Автор В.Ф. Гершкович, канд. техн. наук, руководитель центра энергосбережения КиевЗНИИЭП

О разработанном в КиевЗНИ-ИЭПе проекте такого дома была короткая публикация три года тому назад. Одна из глав обзорного материала [1], посвященного все более широкому применению в большинстве государств мира возобновляемых источников энергии, называлась: «Дом, которому не нужны ни котлы, ни теплотрасса».

В статье шла речь о том, что, если исходить из реальной угрозы исчезновения природного газа, то недостаточно применять устройства, уменьшающие его потребление. Нужно своевременно отрабатывать технику, способную вообще обходиться без газа. Такую возможность открывают тепловые насосы, использующие для отопления энергию окружающей среды.

Наш опыт [2] применения теплового насоса для горячего водоснабжения общежития аспирантов института, где в течение всего года используется теплота канализационных стоков, грунта и атмосферного воздуха, был первым, сделанным в Украине реальным шагом в этом направлении.

Вместе с тем, реализованный проект не дает особого повода для оптимизма, поскольку основной потребитель тепловой энергии в здании, система отопления, остается зависимой от внешнего источника тепловой энергии. Нами была сделана попытка уйти от этой зависимости. Был разработан проект ( рис. 1 ) 20-квартирного жилого дома, которому не нужны ни котлы, ни теплотрасса. И, несмотря на то, что проект этот по не зависящим от института причинам остался нереализованным, его технические решения могут представить интерес для тех, кто, возможно, вознамерится реализовать его или разработать другой проект, основанный на принципах использования природной и бросовой энергии.

В информационном сборнике Киев-ЗНИИЭП «Энергосбережение в зданиях» до сего времени не было подробной информации об этом проекте, потому что предполагалось, в конце концов, сообщить нашему читателю о построенном объекте с фотографиями наиболее интересных его деталей и описаниями работы всех инженерных систем дома. Теперь, когда надежда на реализацию проекта практически исчезла, осталось рассказать о проектных решениях, потому что они нетрадиционны и могут дать пищу не только для размышления, но и для критики, всегда способствующей совершенствованию.

Источниками тепла для системы отопления служат:

1. Канализационные сточные воды.

2. Массив грунта, расположенного под домом.

3. Вытяжной воздух. Несмотря на то, что в большинстве реализованных за рубежом системах с тепловыми насосами основным источником тепла служит грунт, в нашем проекте главная роль принадлежит сточным водам, в то время как грунт и вытяжной воздух играют важную, но вспомогательную роль.

Такой подход оправдывается тем, что канализационные стоки продуцируются домом, для которого разрабатывается система отопления, и отобрать эту теплоту можно непосредственно в доме, в то время как для отбора теплоты грунта неизбежно нужно вторгаться в пространство, дому не принадлежащее.

Грунтовые теплообменники безусловно хороши для домов усадебных, где проникновение в грунтовый массив, как правило, не вызывает больших проблем. В плотной городской застройке многоэтажными домами невозможно представить ситуацию, при которой каждый дом при помощи многокилометровых грунтовых зондов смог бы черпать для себя необходимое количество тепла. И, хотя это возможно для отдельного здания, в нашем случае предполагалось найти такое проектное решение, которое могло бы претендовать на повсеместное применение в любом городском районе. Сточные воды жилого дома хороши еще тем, что их температурный потенциал заметно выше, чем у любого другого имеющегося в городе низкопотенциального теплового источника. Даже если не разделять стоки на условно чистые и фекальные, можно рассчитывать, как показали наши измерения [2], на максимальную температуру 30 °C, в то время как вытяжной воздух характеризуется температурой около 20 °C, а естественная температура грунта не превышает 10 °C.

В то же время, следует признать, что канализационные сточные воды — это не слишком удобный для использования теплоноситель, которому свойственны три недостатка:

1. Ни в каком стандартном теплообменнике невозможно отобрать тепло у канализационных стоков.

2. Теплового потенциала канализационных стоков жилого дома достаточно только для горячего водоснабжения этого дома. Обеспечить потребности дома в отоплении и горячем водоснабжении, используя только теплоту стоков, невозможно.

3. Расход стоков характерен суточной неравномерностью, в то время как тепловая мощность системы отопления в течение суток изменяется незначительно.

Эти недостатки создавали проблемы, которые в нашем проекте были решены следующим образом.

Весьма совершенная нестандартная конструкция сточно-гликолевого теплообменника была предварительно отработана и испытана в экспериментальной системе общежития аспирантов КиевЗНИИЭП. Эта конструкция описана [3], и результаты ее исследования также опубликованы [2].

В результате удалось охладить стоки без какого-либо вмешательства в гидравлическую систему самотечной хозяйственно-бытовой канализации. Тепловой потенциал канализационных стоков используется только для отопления. Горячее водоснабжение жилого дома решается квартирными

емкостными водонагревателями, использующими электрическую энергию исключительно в ночное время, когда она отпускается по льготному тарифу. Для выравнивания тепловой нагрузки теплового насоса используется, кроме теплоты стоков, теплота грунта и вытяжного воздуха.

На рис. 2 показана принципиальная схема системы инженерного оборудования жилого дома с тепловыми насосами, которые являются единственными источниками тепла для отопления этого городского здания.

Два тепловых насоса 1 общей тепловой мощностью 91 кВт должны обеспечить все потребности системы отопления в тепле.

Все источники низкопотенциального тепла (поз. 2, 3, 4 ) связаны в общий циркуляционный контур с испарителями тепловых насосов, в то время как контур конденсаторов замыкается на баках-аккумуляторах 7 , в которых накапливается горячая вода, подаваемая по надобности к радиаторам 26 .

Мы не стали применять часто рекомендуемую в случае использования теплового насоса систему отопления с обогревом пола, потому что не всем такая система нравится, а любая возможная субъективная жалоба, связанная с особенностями теплого пола, могла бы повлиять на общую оценку

жителями экспериментальной системы. Поэтому применена радиаторная система отопления с расчетными температурами теплоносителя 50-40 °C. Расчетные энергетические показатели такой системы несколько хуже, чем при обогреве пола, зато привычные для обывателя батареи современного дизайна не должны вызывать его беспокойства.

Низкие температуры теплоносителя не стали причиной установки слишком больших радиаторов в комнатах. Самый большой радиатор состоит из 17 секций, а в большинстве комнат стоят 12-секционные радиаторы при ширине секции всего 80 мм. Дом был запроектирован с хорошей тепловой изоляцией. Термическое сопротивление стен составляет 3,5 м 2 . К/Вт, и окна в комнатах нормальных размеров. Нам удалось защитить это здание от современных архитектурных стекло-излишеств.

Еще одной причиной относительно низкой тепловой нагрузки стало сокращение расходов тепла на вентиляцию. Как известно, действующими нормами регламентирован однократный воздухообмен в жилых помещениях, и отопительные приборы должны рассчитываться на подогрев врывающегося через окна наружного воздуха. В проекте применены комнатные рекуперационные приточно-вытяжные аппараты ТеФо [4] с эффективностью рекуперативного теплообмена 0,7. Таким образом, расход тепла

на подогрев приточного воздуха уменьшился в три раза по сравнению с обычным проектом.

В результате всех предусмотренных проектом мер по теплозащите здания, удельные, отнесенные к одному квадратному метру отапливаемой площади, значения тепловой мощности системы отопления и расхода электрической энергии на отопление за год не должны превышать расчетных величин 25,6 Вт/м 2 и 12,4 кВт . ч/(м 2 . год). Эти показатели ( табл. 1 ) находятся в ряду соответствующих показателей наиболее эффективных жилых домов, построенных в Европе за последние годы.

Было бы нерационально, если бы отопительная техника, способная вырабатывать холод, не использовалась в летнее время. Потому предполагалась централизованная выработка холода в

тепловых насосах для неавтономных кондиционеров 21 (фанкойлов), устанавливаемых в запотолочном пространстве квартирных коридоров. При этом теплота конденсации холодильного агента должна отводиться с использованием в летнее время теплообменника 16 в грунтовые теплообменники 2 , посредством которых некоторое количество летнего тепла будет аккумулироваться в грунтовом

массиве с последующим его использованием зимой в тепловом насосе. Вертикальные грунтовые теплообменники предполагалось установить в 16-ти скважинах глубиной 50 м каждая, пробуренных в подвале дома на расстоянии 5-6 м одна от другой.

Тепловые насосы в экспериментальной отопительной установке должны дублироваться резервным источником энергии. В качестве такого источника предполагалось использовать теплоэлектронагреватели 30, встроенные в теплоаккумулирующие емкости.

Используя расчетные данные табл. 1 , нетрудно определить, что ожидаемый коэффициент преобразования теплового насоса в экспериментальном доме должен был бы быть на уровне 3,5-3,6. Стоимость оборудования и трубопроводов системы теплоснабжения от теплового насоса, отнесенная к 1 м 2 общей площади дома оценивается величиной $ 80. Это примерно 4% от общих затрат на строительство дома. Не так уж дорого стоит отопление, независимое от газопроводов и тепло-

трасс.

При нынешних ценах на электроэнергию жители каждой квартиры платили бы за отопление около 70 грн. в месяц. В таком же доме при централизованном теплоснабжении при нынешних ценах на тепловую энергию пришлось бы платить около 110 грн. в месяц. Эта разница покроет дополнительные единовременные затраты на строительство при нынешних ценах на энергоносители примерно за 12 лет. В ближайшие годы цена на природный газ в Украине достигнет нынешнего европейского уровня, то есть вырастет в несколько раз, в то время как цена на электрическую энергию увеличится не более, чем на несколько десятков процентов. Поэтому весьма вероятно, что дополнительные затраты на строительство дома, который будет построен через год, окупятся уже через 4-5 лет. Самое время начинать строительство городских домов с тепловыми насосами. ■

Литература

1. За бортом Нового Ковчега. Мир спешит осваивать новые энергетические источники. Мы не торопимся // Энергосбережение в зданиях. — 2004. — № 4 (23).

2. Исследование работы теплового насоса, использующего теплоту грунта и канализационных стоков, в системе горячего водоснабжения // Энергосбережение в зданиях. — 2007. — № 2 (33).

3. От простого погодного регулятора до нулевого теплопотребления. Этапы модернизации теплоснабжения жилого дома // нергосбережение в зданиях. — 2006. — № 2 (29).

4. Хорошо , когда в комнате есть теплая форточка // Энергосбережение в зданиях. — 2004. — № 3 (22).