|
В статье |
|
Общемировой тренд на сокращение выбросов парниковых газов, в том числе углекислого газа, требует поиска и применения альтернативных энергоэффективных, экологически безопасных способов получения энергии. Взамен сжигания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) необходимо внедрять оборудование, работающее на возобновляемых источниках энергии — энергии солнца, ветра, воды и т. п. Одним из типов такого оборудования являются тепловые насосы (ТН).
Интерес к тепловым насосам как источнику тепловой энергии растёт, о чём, в частности, свидетельствуют многочисленные публикации на эту тему в журнале СОК [1, 2]. Многие вопросы, касающиеся этой темы, освещены специалистами довольно подробно. Так как вопрос применения тепловых насосов всё чаще переходит из теоретической плоскости в практическую, необходимо подробнее остановиться на особенностях проектов, в которых применяются ТН.
Начнём с того, что применение такого оборудования в качестве источника тепла в автономных системах отопления стало возможным в том числе благодаря появлению эффективных теплоизоляционных материалов для частных жилых домов и коттеджей. Например, слой минеральной ваты толщиной 10 см по теплоизоляционным характеристикам равен кирпичной кладке толщиной примерно 1,5 м. Почему теплоизоляция зданий — важный фактор, станет понятно далее, при рассмотрении такого понятия, как температурный режим отопления.
Следует отметить, что проект автономной отопительной системы отличается повышенной сложностью. Поэтому для гарантии комфорта и исключения необоснованного удорожания проект должен разрабатываться специалистами в соответствии с действующими нормами и правилами.
Для разработки проекта предоставляются исходные данные (особенности объекта, требования жильцов, информация о коммуникациях и т. д.). На основании этих данных составляется техническое задание (ТЗ), которое передаётся проектировщику.
Рассмотрим особенности и основные этапы на примере проекта автономного низкотемпературного отопления с использованием теплового насоса «воздух-вода» марки IGC в коттедже в Ногинском районе Подмосковья.
Потребная тепловая мощность здания для компенсации теплопотерь была рассчитана с помощью специальной программы. В результате было установлено, что требуется источник тепловой энергии мощностью не менее 10 кВт.
По рекомендации специалистов выбрали моноблочный тепловой насос «воздух-вода» марки IGC модели IHP-MB10RH мощностью 10 кВт (рис. 1). Агрегат является универсальной системой, так как может применяться как для отопления, так и для охлаждения помещения.
Рис. 1. Моноблочный тепловой насос «воздух-вода» IGC IHP‑MB10RH
ТН модели IHP-MB10RH марки IGC представляет собой моноблочный агрегат, в корпусе которого одновременно размещены элементы фреонового контура и узел подачи теплоносителя для потребителя (гидромодуль). Основные элементы фреонового контура: компрессор типа DC Inverter переменной мощности, теплообменник «фреон-воздух», вентилятор с переменной частотой (рис. 2). В качестве хладагента применяется фреон R32.
Рис. 2. Устройство теплового насоса IGC IHP‑MB10RH (1 — компрессор; 2 — циркуляционный насос; 3 — пластинчатый теплообменник «фреон-вода»; 4 — контактная колодка внешних элементов; 5 — плата управления; 6 — теплообменник «фреон-воздух»; 7 — обогреватель поддона корпуса; 8 — вентилятор; 9 — проточный электрический водонагреватель; 10 — расширительный бак)
Особенностью конструкции любого теплового насоса является наличие электрического обогревателя в поддоне корпуса, а также увеличенная поверхность теплообменника «фреон-воздух» по сравнению с обычными сплит-системами.
Для исключения замерзания и выхода из строя трубопровода теплоносителя при размещении ТН в зоне отрицательных температур необходимо использовать антифризы на основе безопасного пропиленгликоля.
В состав гидромодуля входят циркуляционный насос (напор до 9 м), пластинчатый теплообменник «фреон-вода», расширительный бак (8 л) и проточный электрический нагреватель (3 кВт).
Установленные заводом параметры циркуляционного насоса и расширительного бака позволяют применять тепловой насос в отопительной системе с длиной трассы теплоносителя до 40 м.
Проточный электрический нагреватель (3 кВт) компенсирует недостающую мощность теплового насоса при понижении температуры окружающего воздуха ниже точки бивалентности.
Возвращаясь к проекту, напомним, что главной характеристикой системы отопления является температурный режим — зависимость температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах от температуры наружного воздуха.
Типовые температурные режимы систем отопления представлены в табл. 1.
Табл. 1. Типовые температурные режимы систем отопления
| Режим (подача/обратная/комната), °C | Напор Δt, °C | Тип системы отопления |
|---|---|---|
| 55/45/20 | 30 | Низкотемпературные системы: тепловые насосы, тёплые полы (применение смесительного узла) |
| 75/55/20 | 45 | Смешанные системы: «комфортный» режим котла |
| 90/70/20 | 60 | Горячие системы: быстрый прогрев |
| 100/80/20 | 70 | Очень горячий режим; при данном Δt в каталогах указывается «паспортная мощность» |
Подбор отопительных приборов
Отопление на базе теплового насоса «воздух-вода» относится к низкотемпературным системам отопления (55/45 °C). Тип системы является определяющим фактором проекта: от него зависит температурный напор Δt отопительных приборов и, соответственно, их подбор.
Напомним, что температурный напор — это разница между средней температурой воды в радиаторе и температурой воздуха в комнате:
Чем выше температурный напор, тем активнее отопительный прибор отдаёт тепло в окружающую среду. Таким образом, при одинаковых типе и размерах радиатора, снижая Δt, мы уменьшаем мощность нагрева. Поэтому радиаторы в низкотемпературных системах должны иметь увеличенную площадь теплообмена.
Увеличить площадь теплообмена можно за счёт дополнительных рёбер радиатора медно-алюминиевой конструкции или за счёт применения панелей (рис. 3).
Рис. 3. Отопительные приборы для низкотемпературных систем отопления
При подборе отопительных приборов принципиально необходимо учитывать, что в паспортах указывается мощность для стандартных условий (Δt = 60 °C или Δt = 70 °C), поэтому при температурных режимах 55/45 °C или 70/55 °C фактическая теплоотдача таких приборов будет ниже заявленной.
Достоинство отопительных приборов низкотемпературного отопления в том, что они не пересушивают воздух в помещении, а конвективные потоки воздуха не поднимают пыль с пола. Кроме того, они безопасны: поверхность батарей не нагревается до обжигающе высоких температур.
Проектирование тёплого пола
В рассматриваемом нами проекте с низкотемпературным отоплением (55/45 °C) применили комплексное решение «радиаторы + водяной тёплый пол» в одном контуре (рис. 4).
Рис. 4. Комплексное решение «радиаторы + водяной тёплый пол» в одном контуре
Применение водяного тёплого пола совместно с радиаторами было выбрано не случайно. Дело в том, что в частных домах тёплый пол решает очень важную задачу — он создаёт зону комфорта в нижней части помещения, там, где обычные радиаторы не справляются. Система тёплого пола эффективно распределяет тепло в коттедже с учётом физических законов и физиологии человека.
Водяной тёплый пол передаёт тепловую энергию преимущественно за счёт излучения, что гарантирует равномерное распределение температуры по всей высоте помещений. Такое решение позволяет поддерживать комфортные условия при снижении общей температуры воздуха в помещении на 2 °C.
При проектировании важно согласовать работу радиаторов и напольных контуров, чтобы они дополняли друг друга. Для этого учитывают теплопотери помещений, схему укладки трубопроводов, свойства напольного покрытия и возможности регулирования.
Система водяного отопления, встроенного в пол (рис. 5), должна отвечать требованиям ГОСТ Р 70834–2023 [3] и СП 60.13330.2020 [4]. В соответствии с требованиями СП 60.13330.2020 [4] температура поверхности пола со встроенным нагревательным элементом в местах постоянного пребывания людей не должна превышать +26 °C.
Рис. 5. Система водяного отопления, встроенного в пол
Особенности алгоритма работы теплового насоса «воздух-вода»
Мощность любого источника тепла, будь то газовый или электрический котёл или тепловой насос, подбирается из расчёта компенсации теплопотерь в заданном диапазоне температур наружного воздуха. Но при использовании теплового насоса «воздух-вода» в качестве источника тепла необходимо учитывать его специфику: мощность любой парокомпрессионной холодильной машины снижается при понижении температуры окружающего воздуха снаружи.
В определённый момент, при прохождении в сторону понижения температуры точки бивалентности tбив (рис. 6а), мощность ТН перестаёт компенсировать потребную мощность здания. После этого недостаток мощности парокомпрессионной машины компенсируется работой встроенного проточного электрического нагревателя.
Можно подобрать тепловой насос таким образом, чтобы его мощность покрывала потребную тепловую мощность здания во всём температурном диапазоне без включения дополнительного электрического водонагревателя (рис. 6б), но в этом случае увеличиваются капитальные затраты на оборудование. А при использовании ТН с включением электрического нагревателя возрастают расходы на электроэнергию.
Рис. 6. Мощность теплового насоса и потребная мощность здания в зависимости от температуры наружного воздуха (а — с точкой бивалентности tбив и зоной работы электронагревателя, б — мощность ТН покрывает потребную мощность во всём диапазоне температур)
Таким образом, стоит выбор между повышенными капитальными затратами на оборудование и увеличенными расходами на электроэнергию при эксплуатации.
После проведённых расчётов было установлено, что оптимальным соотношением капитальных затрат на оборудование и расходов на потребляемую электроэнергию является вариант, когда точка бивалентности находится на уровне 70 % мощности теплового насоса. В нашем случае точкой бивалентности является температура воздуха −7 °C. При температуре воздуха −20 °C и ниже работает только электрический нагреватель.
Управление
Управление тепловым насосом производится с помощью проводного контроллера WR‑06, входящего в комплект поставки. Система датчиков, реле и термостатов определяет алгоритм работы (рис. 7).
Рис. 7. Схема управления тепловым насосом
Заключение
На основании рассмотренного проекта, реализованного компанией «Информтех» с использованием теплового насоса «воздух-вода» IGC, можно сделать два основных вывода.
Во‑первых, применение тепловых насосов в системе автономного отопления требует грамотной детальной проработки проекта. Во‑вторых, данный вид оборудования пользуется спросом.
