Авторы Н.Н. Лантух, ООО «ТЕПЛОСЕРВИС»,

В.С.Щербатый, ООО «Технологии третьего тысячелетия»

В настоящее время как учёных, инженеров-теплоэнергетиков, практиков (проектировщиков, монтажников, эксплуатационников), так и рядовых граждан интересуют вопросы энергосбережения, которые становятся ключевыми. И это неудивительно, без преувеличения можно сказать, что человечество стоит на пороге энергетического кризиса. Цены на нефть и газ очень часто становятся «героями» информационных блоков новостей. Учитывая последнее резкое повышение цен на коммунальные услуги на Украине, многие понимают, что от цены на газ и нефть зависит их личное благосостояние и благосостояние общества в целом. Aктуальность и злободневность проблемы очевидна всем.

В условиях, когда в массе городов разрушена система централизованного теплоснабжения, её восстановление часто экономически нецелесообразно. Восстановление больших котелен и тепловых сетей, при отсутствии эксплуатации последних на протяжении нескольких лет, требует значительных, а часто экономически необоснованных капитальных затрат.

В связи с наличием в Украине большого количества атомных электростанций, значительно возросла установленная мощность энергетического оборудования, которое функционирует в базисном режиме, что при значительной суточной неравномерности электропотребления вызывает необходимость внедрения ряда мероприятий по обеспечению устойчивого режима электроэнергетической системы. В связи с этим, в настоящее время актуальны разработки систем теплоаккумуляционного электротеплоснабжения, которые аккумулируют энергию в часы провалов в графиках электрических нагрузок.

Закон Украины «Об энергосбережении» определяет экономические мероприятия для обеспечения и пути стимулирования энергосбережения, взаимную экономическую ответственность поставщиков и потребителей топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), экономичекие санкции за неэффективное их использование. В нем предусмотрены пути финансирования мероприятий относительно экономии и р ационального использования ТЭР.

В ряду первоочередных задач главное место занимает внедрение систем теплоснабжения с применением возобновляемых источников энергии.

Проблема создания эффективной системы солнечно-электрического теплоснабжения имеет сложный многофакторный характер, а также несет на себе нагрузку всего разнообразия форм и направлений использования энергии.

С целью эффективного использования установленного оборудования и увеличения объёмов экономии топливно-энергетических ресурсов, разработка и внедрение солнечно-электрических аккумуляционных систем теплоснабжения является очень актуальной в настоящее время.

Известна масса различных вариантов организации внедрения солнечно-электрического теплоснабжения. Один из них — ичспользование электроэнергии в часы провалов нагрузок на энергосистему, а также использование льготной оплаты в тарифах (которая для Киева выглядит так: «пиковая» зона — 0,65 грн за 1 кВт, «полупиковая» зона — 0,372 грн, «ночная» зона — 0,09 грн.). Такая схема позволяет снизить стоимость внедрения системы для конкретного потребителя , а также затраты на её эксплуатацию.

В правительстве Украины также есть понимание, что электроотопление выгодно экономически и экологично (Распоряжение Кабинета министров от 28 сентября 2006 г.№502-р).

Самые разумные потребители понимают, что система с низким энергопотреблением и дешевым обслуживанием — это удачное вложение капитала.

Комбинированное использование энергии солнца повышает эффективность внедряемой системы.

Отличие предложенной системы состоит в суммировании эффективности использования трех взаимосвязанных источников теплоснабжения: гелиосистема, электрокотел и тепловой насос.

Внедрение в Украине систем круглогодичного децентрализованного комбинированного солнечно-электрического электроаккумуляционного теплоснабжения зданий и сооружений позволит решить следующие задачи:

❏ использование электрической энергии в ночное время;

❏ улучшение работы энергосистемы в ночном провале нагрузок энергосистемы;

❏ покрытие 20-50% дефицита топлива за счёт внедрения возобновляемых источников энергии (тепловые насосы и солнечные коллекторы);

❏ внедрение высокоэффективных автономных источников теплоснабжения обеспечит сокращение потребление топлива на 30-40%, а сокращение капитальных затрат на восстановление теплоснабжения объекта больше чем в 2 раза (отпадает потребность в восстановлении тепловых сетей).

Основными мотивами инициирования Проекта были:

❏ рост цен на энергоносители;

❏ дефицит теплогенерирующих мощностей и неудовлетворительное качество услуг с теплоснабжения;

❏ нерентабельное использование тепловой энергии при централизованном теплоснабжении, что оказывает значительное воздействие на цену тепловой энергии у конечного потребителя.

Реализация Проекта имеет положительное влияние на окружающую среду благодаря уменьшению выбросов вредных веществ в атмосферу, вследствии сокращения потребления тепловой энергии от централизованного теплоснабжения и соответствующего снижения использования топлива теплогенерирующими мощностями, а главное — внедрением возобновляемых источников энергии.

Особенностью данного Проекта является комбинирование двух источников электроаккумуляционного теплоснабжения — это тепловой насос и электрокотел.

На данном объекте, электрокотел работает как вторая ступень теплового насоса (когда мощности теплового насоса недостаточно) и включается по таймеру только в часы провалов в графиках электрических нагрузок («ночной» тариф).

Комбинированная система солнечно-электрического аккумуляционного теплоснабжения (КСАС) предназначена для обеспечения 3-х зданий усадьбы площадью 250 м 2 отоплением, гарячим водоснабжением, охлаждением, а также подогревом воды в бассейне.

❏ Нагрузка на отопление — 22 кВт;

❏ Нагрузка на ГВС — 5 кВт;

❏ Нагрузка на подогрев воды в бассейне — 10 кВт;

❏ Нагрузка на охлаждение — 18 кВт.

Предлагаемое техническое решение состоит в следующем.

В теплопункте здания устанавливаются электрокотел, тепловой насос и комбинированный буфер-накопитель.

На крыше устанавливаются солнечные коллекторы (гелиосистема). Площадь гелиосистемы зависит от нагрузки на нужды ГВС и на подогрев воды в бассейне, а также климатических условиях местности, где расположен объект внедрения.

Исходя из расчётов, для покрытия тепловых нагрузок и экономии энергоносителей, принято следующее базовое оборудование:

❏ Солнечный коллектор — 6 шт;

❏ Буфер-накопитель ёмкостью 1500 л — 1 шт;

❏ Тепловой насос мощностью 18 кВт — 1шт.

❏ Электрокотел мощностью 20 кВт — 1шт.

Краткая техническая характеристика солнечных коллекторов, которые задействованы в системе:

❚ коэффициент полезного действия (КПД) — 84%;

❚ коэффициенты тепловых потерь К1 = 3,36 Вт/(м 2 . К), К2 = 0,013 Вт/(м 2 . К);

❚ теплоёмкость коллектора — 6,4 кДж/(м 2 . К);

❚ масса коллектора — 60 кг, объем теплоносителя — 2,2 л.

Главный компонент солнечного коллектора — медный поглотитель с гелиотитановым покрытием, который обеспечивает высокий уровень поглощения солнечной энергии и характеризуется незначительным уровнем тепловых потерь. На поглотителе установлена медная трубка, через которую протекает теплоноситель. Теплоноситель через медную трубку отбирает тепло от поглотителя, который защищен корпусом коллектора (с усиленной теплоизоляцией), тем самым обеспечивая минимальные потери тепла коллектора. Коллектор покрыт гелиостеклом с низким составом железа, что позволяет снизить потери тепла в окружающую среду.

Технологическая схема и подбор оборудования разработан с учетом технических характеристик оборудования, климатических данных, ориентации здания и соответсвенно ориентация установки солнечных коллекторов, сезонность использования коллекторов, система автоматизации, которая контролирует параметры и обеспечивает комфортные условия проживания, при этом оптимизируя эксплуатационные затраты.

Комбинированная система солнечно-электрического аккумуляционного теплоснабжения (КСАС) функционирует в автоматическом режиме и после наладки не требует вмешательства в её работу.

Учитывая, что имеющаяся система теплоснабжения имеет три режима эксплуатации (режим накопления тепловой энергии, рабочий режим и «экономичный» режим), с целью снижения потребления энергоносителей по заданному на контроллере алгоритму построены режимы накопления и расхода тепловой энергии на потребности отопления, подогрева воды в бассейне и ГВС.

Технологическая схема теплохладоснабжения

Комбинированная система солнечно-электрического аккумуляционного теплоснабжения (КСАС) приведена на рис. 1 и функционирует следующим образом.

Накопление тепла в Буфере-накопителе (БН) происходит от 3-х источников теплоснабжения: гелиосистемы, теплового насоса и котла.

■ Тепловая енергия в БН (3) накапливается с помощью солнечной энергии. Если разница температур, которая регистрируется датчиком температуры солнечного коллектора и датчиком температуры, установленным в нижней части БН (3), превышает установленную на контроллере температуру, то включается циркуляционный насос гелиоконтура (13) — происходит накопление тепла в БН (3). Отключение гелиосистемы происходит при достижении температуры, которая измеряется датчиком температуры БН (3), установленным на контроллере значения .

■ Тепловой насос (ТНУ) (1) вступает в работу, когда температура, измеряемая датчиком температуры БН(3), ниже установленной на контроллере. Отключение ТНУ (1) происходит при достижении температуры, измеряемой датчиком температуры БН (3), выше установленной на контроллере. Тепловой насос (ТНУ) (1) включается по таймеру в часы «провалов» в тарифах — это «полупиковая» и «ночная» зоны.

■ Котел (2) вступает в работу по таймеру в часы «провалов» в тарифах на электроэнергию только в «ночной» зоне в случае, когда температура, измеряемая верхним датчиком температуры БН (3), ниже установленной на контроллере, при этом вступает в работу тепловой насос (1). Если через отрезок времени, выставленный на контроллере, когда температура, измеряемая верхним датчиком температуры БН (3), не достигнет заданной величины, вступает в работу электрокотел — происходит аккумулирование тепловой энергии в ночные часы.

Отключение котла (2) происходит, когда температура, измеряемая датчиком температуры БН (3) достигнет установленной контроллером температуры.

■ В случае, когда температура, измеряемая верхним датчиком БН (3), выше заданного на контроллере значения температуры (нагрев БН (3) гелиосистемой достаточен), ни ТНУ (1), ни котел (2) не вступают в работу. В этом случае система теплопотребления обеспечиваетя теплом от БН (3).

Cистема отопления

Отбор тепла, при необходимости, происходит от БН (3). При этом включаются насосы (4) и (5). На отопительные приборы тепло поступает от БН (3). Регулирование температуры теплоносителя в системе отопления — централизованное (погодозависимое регулирование) и местное (на отопительных приборах). Если температура в БН (3) выше, чем необходимо в системе отопления, то путем подмешивания теплоносителя из обратного трубопровода системы отопления поддерживается необходимая температура на отопительных приборах.

Горячее водоснабжение

Отбор тепла для нужд ГВС происходит от БН (3). Температура в контуре ГВС в межотопительный период обеспечивается гелиосистемой и ТНУ (1), а в отопительный период — гелиосистемой, котлом (2) и ТНУ (1).

Охлаждение помещений

Летом охлаждение помещений здания происходит использованием функции теплового насоса (1) «natural cooling», путем непосредственного использования теплоёмкости грунта с температурой 8-12 °С в качестве источника «натурального охлаждения» помещений, не включая компрессор ТНУ (1).

При этом включается насос первичного контура ТНУ (1), а трехходовой клапан с электроприводом (9), устанавливается в положение «АВ — В». При условии, когда холода грунта недостаточно (нештатные климатические и эксплуатационные ситуации), включается компрессор ТНУ (1), и рассол из скважин дополнительно охлаждается тепловым насосом.

Нагрев воды для плавательного бассейна

Отбор тепла для нужд бассейна происходит от гелиосистемы, когда последняя нагрела воду для нужд ГВС. При этом трехходовой клапан с электроприводом (10) устанавливается в положение «А — В». Отбор тепла от гелиосистемы происходит от скоростного теплообменника (6) при включении насоса контура нагрева бассейна.

При недостаточной интенсивности солнечной радиации для нужд бассейна, бассейн догревается от БН (3). Отбор тепла от БН (3) происходит через скоростной теплообменник (7) при включении насоса контура бассейна. ■

Литература

1. Лантух Н.М., Щербатый В.С., Агeeва Г.М. Комбинированная солнечно-электрическая система теплоснабжения // С.О.К. — 2006. — № 8. — c. 20.
2. Лантух Н.М., Онищук Г.І., Агєєва Г.М., Щербатий В.С. Позитивний досвід використання геліосистем в житловому фонді України // Реконструкція житла. — 2005. — Вип. 6. — с. 304-311.
3. Агeeва Г.М., Лантух Н.М., Щербатый В.С. Комбинированная солнечно-теплонасосная установка // С.О.К. — 2005. — № 12. — c. 36.
4. ДБН В. 2.5. Обладнання будинків житлового і громадського призначення системами сонячного теплопостачання. Проектування, монтаж, експлуатація (проект) / Держбуд України, 2005. — ХХХ с.
5. Методичні рекомендації з обгрунтування технікоекономічної доцільності застосування альтернативних джерел енергії на об'єктах житлово-громадського будівництва, схвал. НТР Держбуду України 10.02.2005 р.
6. ТП технические решения и методические рекомендации по переоборудованию отопительных котельных в гелиотопливные установки для строительства в южных областях УССР. — 903-01- 33.88. — катал. л. № 060923.
7. КАБІНЕТ МІНІСТРІВ УКРАЇНИ РОЗПОРЯДЖЕННЯ від 28 вересня 2006 р. № 502-р «Про переведення населених пунктів на опалення електроенергією».