При наличии на участке строительства грунтовой воды, которую возможно получить из скважин с нужным дебитом, она может стать эффективным источником тепла, потому что ее температура обычно близка к 10 °С, и это хорошая предпосылка для создания эффективной отопительной системы на базе теплового насоса.
Проще всего взять грунтовую воду на земельном участке, примыкающем к водоему (
рис. 22).
Установленный в скважине 1 погружной насос 6 прокачивает грунтовую воду через испаритель 5 теплового насоса. Сжатый компрессором холодильный агент отдает теплоту конденсации в конденсаторе 4 воде, которая подогревается и подается насосом 7 в промежуточную емкость 9. Через эту же емкость насосом 8 прокачивается теплоноситель системы отопления 10. Охлажденная вода, отбираемая из скважины, через сброс 2 выливается в водоем, откуда она фильтруется через грунт и возвращается в скважину, по пути нагреваясь теплом грунта.
При расположении скважины в непосредственной близости от водоема температура воды, подаваемой насосом 6, может оказаться более низкой, чем обычно ожидают от грунтовой воды, и в этом случае нужно рассчитывать на худший случай, проектируя систему с необходимым запасом.
В большинстве случаев усадебные жилые дома строятся вдали от водоемов, и при благоприятных гидрогеологических условиях циркуляция грунтовой воды из водоносных слоев неглубокого заложения (глубокие скважины должны использоваться для извлечения воды питьевого качества) может быть организована посредством двух скважин (
рис. 23).
Погружной насос 6 подает воду из заборной скважины 1 в испаритель 5, где охлаждается и сбрасывается в скважину 11.
Расстояние около 30 метров между скважинами 1 и 11 обеспечит подогрев сбрасываемой воды до естественной температуры грунта, однако расстояние между скважинами может быть и меньше, если водопроницаемость водоносного слоя будет недостаточной. При значительном гидравлическом сопротивлении контура циркуляции, включающего в себя водоносный слой, мощность насоса 6 может оказаться определяющей при расчете энергетических показателей теплового насоса. Поэтому каждому проекту должны предшествовать гидрогеологические изыскания, и все технические решения проекта должны основываться на рекомендациях геологов, которые оформляют в местных органах власти все необходимые разрешения на проведение буровых работ.Исходной информацией для геологических изысканий должна быть необходимая для работы теплового насоса величина G, л/с, дебита скважин, которая определяется по формуле:
где Q — тепловая мощность, кВт, теплового насоса;
— коэффициент преобразования теплового насоса;
t — разность температур, °С, воды на входе в испаритель и на выходе из него.
Задача десятая. Предполагается, что тепловой насос системы отопления односемейного жилого дома, охарактеризованного в примере девятом, будет использовать грунтовую воду, которая охладится в испарителе на 5 °С. Определить необходимый для работы теплового насоса дебит скважины для выдачи соответствующего задания гидрогеологу.
Из условий примеров десятого и девятого определяем:
t = 5 °C,Q = 12 кВт, = 3,2.
По формуле 8 вычисляем:
G = 0,24 . 12 . (1 - 1/3,2)/5 = 0,4 л/с.
4.2.3.3. Грунт
Отнять тепловую энергию от грунта сложнее, чем от грунтовой воды, но зато это возможно практически везде. Быть может, только дом, строящийся на скале или в песчаной пустыне, не сможет обогреваться теплом, отобранным от грунта.
Теплообмен между незамерзающей жидкостью (обычно — этиленгликолем), охлажденной в испарителе теплового насоса, и грунтом можно организовать в вертикальном или в горизонтальном грунтовом теплообменнике. В практике европейских стран широко применяются оба типа теплообменников, но ограничения, накладываемые горизонтальным теплообменником на сельскохозяйственную деятельность, а также более глубокое по сравнению с большинством европейских стран промерзание грунта в климатических условиях Украины дают основания для предпочтительного применения у нас вертикальных грунтовых теплообменников.
Схема отопительного теплового насоса с вертикальным теплообменником представлена на
рис. 24.
В связи с отсутствием отечественного опыта применения тепловых насосов и невозможностью в связи с этим исследовать эффективность тех или иных технических решений, в дальнейшем изложении особенностей систем с грунтовым теплообменником используются рекомендации фирмы Viessman, приведенные в [11].
В одну или несколько скважин глубиною не более 150 метров вставляются петли из полиэтиленовых труб диаметром 25х2,3 или 32х3 мм. Обычно в одну скважину вставляются две петли, плоскости которых перпендикулярны друг другу. Пространство между трубами и грунтом заполняют материалом, хорошо проводящим тепло (бетонитом). Если устраивается несколько скважин, то расстояние между ними не должно быть меньше 6 метров.
В другом варианте исполнения вертикального грунтового теплообменника циркуляционный контур водного раствора этиленгликоля образуется двумя полиэтиленовыми трубами, расположенными одна в другой. По внутренней трубе охлажденный раствор подается в нижнюю зону теплообменника, откуда он возвращается по межтрубному пространству.
Длина вертикального теплообменника определяется физическими свойствами пород грунта, в которых теплообменник прокладывается. Удельный тепловой поток от грунта к теплообменнику может колебаться от 20 Вт/м в сухом песчаном грунте до 80 Вт/м в водоносном слое. Поэтому правильно рассчитать теплообменник можно лишь на основе данных геологических изысканий, которые должны охватывать все ожидаемые глубины. Для предварительных технико-экономических расчетов можно исходить из среднего значения 50 Вт/м. Именно это значение принято при расчете рекомендуемых (
табл. 4) размеров скважин, заполненных двойными петлями полиэтиленовых труб диаметром 32x3 мм. Холодильная мощность QX, кВт, теплового насоса определяется по формуле:
где Q — тепловая мощность, кВт;
— коэффициент преобразования теплового насоса.
Задача одиннадцатая. Тепловая мощность теплового насоса 20 кВт. В доме в качестве отопительных устройств использованы греющие полы, в которые подается вода с температурой 35 °С. Расчетная температура водного раствора этиленгликоля, подаваемого в вертикальный грунтовый теплообменник — 4 °С. Требуется предварительно оценить объемы работ по строительству грунтового теплообменника.
Прежде всего, по табл. 3 ориентировочно определяем, что коэффициент преобразования теплового насоса = 4. Далее по формуле (9) определяется холодильная мощность теплового насоса:
QX = 20 . (1 - 1/4) = 15 кВт.
Используя данные табл. 4, предварительно определяем, что потребуется три теплообменника глубиной 100 метров каждый.
4.2.3.4. Теплота стоков
До сих пор рассматривались источники рассеянной энергии, пригодные для использования, главным образом, в усадебном жилом доме. В городском многоэтажном доме для устройства вертикальных теплообменников пришлось бы бурить слишком глубокие скважины. Поэтому для тепловых насосов в городских районах нужен другой источник рассеянной энергии.
В разделе 4.1.3.2 определено, что одной из возможных и экономически целесообразных областей, в которых эффективно использовать электрическую энергию для теплоснабжения, является подогрев воды в квартирных емкостных водоподогревателях, включающихся ночью и потребляющих электрическую энергию по ночному тарифу. Источником тепла для отопительного теплового насоса в жилом доме, оборудованном такими водоподогревателями, могут служить канализационные сточные воды.
Принципиальная схема такого технического решения в самом общем виде представлена на
рис. 25.
На квартирном электрическом вводе 1 устанавливается двуставочный электросчетчик 2 с таймером, обеспечивающий учет ночного потребления электроэнергии по льготному тарифу. Теплоизолированный аппарат 3, заполненный водой из водопровода 4, ночью подогревает воду, после чего она в течение суток расходуется жителями в душе 5 и на другие бытовые нужды.
Трубопроводы канализационной системы дома выполняются раздельными для условно чистых теплых стоков 6 и для холодныхфекальных сточных вод 7. Перед тем, как условно чистые стоки смешаются с фекальными в общем выпуске 8, они отдадут свое тепло в теплообменнике 9, являющемся частью теплонасосной системы, состоящей из компрессора 10, испарителя 11 и конденсатора 12, через который циркулирует теплоноситель системы отопления 13.
Такая схема может быть реализована только в хорошо утепленном доме. Методика определения достаточной для использования теплового насоса теплозащиты здания будет приведена в прилoжении 2 в следующих номерах журнала.
4.2.3.5. Теплота конденсации холодильных машин
Если в жилой дом встраиваются офисные помещения, для которых проектируется система кондиционирования воздуха, то тепловой пункт такого дома рекомендуется выполнить по схеме
рис. 26.
Холод вырабатывается в испарителе 11.1 машины 11, которая имеет два конденсатора, — водяной (11.3) и воздушный (11.4). Вырабатывая холод, машина одновременно подогревает воду для горячего водоснабжения в водяном конденсаторе. Если нагрузка горячего водоснабжения недостаточна, автоматически включается в работу воздушный конденсатор. Машина работает на емкость 15, а насос 12 системы холодоснабжения подает охлажденную воду к кондиционерам. В водяном конденсаторе 11.3 подогревается нагнетаемый насосом 13 промежуточный теплоноситель, который в теплообменнике 14 подогревает воду, подаваемую на водоразбор. При работающих от тепловой сети водоподогревателях горячего водоснабжения (поз. 6 и 7), вода может подогреваться в теплообменнике 14 лишь частично, а заданную температуру воды в системе ГВС обеспечит регулирующий клапан 8.
Подогрев воды зимой решается традиционно — в водоподогревателе 6 первой ступени, обогреваемом водой из обратного трубопровода системы отопления, и в водоподогревателе 7 второй ступени, в котором вода подогревается теплоносителем из подающего трубопровода тепловой сети. Эффективность такого приготовления горячей воды определяется тем, что тепловая энергия, генерируемая холодильной машиной в процессе работы на систему кондиционирования, является побочным продуктом, который обычно сбрасывается в окружающую среду.
4.2.4. Экономическая эффективность преобразования энергии
Эффективность процесса преобразования рассеянной энергии в тепловом насосе прямо зависит от стоимости энергоносителей. Пока природный газ был дешев, у него не было конкурентов, и любое технико-экономическое сопоставление с другим источником энергии, в том числе с тепловым насосом, подтверждало этот факт.
В
табл. 5 приведены результаты* технико-экономического сопоставления двух вариантов тепло- и холодоснабжения коттеджа площадью м2 с системой кондиционирования при различных ценах на газ. В варианте с теплоснабжением системы отопления от газового котла (вариант «Газ») учтены затраты на котел, на систему водяного отопления с расчетными температурами 90-70 °С и на систему летнего охлаждения посредством сплит-систем.
В варианте с тепловым насосом используются вертикальные грунтовые теплообменники, тепловой насос «вода-вода» и система отопления и летнего охлаждения посредством фанкойлов.
Технико-экономическое сопоставление показало, что при мировой цене на газ 300 долл. за 1000 м3, которая ожидается в ближайшее время, тепловой насос позволит экономить около 4 тыс. грн в год, однако капитальные вложения окупятся примерно через 11 лет. Через несколько лет, когда стоимость газа поднимется до 600 долларов за 1000 м3, ежегодная экономия при использовании теплового насоса оценивается величиной около 10 тыс. грн. в год, а срок окупаемости дополнительных капвложений в систему тепло- и холодоснабжения с тепловым насосом сократится до 4,5 лет.
В более отдаленной перспективе, когда за один доллар нельзя будет купить более одного кубометра газа, у теплового насоса не будет конкурентов, подобно тому, как до 2006 г. в Украине не было конкурентов у газового котла. Такая же ситуация, вероятно, сохранится и на то время, когда газ навсегда исчезнет из недр Земли и газопроводов.
4.3. Солнечное излучение, преобразованное в коллекторах
4.3.1. Оценка актуальности применения солнечных коллекторов
Солнечным коллектором называют устройство, которое принимает лучистую энергию Солнца и преобразовывает ее в теплоту, пригодную для использования.
В условиях Украины с одного квадратного метра солнечного коллектора в течение летнего эксплуатационного сезона при самых благоприятных погодных условиях и безупречной эксплуатации можно получить столько же тепла, сколько выделяется при сгорании 50 м3 природного газа. Это означает, что при цене 100 долл. за 1000 м3 на каждом квадратном метре удастся сэкономить не более 5 долл. в год, в то время как стоимость солнечной установки, отнесенная к одному квадратному метру простейшего плоского коллектора, превышает 250-300 долл. Срок ее окупаемости при этом — более половины столетия при долговечности не более 15-20 лет. Поэтому солнечная энергия в Украине до 2006 г. для теплоснабжения практически не использовалась.
Даже при стоимости газа в Украине 600 долл. за 1000 м3 срок окупаемости солнечной водоподогревательной установки не будет привлекательным для большинства инвесторов. Вместе с тем, известно, что во многих странах эти водоподогреватели широко применяются при гораздо более низких ценах традиционного топлива. Чтобы оценить возможности использования солнечных коллекторов в Украине, важно понять причины их активного использования за рубежом.
Таких причин три:
1. Государство помогает тем, кто покупает солнечные коллекторы. Производители продают коллекторы со скидками, потери от которых возмещает им государство.
2. Государство заставляет инвесторов, вкладывающих деньги в новое строительство, применять солнечные коллекторы. Например, в Испании ни одно новое городское здание не может быть построено без солнечных водоподогревателей.
3. Государства и средства массовой информации во многих странах создают атмосферу стимуляции всяческих мер, направленных на экономию топлива и защиту окружающей среды. Поэтому применение солнечных коллекторов в этих странах престижно, в то время как абсолютная величина затрат на устройство солнечных водоподогревателей не пугает тех, чьи доходы по западным меркам достаточны для полноценной жизни.
В Украине эти факторы, способствующие широкому применению солнечных коллекторов, пока не работают, хотя фактор престижности применительно к солнечным установкам присутствует, и его роль будет со временем возрастать. Кроме того, будет расти и цена природного газа. Во многих городских домах горячее водоснабжение вообще не включают летом, и солнечные установки при наличии у жителей достаточных денежных средств могли бы в теплое время года делать работу, которую перестали выполнять коммунальные службы.
Эти обстоятельства побуждают включить в состав настоящего пособия информацию о проектировании солнечных коллекторов для того, чтобы отсутствие такой информации не стало еще одной причиной их неприменения в Украине.
4.3.2. Область применения коллекторов
Коллекторы бывают плоские и вакуумные. Коэффициент полезного действия вакуумных коллекторов при высоких температурах теплоносителя выше, чем у плоских (
рис. 27), но они гораздо дороже. Преимущественной областью применения солнечных коллекторов является подогрев в теплое время года воды, используемой в системе горячего водоснабжения. В этих системах разность температур подогретой воды и окружающего солнечный коллектор воздуха обычно лежит в интервале 20…40 °С, в котором более дешевые плоские коллекторы работают с коэффициентом полезного действия, отличающимся не более чем на 7% от КПД очень дорогого вакуумного коллектора.
Хорошо смонтированные плоские солнечные коллекторы красиво вписываются в скатную кровлю односемейного дома, и их применение в коттедже всегда привлекательно. Применение солнечных коллекторов в городских многоэтажных зданиях могло бы быть обосновано тем, что в период проведения летних ремонтов и гидравлических испытаний теплотрасс жители смогут пользоваться горячей водой, не ощущая неудобств от этой деятельности теплоснабжающих организаций. В остальное время летнего периода платежи за горячее водоснабжение будут минимальными.
4.3.3. Основные элементы солнечного водоподогревателя
Солнечная установка горячего водоснабжения, как правило, состоит из пяти основных элементов (
рис. 28). Солнечный коллектор 1 служит для приема солнечного тепла, теплообменник 2 передает тепло от первичного контура, который обычно заполняют незамерзающей жидкостью, во вторичный контур, насосы 3 и 4 обеспечивают циркуляцию в каждом из контуров, а в баке-аккумуляторе 5 накапливается горячая вода перед тем, как она будет израсходована в системе горячего водоснабжения.
Иногда проектировщики пытаются исключить некоторые из основных элементов, но такое «упрощение» приводит к резкому ухудшению эксплуатационных качеств солнечной установки.
Например, можно было бы обойтись без теплообменника, но тогда солнечный коллектор будет подвергнут повышенной опасности коррозии, и в нем будут отлагаться соли жесткости. Кроме того, его придется на зиму опорожнять от воды, чтобы он не заледенел, и заполнять азотом, чтобы не заржавел.
Можно было бы организовать естественную циркуляцию и не применять насосы, но тогда возрастут габариты установки, ее вес и диаметры трубопроводов, в то время как современные насосы справляются с задачей обеспечения циркуляции с минимальными затратами энергии и практически бесшумно.
Если не устанавливать бак-аккумулятор, то даже кратковременное затенение солнечного коллектора случайным облаком станет причиной прекращения подогрева.
Поэтому в дальнейшем изложении упрощенные схемы приготовления горячей воды не рассматриваются.
4.3.4. Принципы конструирования солнечных установок
Солнечные коллекторы летних систем горячего водоснабжения должны быть ориентированы к югу с уклоном к горизонту от 30° в Крыму до 35° на севере Украины. Площадь солнечных коллекторов в жилых домах рекомендуется определять расчетом по методике, изложенной в приложении 3. Обычно на каждого жителя приходится 1-1,5 м2 солнечных коллектора. Емкость бака-аккумулятора рассчитывают с учетом суточного графика потребления воды, характерного для жилого дома, и графика поступления солнечной теплоты. Опытом установлено [13], что удельная емкость бака, м3, отнесенная к 1 м2 солнечного коллектора должна находиться в интервале значений 0,06-0,08.
Производительность G1, м3/ч, циркуляционного насоса первичного контура циркуляции (поз. 3 на рис. 28) определяется по формуле
где q — удельный тепловой поток, Вт/м2, солнечного излучения, падающего на наклонную поверхность коллектора в максимальный для этой поверхности час. Величина q рассчитывается по методике, изложенной в приложении 3. Для предварительных расчетов принимают q = 1000 Вт/м2;
F — площадь, м2, солнечных коллекторов;
K — коэффициент полезного действия солнечного коллектора, который принимают по каталожным характеристикам производителя, а при отсутствии этих данных — по рис. 27;
c1— теплоемкость водного раствора этиленгликоля, кДж/(кг . ч . °С);
1 — объемная масса, кг/м3, водного раствора этиленгликоля, циркулирующего в первом контуре.
Данные о свойствах водных растворов этиленгликоля приведены в
табл. 6.
Т1 и Т2 — расчетные температуры, °С, теплоносителя на выходе из солнечного коллектора и на входе в него.
Эти температуры при наличии бакааккумулятора обычно принимают равными соответственно 55 и 40 °С. Давление циркуляционного насоса первичного контура циркуляции определяют по величине гидравлических потерь, включающих в себя потери давления в солнечном коллекторе и в контуре греющей воды теплообменника.
Производительность G2, м3/ч, циркуляционного насоса вторичного контура циркуляции (поз. 4 на
рис. 28) определяется по формуле:
где c2 — теплоемкость и 2 — объемная масса воды, равные соответственно 4,187 кДж/(кг . ч . °С) и 1000 кг/м3;
t1 и t2 — расчетные температуры, °С, воды на входе в бак-аккумулятор и на выходе из него, которые обычно принимают равными соответственно 50 и 35 °С.
Давление циркуляционного насоса вторичного контура циркуляции определяют по величине гидравлических потерь, включающих в себя потери давления в контуре нагреваемой воды теплообменника.
Исходными данными для выбора теплообменника служат расходы жидкостей G1 и G2, температуры Т1, Т2, t1 и t2, а также заданные с учетом давлений, развиваемых насосами, величины гидравлических потерь в каждом из контуров теплообменника.
Задача двенадцатая. Семья из шести человек решила установить в своем коттедже солнечную установку горячего водоснабжения, чтобы не расходовать газ в летнее время. Требуется предварительно определить потребность в основном оборудовании и оценить целесообразность этого решения.
Площадь F солнечных коллекторов для жилого дома предварительно определяется из расчета 1-1,5 м2 на человека. Приняв среднее значение, получим F = 1,25 . 6 = 7,5 м2. Если принять 8 коллекторов площадью 1 м2 каждый, то F = 8 м2.
Емкость V бака-аккумулятора определяется из расчета 0,06-0,08 м3/м2. Приняв меньшее значение, получим V = 0,06 . 8 = 0,48 м3. Бака емкостью 500 л будет достаточно.
Циркуляционный насос первичного контура нужно подобрать по производительности G1, которую рассчитываем по формуле 10, в которой принимается:
q = 1000 Вт/м2;
K = 0,6;
с1 = 3,61 кДж/(кг . ч . °С);
1 = 1055 кг/м3 (для 43%-ого раствора этиленгликоля);
Т1 = 55 °С,Т2 = 40 °С.
G1 = 3,6 . 1000 . 8 . 0,6/
/(3,61 . 1055 . (55 - 40)) = 0,302 м3/ч.
Полагая, что гидравлическое сопротивление теплообменника по контуру греющей воды будет около 50 кПа, общая потеря давления в этом контуре предварительно оценивается величиной 80 кПа. Для этой цели подойдет, например, насос Wilo TOP-S 25/7 мощностью 0,2 кВт.
Циркуляционный насос вторичного контура подбирается по производительности G2, которую рассчитываем по формуле 11, в которой принимается:
с2 = 4,187 кДж/(кг . ч . °С);
2 = 1000 кг/м3 (для воды);
t1 = 50 °С, t2 = 35 °С.
G2 = 3,6 . 1000 . 8 . 0,6/
/(4,187 . 1000 . (55 - 40)) = 0,275 м3/ч.
Если гидравлическое сопротивление теплообменника по контуру нагреваемой воды будет около 50 кПа, то общая потеря давления в этом контуре предварительно оценивается величиной 60 кПа. Подходящий насос — Wilo TOP-S 25/5 мощностью 0,09 кВт.
Исходными данными для подбора теплообменника будут расходы этиленгликоля G1 = 0,309 м3/ч и воды G2 = 0,275 м3/ч, температуры Т1 = 55 °С, Т2 = 40 °С, t1 = 50 °С, t2 = 35 °С, а также предельные потери давления 50 кПа в каждом из контуров. После подбора теплообменника, который обычно выполняется производителем по специальной программе, уточняются величины гидравлических потерь в каждом контуре, после чего уточняются параметры циркуляционных насосов.
Полученная предварительным расчетом информация достаточна для того, чтобы фирмы-поставщики оборудования предложили свои цены. Цены могут быть разные, но скорее всего, такая солнечная установка будет стоить не менее 2,5 тыс. долл. При рациональной эксплуатации в условиях не дождливого лета семья сможет сэкономить 50 м3 газа на каждом квадратном метре солнечного коллектора, или около 400 м3 природного газа в год. Экономия ежегодных затрат даже при достаточно дорогом газе, продаваемом за 250 долларов за 1000 м3, составит не более 100 долл. при сроке окупаемости 25 лет. Невыгодно.
С другой стороны, 2,5 тысячи долл. — цена невысокая по сравнению со стоимостью коттеджа, в котором солнечная водоподогревательная установка могла бы стать украшением и предметом гордости семьи, заботящейся о своем престиже.
В Украине другие стимулы для использования солнечной энергии пока не работают.
Литература1. ДБН В2.2-15-2005. Жилые здания. Основные положения.2. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование, с изм. 1 и 2.3. СНиП II-3-79. Строительная теплотехника, с изм. 1.4. Пособие по проектированию систем водяного отопления к СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование. — Изд. КиевЗНИИЭП.— 2001.5. Альбом рекомендаций по применению современного эффективного оборудования в системах отопления и горячего водоснабжения зданий при централизованном теплоснабжении.— Изд.КиевЗНИИЭП.— 2003.6. Гершкович В.Ф.Почему не состоялось энергосбережение // Новости теплоснабжения.— Москва. — 2004.— № 7 (47).7. СНиП 2.04.01-85. Внутренний водопровод и канализация, с изм. 1.8. Рекомендации по применению теплообменников ТТАИ в тепловых пунктах жилых и общественных зданий // Изд.КиевЗНИИЭП.— 2005.9. ДБН В.2.5-24-2003. Электрическая кабельная система отопления.10. Первый опыт горячего водоснабжения от теплового насоса // Энергосбережение в зданиях.— 1998. — № 3 (7).11. Viessman. Системы тепловых насосов. Инструкция по проектированию. 5829 122-2 GUS 2/2000.12. Heizung und Klimatechnik 97/98 R // Oldenbourg Verlag.— Munchen,Wien.— 1997.13. Установки солнечного горячего водоснабжения. ВСН 52-86 / Госгражданстрой. — М.: Стройиздат, 1988.Автор Гершкович В.Ф.,руководитель Центра энергосбережения КиевЗНИИЭП, канд. техн. наук
