Уже сейчас для системы жилищно-коммунального хозяйства разрабатываются и внедряются программы перехода с газо- на электропотребление, направленные на снижение экономической зависимости Украины от импорта энергоносителей, в том числе газа, а также пакеты нормативно-методических документов для обеспечения процессов проектирования, внедрения и эксплуатации принципиально новых технологий и систем [4, 5]. В последние годы во всем мире, а особенно в Западной Европе и Азии, возрос интерес к возобновляемым источникам энергии. В связи с повышением цен на энергоносители решение этого вопроса актуально и для Украины [1-5].

Отсутствие учета отпускаемой и потребляемой тепловой энергии, экономически необоснованные и несоответствующие реальной себестоимости тарифы не стимулируют внедрение мероприятий по снижению энергоемкости жилищно-коммунального хозяйства. В результате удельные, приведенные к одинаковым климатическим условиям затраты использования — на одного человека, на единицу производства национального продукта — в Украине существенно превышают мировой уровень [1, 2].

В городах, где теплоснабжение осуществляется от ТЭЦ или котельных, которые работают на угле (в том числе низкого качества), вопрос загрязнения окружающей среды и ухудшения экологической обстановки стоит очень остро. В настоящее время в мире работают свыше 1,5 млн систем солнечного теплоснабжения, большая часть которых предназначена для обеспечения потребностей горячего водоснабжения, но за последнее время в Западной Европе и Азии все чаще используют системы круглогодового децентрализованного комбинированного солнечного отопления зданий. В качестве основного источника теплоснабжения используются солнечные коллекторы, а в качестве «дублера» — котлы газовые, жидко-топливные, электрокотлы (для использования электроэнергии в часы «провалов» нагрузок в электросети, то есть в ночные часы, когда электроэнергия стоит значительно дешевле, чем в дневноe время).

Расширение масштабов использования энергии Солнца для теплоснабжения сдерживается в основном из-за высоких удельных капиталовложений при сооружении гелиосистем в сравнении с системами, работающими с использованием традиционных источников энергии. Заслуживает внимания опыт западных экономически развитых стран по разработке специальных программ, стимулирующих внедрение гелиоустановок в частном, коммерческом и муниципальном секторах. Например, при внедрении гелиосистем вступают в действие иные условия кредитования или предоставления финансовой помощи собственникам зданий или лицам, занятым новым строительством. Например, в Германии существует государственная программа стимулирования внедрения гелиосистем, с условиями которой может ознакомиться каждый потребитель.

Имея опыт разработки и внедрения систем солнечного теплоснабжения, коллектив авторов, не ожидая выпуска отечественного оснащения для внедрения систем с использованием возобновляемыхисточников энергии, начал работы по внедрению систем солнечного теплоснабжения с использованием импортного оборудования. Появление на рынке отечественного конкурентоспособного оснащения (цена, технические характеристики), разработка и введение в действие нормативных и методических документов позволят расширить внедрение систем солнечного теплоснабжения в Украине [6-10].

В качестве примера использования возобновляемых источников энергии рассмотрим техническое решение теплоснабжения двухэтажного коттеджа площадью 340 м2 с открытым бассейном, который
имеет площадь «зеркала» ванны 95 м2. Период строительства — 2005-2006 гг. Тепловая нагрузка на систему отопления и горячее водоснабжение составляет 32 кВт, на подогрев воды в бассейне — 40 кВт, на кондиционирование коттеджа — 14,5 кВт.

С целью экономии энергоресурсов принято решение частично покрыть тепловые нагрузки за счет возобновляемых источников теплоснабжения (гелиосистема и тепловой насос).

Теплоснабжение плавательного бассейна зависит от его типа. Для крытого бассейна нагрузка на теплоснабжение определяется нагрузкой на вентиляцию, температурой и влажностью помещения, требованиями к температуре ванны бассейна; для открытого бассейна — требованиями к температуре ванны бассейна и временем года, когда используется бассейн. На данном объекте бассейн используется с апреля по октябрь и его нагрузка на теплоснабжение полностью покрывается гелиосистемой.

Исходя из расчетов, для покрытия тепловой нагрузки и экономии расхода топлива принято следующее оборудование:

• солнечный коллектор — 4 шт,
• тепловой насос мощностью 21,0 кВт — 1 шт;
• буфер-накопитель емкостью 600 л — 1 шт;
• бойлер ГВС емкостью 300 л — 1 шт;
• котел на дизельном топливе мощностью 40 кВт — 1 шт.

Краткая техническая характеристика коллекторов, которые применяются в системе:

• коэффициент полезного действия 84 %;
• коэффициент теплопотерь К1 = 3,36 Вт/(м2 . К); К2=0,013 Вт/(м2 . К2);
• теплоемкость коллектора 6,4 кДж/(м2 . К);
• масса коллектора 60 кг;
• объем теплоносителя 2,2 л.

При интенсивности солнечной радиации 1000 Вт и отсутствии отбора теплоносителя температура солнечного коллектора равна 211 °С.

Солнечные коллекторы устанавливаются на кровле здания, одна из сторон которого ориентирована на юг (рис. 1).

Главный компонент солнечного коллектора — медный поглотитель с гелио-титановым покрытием — 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), обеспечивая этим минимальные потери тепла коллектора. Коллектор покрыт гелиостеклом с низким составом железа, что позволяет уменьшить теплопотери в окружающую среду (рис. 2, 3).

Расчет предлагаемой комбинированной системы солнечного теплонасосного теплоснабжения проведен с учетом технических характеристик:

• солнечных коллекторов;
• теплового насоса (ТНУ), а также характеристик грунта для коллектора ТНУ;
• котла, работающего на дизельном топливе;
• интенсивности солнечной радиации для проектируемой местности (ϕ= 50° северной широты, климатические условия Киева);
• наклона крыши (30°);
• ориентации солнечных коллекторов;
• сезонности использования коллекторов;
• системы автоматизации (контроллер в комплекте с датчиками температуры и пускателями, которые контролируют параметры и руководят работой котла, теплового насоса и солнечными коллекторами).

Тепловой насос (ТНУ), в рассматриваемом случае это тип «рассол/вода», использует тепло грунта, который имеет свойство сохранять тепло, полученное от солнца в течение длительного времени, при этом достигаются высокие коэффициенты мощности. Основная часть тепла, которое отдается потребителю, производится не за счет приводной энергии компрессора ТНУ, а является солнечной энергией, которая естественным образом накопилась в грунте. Эта часть энергии может быть в 3-5 раз больше, чем энергия, которая подается на компрессор ТНУ. Коэффициент мощности (КПД) ТНУ — это отношение тепловой мощности, которая отдается потребителю тепловым насосом, к электрической мощности, которая в настоящий момент подводится к тепловому насосу.

Для каждого ТНУ действует основное правило термодинамики: чем меньше разность температур между источником тепла (грунтовый аккумулятор) и потребителем тепла (буфер-накопитель), тем выше (лучше) коэффициент мощности.

Отбор тепла из грунта осуществляется с помощью проложенной в грунте системы пластиковых труб большой площади (рис. 4). Рассол циркулирует по пластиковым трубам, забирая при этом накопленное низко-потенциальное тепло грунта. ТНУ преобразует низко-потенциальное тепло в высокопотенциальное, используя при этом электроэнергию (аналогично холодильнику). Одним из достоинств данного ТНУ является свободное от фреона, негорючее и биологически расщепляемое рабочее вещество (хладагент) R 407 C. Одновременно с выработкой тепла ТНУ вырабатывает и холод, который используется для охлаждения помещений в летний период, при этом тепло от ТНУ накапливается в буфере и используется для теплоснабжения (рис. 5).


Краткаятехническая характеристика теплового насоса:

• номинальная тепловая мощность — 21,6 кВт;
• холодопроизводительность — 16,8 кВт;
• минимальная температура на вход в первичный контур — минус 5 °С;
• максимальная температура подачи греющего контура — +55 °С;
• температура охлаждающего контура — +5-11 °С;
• питание — 220 В;
• максимальная потребляемая мощность — 4,8 кВт;
• средний за период эксплуатации КПД — 4,61;

пониженный уровень шума благодаря использованию полностью герметичного компрессора Compliant Scroll с удвоенной системой глушения шума. Комбинированная солнечно-теплонасосная система теплоснабжения работает в автоматическом режиме и после наладки не требует вмешательства в работу потребителя (рис. 6).

Система автоматического регулирования построена на 4 взаимосвязанных контроллерах, информационный обмен между которыми производится через телекоммуникационную шину LON-BUS.
Комбинированная солнечно-теплонасосная установка функционирует следующим образом.

А. Бивалентное приготовление горячей воды
Тепловая энергия в бивалентном емкостном водонагревателе ГВС (Б-А) накапливается при помощи солнечной энергии. Температура, контролируемая нижним датчиком температуры ТЕ4, поддерживается на уровне Туст1. Если регистрируемая датчиком температуры солнечного коллектора ТЕ5 и датчиком температуры Б-А ТЕ4 разность превышает уставленную на контроллере (V200) разность температур
Туст2, включается циркуляционный насос гелиоконтура 23 для приготовления горячей воды — идет накопление тепла в Б-А. Управление работой циркуляционного насоса разбора ГВС 18 происходит при помощи контроллера 200 KW2.

При достижении датчиком ТЕ3 установленной температуры Б-А уставки Туст1, насос 23 отключается и включается циркуляционный насос гелиоконтура 20 — идет накопление тепла в буфере-накопителе (БН).
При отсутствии солнечной радиации либо недостаточной ее интенсивности верхняя часть Б-А нагревается теплом буфера-накопителя или котлом. Регулятор температуры Б-А с подключенным датчиком ТЕ3 (200 KW2) включает циркуляционный насос 19 греющего контура Б-А.

Б. Накопление тепла в буференакопителе (БН)
Тепловая энергия в БН накапливается с помощью солнечной энергии либо ТНУ. Если регистрируемая датчиком температуры солнечного коллектора ТЕ5 и датчиком температуры БН ТЕ1 разность превышает
уставленную на контроллере (V200) разность температур Туст4, включаются циркуляционные насосы гелиоконтура/БН 20, 21 — идет накопление тепла в БН. При этом температура в БН ограничивается микроэлектронным ограничителем температуры 24 контроллера (V200). Тепловой насос (ТНУ) для теплоснабжения запускается в случае, когда температура, измеренная верхним датчиком температуры БН ТЕ1, ниже установленной контроллером ТНУ (СD 60), при этом включаются насосы 11, 12 . Отключение ТНУ происходит, когда температура, измеренная нижним датчиком температуры БН ТЕ2, достигнет установленной контроллером ТНУ (СD 60) (Туст3).

В. Хладоснабжение коттеджа
В летние месяцы охлаждение коттеджа производится путем применения функции ТНУ «natural cooling». Это особый энергосберегающий метод охлаждения помещений, т.к. в этом случае, отбирая низко-потенциальное тепло земли от грунтового аккумулятора (8-12 °С), потребляется лишь незначительное количество электроэнергии для работы циркуляционных насосов.

Мощность ТНУ и соответствующий ему грунтовый аккумулятор подбираются, исходя из мощности системы охлаждения. При недостаточном охлаждении помещений включается ТНУ, который одновременно с теплом вырабатывает и холод.

Тепловой насос (ТНУ) для хладоснабжения запускается в случае, когда температура в контрольном помещении выше установленной Туст6 на контроллере СD 60, при этом включаются насосы 11, 12. ТНУ
одновременно с выработкой холода вырабатывает и тепловую энергию, которая поступает в буфер-накопитель (БН). При избытке накопленного тепла в БН, если температура, измеренная датчиком температуры в верхней точке БН, ТЕ1 выше Туст7 на контроллере СD 60, тепло отводится в окружающую среду.

Регулирование отбором холода для кондиционирования осуществляется системой автоматического регулирования оборудования контура кондиционирования.

Г. Теплоснабжение коттеджа
Котел теплоснабжения (отопление, ГВС) запускается в случае, если разность температур между верхним датчиком температуры БН ТЕ1 и датчиком температуры обратной магистрали теплоснабжающего контура ТЕ6 ниже установленной Туст5 на контроллере СD 60/200 KW2 . Контроллер переводит переключающий клапан 22 в положение «АВ-В» — возвращающийся теплоноситель подается через буферную емкость в водогрейный котел, который дополнительно догревает его (теплоноситель) до необходимой температуры. Аналогично, в случае, если температура в верхней точке Б-А ГВС ниже установленной температуры Туст8 на контроллере СD 60/200 KW2, запускается котел (контур ГВС), при этом насос 19 включен.

Д. Система отопления (радиаторного, напольного)
Отбор тепла, при необходимости, производится от общего распределительного коллектора. При этом включается насос 13. На распределительный коллектор тепло поступает либо от БН, либо от котла, в зависимости от требуемых температурных параметров теплоносителя. Потоки теплоносителя перераспределяются при помощи переключающего клапана 22 (положение «АВ-А» либо «АВ-В»). Регулирование температуры подачи теплоносителя на общий распределительный коллектор производится с помощью устройства погодозависимой регуляции и запрограммированными условиями эксплуатации (комфортный/экономичный режим). Режимы эксплуатации запрограммированы на контроллере СD 60/200 KW2.

Е. Отбор тепла для для радиаторного отопления
Отбор тепла производится по сигналу погодного датчика температуры ТЕ8, а также по сигналу датчика температуры внутри контрольного помещения ТЕ7, контролируемого контроллером 050 HK1W, при включении насоса 14. Температура греющего контура регулируется контроллером. Температура в подающем трубопроводе контролируется датчиком температуры ТЕ9, а управляющий сигнал поступает на 3-ходовый смесительный клапан с электроприводом 17 для погодозависимой регуляции и запрограммированными условиями эксплуатации (комфортный/экономичный режим).

Ж. Отбор тепла для напольного отопления
Отбор тепла производится по сигналу погодного датчика температуры ТЕ8, а также по сигналу датчика температуры внутри контрольного помещения ТЕ7/1, контролируемого контроллером 050 HK1W, при включении насоса 15. Температура греющего контура регулируется контроллером. Температура в подающем трубопроводе контролируется датчиком температуры в подающем трубопроводе ТЕ10, а управляющий сигнал поступает на 3-ходовый смесительный клапан с электроприводом 16 для погодозависимой регуляции и запрограммированными условиями эксплуатации (комфортный/экономичный режим).

Е. Теплоснабжение бассейна
Отбор тепла для подогрева воды в бассейне производится из буфера-накопителя при включении насоса циркуляции теплоносителя через теплообменник бассейна. Регулирование отбором тепла для подогрева воды в бассейне производится системой автоматического регулирования оборудованием бассейна. Таким образом, система автоматизации СТНУ выполняет, в соответствии с программой, оптимизационную задачу максимального использования возобновляемых источников энергии для тепло-хладоснабжения усадьбы.

Экономическое обоснование применения комбинированной солнечно-теплонасосной установки представлено в таблице.

Принятое решение со сроком окупаемости 2,99 года позволяет рассматривать объект как  «энергоэффективную усадьбу».

Принятое решение круглогодичного обеспечения потребностей собственника отдельного дома в теплоснабжении с использованием возобновляемых источников энергии, с одной стороны, имеет единичный, частный характер для Украины, а с другой — свидетельствует о том, что оно может быть использовано серийно с учетом требований разных заказчиков: отдельных собственников, муниципальных структур и т.д. Учитывая положительный опыт использования гелиосистем, следует считать целесообразным разработку механизма стимулирования привлечения инвестиций в муниципальный сектор со стороны государства через принятие национальных нормативных и законодательных актов.

Литература
1. Газовое бытие и энергетические проблемы Украины / А. Еременко // Зеркало недели. — 2005. 30 июля – 5 авг. (№ 29). — С. 1.
2. Иван Плачков об электрофикации быта, «кнуте» и «прянике»… / А. Еременко // Там же. — С. 10.
3. 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.
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 техніко-економічної доцільності застосування альтернативних джерел енергії на об'єктах житлово-громадського будівництва, схвал. НТР Держбуду України, 10.02.2005 р.
6. Энергосбережение в зданиях // Центр энергосбережения КиевЗНИИЭП. — № 19. — 2003. — № 3.
7. Разработка и внедрения автоматизированной системы солнечного горячего водоснабжения на базе ЯУМЦЕ г. Ялта: Отчет о НДР // КиївЗНДІЕП. — Киев, 1992.
8. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения. — Г.: Стройиздат, 1990.
9. 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).
10. ТП установки солнечного горячего водоснабжения сезонного действия производительностью 2.5;10; 30; 40; 50 м3/сут // Киев- ЗНИИЭП. — Киев, 2005.