством промежуточного теплоносителя, подогреваемого в теплообменнике, либо непосредственно.

Каждый дополнительный теплообменник увеличивает разность температур между источником низкопотенциальной тепловой энергии и испарителем, т. е. уменьшает температуру на испарителе. Это снижает производительность теплового насоса, поэтому подключения испарителей теплового насоса к низкопотенциальному источнику через теплообменник следует по возможности избегать. То же справедливо и при подключении потребителя к конденсатору теплового насоса.

Зависимость коэффициента преобразования теплового насоса от температуры испарителя и температуры конденсатора

В посёлке установлены низкотемпературные системы на основе замоноличенных в стяжку змеевиков из термостойких труб из сшитого полиэтилена (PEX). В коттеджах отсутствуют отопительные приборы под окнами. Для предупреждения возникновения в помещениях холодных нисходящих воздушных потоков от окон, предупреждения выпадения конденсата на внутренней поверхности стекла использовали уменьшение шага замоноличенных в стяжку змеевиков. Если шаг основной укладки составлял 250 мм, то в зоне окон его уменьшили до 100–150 мм.

Установка несъёмной опалубки, одновременно выполняющей функцию тепло- и звукоизоляции

Ограждающие конструкции

Применение в зданиях низкотемпературных напольных отопительных панелей привело к необходимости тщательной проработки конструкции наружных ограждений и теплоизоляции. Так, были выбраны оконные профили, хорошо зарекомендовавшие себя в ходе эксплуатации на объектах, расположенных в городах Сибири. Конструкция самих домов – быстровозводимая монолитная с несъёмной опалубкой. Блоки опалубки изготовлены из полистирола. Сначала их армируют и заливают бетонным раствором. После остывания наружную поверхность штукатурят либо облицовывают, а внутреннюю – покрывают штукатурным слоем. Опалубка не снимается – она выполняет функцию тепло- и звукоизоляции.

Наружные штукатурные работы по несъёмной опалубке
Наружная облицовка здания коттеджа

Вентиляция

Система вентиляции жилых домов – естественная. Посёлок расположен в экологически благополучном районе, поэтому нет необходимости в очистке воздуха и нет препятствий к проветриванию помещений путём открывания окон.

Подключение контура напольного топления в жилом здании посёлка (на стадии отделочных работ)

Грунтовые теплообменники

Первоначальный проект устройства грунтовых теплообменников предполагал бурение скважин глубиной 60 м. Однако в ходе геологических изысканий на глубине около 30 м были обнаружены известняки. Стоимость бурения скважин в известняке резко возрастает, что сразу же лишает проект коммерческой привлекательности; кроме того, возможен неоптимальный режим теплообмена в таких теплообменниках. В связи с этим скважины вынужденно ограничили глубиной 30 м, что привело к необходимости удвоить их количество. В коттеджном посёлке площади позволяли правильно разместить скважины даже с учётом этого обстоятельства.

Расстояние между двумя соседними скважинами из условия обеспечения нормальной работы грунтовых теплообменников должно составлять не менее 5 м. По возможности этот интервал лучше увеличивать. При меньшем расстоянии (в случае увеличения потребности в тепловой энергии) при работе тепловых насосов между соседними скважинами возможны промерзание грунта и образование так называемых линз холода.

Укладка труб напольного отопления с уменьшенным шагом в зоне окна

Лучшее решение – единая комбинированная система отопления и охлаждения. В этом случае в зимнее время грунт используют как источник низкопотенциальной тепловой энергии, и при этом он захолаживается. В летнее время, наоборот, за счёт закачивания теплоносителя в скважины снимаются теплоизбытки в помещениях, а грунтовый массив вокруг скважин при этом подогревается, тем самым подготавливаясь к следующему отопительному сезону. Тогда риск замораживания грунтового массива существенно уменьшается.

Исследования температурных режимов грунтовых массивов проводятся во многих странах. В России эти исследования уже много лет осуществляет Г. П. Васильев, их результаты неоднократно публиковались, они обобщены в диссертационной работе Г. П. Васильева «Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоёв земли» (М.: МГСУ, 2006).
Данные научные работы показали, что в почвенно-климатических условиях большей части территории России грунт, температура которого понижается в течение отопительного сезона, к началу следующего периода не успевает восстановить свой температурный потенциал. К началу каждого следующего отопительного сезона он ещё больше понижается, однако это понижение носит экспоненциальный характер. К пятому году эксплуатации грунтовый массив выходит на температурный режим, близкий к периодическому.


ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТА

Система отопления. Реализована система отопления на базе теплонасосных установок, использующих низкопотенциальную тепловую энергию земли. Установлены напольные отопительные панели (тёплые полы). В качестве отопительных приборов применены низкотемпературные системы на основе замоноличенных в стяжку змеевиков из термостойких труб из сшитого полиэтилена (PEX).

Система вентиляциипо преимуществу естественная.

Ограждающие конструкции. Несъёмная опалубка одновременно выполняет функцию тепло- и звукоизоляции.


 

СХЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ОДНОКВАРТИРНОГО ЖИЛОГО ДОМА ПОСРЕДСТВОМ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ГРУНТОВЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ

Таким образом, при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения представляется необходимым учёт падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчётных параметров температур грунтового массива, ожидаемых на пятый год эксплуатации.

В комбинированных системах, применяемых как для тепло-, так и для холодоснабжения, температурный режим грунтового массива поддерживается естественным образом: в холодное время, когда требуется теплоснабжение, происходит охлаждение грунтового массива, а в тёплое, когда требуется холодоснабжение, – нагрев грунтового массива, т. е. грунтовый массив в данном случае можно рассматривать как своеобразный аккумулятор тепловой энергии.

В системах с вертикальными грунтовыми теплообменниками при отборе тепловой энергии температура грунта вокруг теплообменника понижается. На понижение температуры влияют как особенности конструкции теплообменника, так и режим его эксплуатации. Например, в системах с высокими величинами отводимой тепловой энергии (несколько десятков ватт на 1 м длины теплообменника) или в системах с грунтовым теплообменником, расположенным в грунте с низкой теплопроводностью (например, в сухом песке или сухом гравии), понижение температуры будет особенно заметным и может привести к замораживанию грунтового массива вокруг теплообменника.

Грунтовый теплообменник (геозонд) имеет U-образную форму. Это четыре трубы, выполненные из полиэтилена низкого давления (ПНД), соединённые специальным наконечником. К наконечнику подвешивается груз, облегчающий опускание геозонда в скважину. Две трубы являются подающими, две – обратными.

ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ С ОДНИМ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ

Аналогичная система на базе теплонасосной установки эксплуатируется в здании администрации посёлка Птичное (Московская область). Там установлен один тепловой насос. Для надёжности можно было бы предусмотреть резервирование, однако по экономическим соображениям от этого варианта было решено отказаться. На случай аварии, выхода из строя теплового насоса либо контура грунтовых теплообменников предусмотрен аварийный электрический водонагреватель. Этот водонагреватель может быть включён в работу также в случае, если при экстремально низких температурах наружного воздуха мощность теплового насоса окажется недостаточной для покрытия отопительной нагрузки. Однако эксплуатация в первый отопительный сезон не подтвердила необходимости такого догрева посредством электроводонагревателя. Достаточно низкие температуры наружного воздуха в декабре 2009 года и в январе 2010 года (до –25 °C и ниже) показали, что в помещениях удавалось уверенно поддерживать температуру внутреннего воздуха на уровне 18–20 °C. Температура теплоносителя в подающей и обратной магистралях контура напольного отопления составляла соответственно 37 и 26 °C.

Расчётные температуры в подающей и обратной магистралях контура напольного отопления составляли соответственно 35 и 30 °C (разница температур – 5 °C). Такой маленький перепад был выбран по соображениям увеличения теплосъёма с единицы площади тёплого пола.

Здесь свою роль сыграло ещё и то обстоятельство, что, имея всё же достаточно ограниченный опыт эксплуатации теплонасосных систем в местных климатических условиях, проектировщики подобрали тепловой насос с достаточно большим запасом мощности. При запуске в эксплуатацию в ноябре 2009 года температура теплоносителя в подающей магистрали контура грунтового теплообменника составляла 8 °C, за ноябрь упала до 5 °C и стабилизировалась на этом уровне.

На конец января 2010 года в условиях низкой температуры наружного воздуха (–20 °C и менее) температура теплоносителя в подающей магистрали контура грунтового теплообменника (температура источника) уверенно держится на уровне 4–5 °C. Температура обратного теплоносителя в контуре грунтового теплообменника опускается почти до нуля. Рассматривался вариант использования в качестве теплоносителя незамерзающей жидкости (антифриза), однако по итогам всестороннего изучения вопроса было решено использовать обычную воду, но быть готовыми добавлять антифриз в случае необходимости.

Теплоноситель подогревается посредством теплового насоса до температуры 54 °C. Именно такая температура поддерживается в баке-аккумуляторе. Требуемая в контуре напольного отопления температура 35 °C устанавливается за счёт подмеса обратного теплоносителя. Тепловой насос работает не постоянно: он включается в работу в случае, когда температура теплоносителя в баке-аккумуляторе падает ниже определённого значения. В этих условиях коэффициент преобразования теплового насоса составляет примерно 4,4. По расчётам, в начале отопительного сезона коэффициент преобразования должен быть равен 5, а к концу, по мере захолаживания грунтового массива, опускаться до 4.

Возможны и другие варианты исполнения грунтовых теплообменников. Например, трубы PEX являются более дорогими, но и более устойчивыми к внешнему воздействию. Например, в условиях сейсмических воздействий трубы из PEX легко восстанавливают свою форму при колебаниях грунта. Трубы из ПНД более хрупкие, однако в условиях Подмосковья их применение (с учётом более низкой стоимости) вполне оправдано, тем более что все грунтовые теплообменники располагаются на закрытой охраняемой территории, доступ на которую посторонних лиц и проведение несанкционированных земляных работ затруднены.


СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:

Умный энергоэффективный энергосберегающий экологически чистый дом

От промышленного склада к спортивному залу

Прямое испарительное охлаждение в офисе. Возрождение в Фениксе

Энергоэффективный дом в Хабаровске

Первый энергоэффективный дом в Ростовской области. Мониторинг энергосистем

Здание с нулевым балансом энергопотребления

Пассивные здания. Методики расчёта

Ветрогенераторы на крыше здания

 Viikki – экспериментальный жилой район

Энергоэффективные посёлки и жилые районы

Реконструкция в историческом центре с оценкой «Золотой» по LEED


ТеплохолодоснабжениеТепловой насос