Теплонасосная система теплохладоснабжения – перспективный путь использования альтернативных источников энергии в зданиях

Heat Pump System for Heat and Cold Supply — a Promising Method of Alternative Energy Sources’ Use in Buildings

V.F. Gornov, Director of Design Department of OJSC Insolar-Invest

Keywords: renewable energy sources, secondary energy resources, heat and cold supply in buildings, heat pump system

In spite of coal, oil and gas deposits available in Russia, the global tendency of switching to environmentally friendly alternative energy sources motivates Russian specialists to develop and implement the so called green technologies. Let’s see, what secondary energy resources and renewable energy sources can be used in residential and public buildings, and specifics of their use.

Несмотря на имеющиеся в России запасы угля, нефти и газа, общемировые тренды по переходу на использование экологически чистых альтернативных источников энергии мотивируют российских специалистов к созданию и внедрению так называемых зеленых технологий. Рассмотрим, какие вторичные энергетические ресурсы и возобновляемые источники энергии могут использоваться в жилых и общественных зданиях и особенности их применения.

Теплонасосная система теплохладоснабжения – перспективный путь использования альтернативных источников энергии в зданиях

Г. П. Васильев,доктор техн. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

В. Ф. Горнов, директор проектного отделения, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

А. С. Горшков, канд. техн. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

В. А. Личман, канд. физ.-мат. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

Несмотря на имеющиеся в России запасы угля, нефти и газа, общемировые тренды по переходу на использование экологически чистых альтернативных источников энергии мотивируют российских специалистов к созданию и внедрению так называемых зеленых технологий. Рассмотрим виды вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии, которые могут использоваться в жилых и общественных зданиях, а также особенности их применения.

Особенности использования и виды альтернативных источников энергии

Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для тепло-, холодо- и электроснабжения зданий, выбор технологических схем, а также применяемого оборудования следует осуществлять с учетом неравномерности поступления ВЭР и ВИЭ, а также графиков потребления энергетических ресурсов инженерными системами зданий.

Использование вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии в зданиях должно сопровождаться расчетом величины экономии энергии в течение жизненного цикла здания с учетом взаимного влияния применяемых мероприятий.

В жилых и общественных зданиях могут быть использованы следующие вторичные энергетические ресурсы, такие как:

• низкопотенциальная теплота и холод удаляемого вентиляционного воздуха;

• низкопотенциальная теплота сточных вод;

• теплота конденсации холодильных установок,

а также следующие виды возобновляемых источников энергии:

• низкопотенциальная теплота грунта;

• низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха;

• низкопотенциальная теплота водоемов;

• кинетическая энергия ветра.

При проектировании жилых и общественных зданий, в которых предусматривается использование ВЭР и ВИЭ, необходимо стремиться к созданию энергетически эффективного здания, теплопотери и энергетические затраты которого сведены к минимуму.

Вторичные энергетические ресурсы и возобновляемые источники тепловой энергии (за исключением солнечной радиации) имеют низкий температурный потенциал, что, как правило, не позволяет напрямую использовать эти источники энергии в теплоснабжении зданий – требуется преобразование этой энергии с повышением ее температурного уровня. Основным инструментом в решении этой проблемы является теплонасосная система теплохладоснабжения (ТСТ).

Теплонасосная система теплохладоснабжения

Под теплонасосными системами теплохладоснабжения принято понимать комплекс технических средств, предназначенных для преобразования низкопотенциальной теплоты ВЭР и ВИЭ в теплоту более высокого потенциала с использованием обратного термодинамического цикла. В жилых и общественных зданиях наиболее часто применяют парокомпрессионные тепловые насосы. Реже применяются абсорбционные тепловые насосы.

Тепловые насосы классифицируются по следующим признакам:

• по виду обеспечиваемой нагрузки – установки теплоснабжения (отопления, вентиляции или горячего водоснабжения) и установки теплохолодоснабжения, предназначенные для одновременной или сезонной выработки теплоты и холода;

• по сочетанию вида теплоносителя источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды: типа «воздух–воздух», «воздух–вода», «вода–вода», «вода–воздух»;

• по виду энергии, используемой для осуществления рабочего цикла, – электроприводные и с приводом от тепловых двигателей;

• по температуре нагреваемого теплоносителя – низкотемпературные (до 50° С) и среднетемпературные (50–80 °С).

Теплонасосные системы могут быть как автономными, так и гибридными, т. е. использующими тепловую сеть в качестве доводчика. Схема энергетических потоков гибридной теплонасосной системы, обеспечивающей отопление, горячее водоснабжение и холодоснабжение (кондиционирование), показана на рисунке.

Тепловые насосы могут быть установлены как на полную, так и на частичную тепловую нагрузку, при этом полная нагрузка обеспечивается дополнительным источником тепла.

Для улучшения технико-экономических показателей теплонасосных систем следует проектировать их преимущественно с дополнительным (пиковым) источником тепла. Тепловая мощность тепловых насосов в системах с дополнительным (пиковым) источником тепла подбирается:

• на отопительно-вентиляционные нужды: по величине базовых нагрузок;

• на нужды горячего водоснабжения: по среднечасовой нагрузке горячего водоснабжения с учетом доли нагрузки, покрываемой тепловыми насосами, и периода их работы в течение суток;

• на нужды кондиционирования: по расчетной холодопроизводительности, а при использовании аккумуляторов холода – с учетом аккумулирования и периода работы тепловых насосов в течение суток.

Схема энергетических потоков гибридной теплонасосной системы, обеспечивающей горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха

В отличие от систем на основе таких ВИЭ, как ветер, солнце и т. п., установка которых эффективна лишь в тех районах, где существует достаточный потенциал для их применения, ТСТ можно использовать практически повсеместно. В качестве источника тепловой энергии низкого температурного потенциала ТСТ используют грунт или комбинацию грунта и других источников (атмосферного воздуха, теплоты вентиляционных выбросов), которые доступны в любом месте и параметры которых (за исключением атмосферного воздуха) остаются стабильными и хорошо прогнозируемыми в течение всего года. Таким образом, ТСТ могут рассматриваться как наиболее перспективный путь использования ВЭР и ВИЭ в зданиях.

Цель – снизить энергопотребление здания

При выборе технических решений, использующих ВЭР и ВИЭ, важно учитывать их влияние на удельное годовое энергопотребление зданий и сооружений. Для этого следует выполнить соответствующие расчеты.

Количество энергии, вырабатываемое теплонасосной системой, следует вычислять по ГОСТ Р 54865–2011.

В настоящее время готовятся методические рекомендации по определению влияния использования вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии на энергопотребление здания, в которых будут представлены методики определения годового расхода энергии на отопление и вентиляцию здания, годового расхода энергии на горячее водоснабжение здания, а также суммарного удельного годового расхода энергетических ресурсов зданием. Отметим лишь, что применение решений по интеграции ВЭР и ВИЭ в проектах энергоснабжения зданий и сооружений должно предусматриваться таким образом, чтобы затраты энергии, необходимые для работы устройств, осуществляющих использование данных источников энергии, были значительно меньше того количества энергии, которое ими вырабатывается, чтобы энергопотребление здания снижалось.

В следующей публикации будут рассмотрены устройства и схемы по утилизации и рекуперации теплоты вентиляционных выбросов для снижения удельного годового энергопотребления зданий.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Альтернативные системы энергии и отопления частного дома на сайте Недвио

Содержание своего дома — недешевое удовольствие. С каждым годом газ и электричество стоят все дороже. А это значит: пора подумать о том, как сэкономить на этих счетах.

Это можно сделать несколькими способами. Во-первых рассмотреть использование альтернативных источников энергии. Во-вторых сделать дом максимально энергоэффективным, продумать его теплоизоляцию и правильную вентиляцию / обогрев помещений. В третьих — позаботиться об установке в доме более эффективного котла (с наибольшим КПД).

Давайте рассмотрим как это сделать более подробно.

1. Использование альтернативных систем энергии

Поиск альтернативных источников энергии — это мощный общемировой вектор, определяющий будущее энергетики во всем мире. Уже сегодня для отопления и электричества зданий используются:

• солнечная энергия;
• энергия ветра;
• энергия, полученная из земли (геотермальная энергия);
• энергия морей и океанов;
• энергия внутренних вод;
• энергия биомассы;
• энергия биогаза.

Возобновляемая энергия и ее источники

В основном, альтернативные источники энергии делятся на возобновляемые и синтетические. Разница их заключается в том, что возобновляемые используют для получения энергии различные природные явления, в то время как синтетические построены на синтезе топлива, то есть, по сути, замены природных углеводородов синтетическими материалами.

Спрос и цены на электроэнергию растут не только в нашей стране, но и во всем мире. Это неизбежная плата за развитие современных технологий. И термин «возобновляемые источники» не совсем корректный — все потому, что спрос многократно превышает воспроизводство этих источников: человечество с каждым годом потребляет все больше нефти, газа и угля, месторождения истощаются, больше их не становится.

Все это ведет к тому, что ближайшие десятилетия на ископаемые-энергоносители во всем мире возникнет острый дефицит.

Что это значит для владельцев частных домов?

Это значит, пора начинать готовиться к резкому подорожанию энергоресурсов. Да, это произойдет не сегодня и не сразу. Но лучше к этому моменту быть готовым, утеплить дом, заменить котел, установить новые системы источников энергии, постараться сделать свой дом максимально энергоэффективным.

Сегодня в частных домах возобновляемую энергию из альтернативных источников можно получить посредством установки:

• Солнечных батарей (солнечные коллекторы);
• Теплового насоса;
• Рекуператоров вентиляции;
• Ветровых турбин;
• Установкой внешних систем электроснабжения (https://saen.com.ua/vneshnee-elektrosnabzhenie.html).

Учитывая наш холодный и резко континентальный климат, одного источника для отопления дома может оказаться недостаточно. И здесь уже надо смотреть комбинации:

• Если в вашем регионе много солнечных дней, можно рассмотреть комбинацию солнечных панелей и традиционного котельного отопления. Днем солнце будет экономить вам топливо, а ночью (пока заряжаются панели) дом будет отапливаться котлом;
• Если в вашем районе частые и сильные ветра, то однозначно стоит подумать об установке ветряка. Комбинировать ветряную энергию с котельным отоплением можно по той же схеме, что описана выше;
• Для более рационального использования энергии в теплых регионах, можно вообще рассмотреть замену традиционного котлов на котлы, работающие на биомассе, тепловые насосы и системы рекуперации тепла из вентиляции.

Что немаловажно, альтернативные источники энергии обеспечат стабильность отопления вашего дома. Ведь, ни для никого не секрет, что во многих российских поселках и деревнях отключение электричества — довольно частое явление.

Солнечная энергия

Основной элемент домашней солнечной электростанции — фотоэлектрические элементы, изготовленные из кремниевых пластин. Под воздействием солнечного излучения, они вырабатывают электричество, при том совершенно бесплатно.

Солнечные коллекторы могут еще использоваться в качестве вторичного теплоносителя. Например, с помощью них можно поддерживать в доме постоянную горячую воду. Разумеется, необходимо правильно спроектировать такую установку, учесть число всех жителей и их потребность в горячей воде, а также уровень поступающего на крышу дома солнечного света. В идеале коллекторы должны быть установлены с южной стороны дома.

Ветряная энергия

Установка домашнего ветряка — тоже интересное, но пока что дорогое решение для большинства домовладельцев. Зато такая система менее зависима от погоды и числа солнечных дней — ветряки работают постоянно, меняя лишь крутящий момент.

Рекуператор и рекуперация тепла

Рекуператор — это специальное устройство, устанавливаемое в систему вентиляции, главная функция которого — возвращать исходящий из дома теплый воздух обратно в дом.

На рынке представлено множество моделей и типов рекуператоров. Стоят они относительно недорого. Для лучшего эффекта, рекомендуется выбирать устройства с максимальным КПД (свыше 90%) и потреблением не более 0,35 Вт мощности на 1 м3 воздуха.

Сочетание возобновляемых источников энергии: гибридные решения

В доме можно комбинировать более одного альтернативного источника энергии. Наиболее популярным решением являются гибридные коллекторы с использованием фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов. В тоже время они нагревают воду и вырабатывают электричество.

Энергию и тепло сегодня даже можно извлечь из сточных вод. На рынке есть так называемые системы отопления от сероводорода. Они собирают теплую воду, ранее использовавшуюся для стирки или мытья посуды, и передают ее в систему отопления дома. Эта система состоит из фильтра, специального резервуара для сточной воды и насоса.

Какое устройство выбрать для своего дома — решать вам. Если бюджет ограничен и вы не уверены в том, что устройство будет работать эффективно, рекомендуется начать с малого: установкой одной солнечной панели или рекуператора. А там уже смотреть.

Могут ли альтернативные системы энергии полностью заменить котел?

Нет, пока что не могут. Альтернативные источники энергии часто критикуют за их малую мощность — ни солнечные панели, ни ветряные электростанции, ни рекуператоры, разумеется, не смогут полностью решить проблему отопления и электричества частного дома. Или смогут, но это будет стоить слишком дорого.

Тем не менее, очевиден и другой факт — что такие устройства уже сегодня становятся важной составляющей инженерии многих домов, поскольку многие владельцы поняли, что такие системы позволяют неплохо сэкономить на счетах за газ и электроэнергию.

2. Замена котла на более эффективный

Отопительная установка — это сердце каждого дома. И если вы задумались о том, как сделать свой дом более энергоэффективным, впору подумать о замене котла. Тем более, если он старый и ему уже больше 10 лет.

Эффективность котлов определяют по КПД – т. е. коэффициенту их полезного действия. Как правило, этот показатель указывается на упаковке или сайте производителя.

В принципе все современные газовые и твердотопливные котлы отличаются высоким КПД — от 85-90% и выше. Тем не менее, даже несколько процентов КПД могут сэкономить вам десятки тысяч рублей на отоплении дома.

Самым высоким КПД обладают газовые конденсационные котлы, у которых этот параметр доходит до 98%. Однако слишком полагаться на этот показатель при выборе котла не стоит. Характерный пример: есть два вида газовых котлов: конвекционные и конденсационные. КПД первых составляет более 92%, вторых — около 85-90%. Однако в конвекционных котлах часть энергии теряется вместе с продуктами горения. И более экономичными с точки зрения потребления топлива являются конденсационные котлы.

Можно также рассмотреть замену котла на работающий от возобновляемых источников энергии. Одним из эффективных решений являются твердотопливные отопительные котлы, работающие за счет сжигания биомассы. Такие отопительные установки крайне экономичны и экологичны — весь СО2, образующийся при сжигании топлива, полностью поглощается деревьями и растениями и не попадает в атмосферу.

При выборе котла необходимо учитывать климатические условия и возможные тепловые потери здания. Затем следует определиться с типом топлива, что это будет: брикеты, пеллеты или щепы.

Другим решением для модернизации системы отопления может быть установка теплового насоса. Это устройство, которое позволяет извлекать тепловую энергию из земли, воздуха или воды. Принцип его работы заключается в передаче тепла, при помощи специального компрессора, из мест с низкой температурой в места с высокой температурой. Затем энергия конденсируется и передается в отапливаемое помещение.

Как и в случае использования других возобновляемых источников энергии, выбор теплового насоса должен также основываться на реальных потребностях членов семьи и специфике здания.

3. Минимизация потерь тепла из дома

В заключение этой статьи мы не можем не затронуть еще один важный аспект — минимизацию потерь тепла из дома. Ведь, очевидно, какими бы эффективными и современными не были источники энергии вашего дома, если он «дырявый как сито» — все труды будут напрасными, а экономия бюджета — минимальной.

Как же избавиться от потерь тепла? Поскольку мы уже ранее неоднократно писали на нашем портале Nedvio.com об энергоэффективности домов, различных утеплителях и пассивных технологиях строительства, рассмотрим эти факторы здесь кратко:

1. Улучшение теплоизоляции стен и кровли;
2. Выявление тепловых мостов и их устранение;
3. Замена окон и дверей на более теплоизолированные (предпочтительно с коэффициентом теплопередачи [U] до 1,0 Вт / м²K);
4. Модернизация естественной механической вентиляции дома в систему с рекуперацией тепла;
5. Теплоизоляция труб и установка более эффективных бойлеров.

Разумеется, это далеко не все факторы. Вот наглядная схема того, куда может уходить тепло из вашего дома:

Если следовать данным рекомендациям и привести дом в порядок, вы уже с первых недель заметите, что дом станет более теплым, а счета за отопление и электричество станут меньше. Ну а использование альтернативных, возобновляемых источников энергии поможет достичь вам еще лучших показателей комфорта и эффективности вашего дома.

Купить солнечные панели для дома

Не забудьте добавить сайт Недвио в Закладки. Рассказываем о строительстве, ремонте, загородной недвижимости интересно, с пользой и понятным языком.