CC BY
168
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 2 (4)
05.00.00 Технические науки
УДК 697(075.8)
А.С. Штым, И.А.Маркелова
Штым Алла Сильвестровна - канд. техн. наук, зав.кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции ДВГТУ. E-mail: shtym_alla@mail.ru
Маркелова Ирина Александровна - магистр кафедры теплогазоснабжения и вентиляции ДВГТУ. E-mail: Angelleech@mail.ru
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМАХ ТЕПЛО- И ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ
Показано внедрение энергосберегающих и экологических технологий, таких как геотермальный тепловой насос и солнечные коллекторы для инженерных систем здания, которое будет оборудовано собственной системой отопления, вентиляции, кондиционирования и горячего водоснабжения. Основная цель статьи - демонстрация путей внедрения энергосберегающих и экологических технологий.
Ключевые слова: геотермальный тепловой насос, солнечный коллектор, энергия, система теплоснабжения, система вентиляции, система кондиционирования.
Alla S. Shtym, Irina A. Markelova ENERGY SAVING TECHNOLOGIES IN HEAT AND COLD SUPPLY SYSTEMS OF A BUILDING
The article shows the implementation of energy saving and ecological technologies, such as a geothermal heat pump and solar collectors for engineering systems of a building which will be equipped with its own systems of heating, ventilation, air-conditioning and hot water supply. The author is aimed at demonstrating the ways of introduction of energy saving and ecological technologies.
Key words: geothermal heat pump, solar collector, energy, heat supply system, ventilation system, air-conditioning system.
В настоящее время развитие технологий позволяют применять иные подходы к разработкам инженерных систем зданий, нежели это было несколько лет назад. Например, для отопления и горячего водоснабжения зданий пригодны низкопотенциальные источники энергии, такие как энергия грунта, энергия подземных вод, солнечная энергия, для использования которых применяют геотермальные тепловые насосы и солнечные коллекторы. Использование такого оборудования позволяет сократить затраты энергии по сравнению с традиционными способами теплоснабжения в 3-5 раз [1].
На кафедре теплогазоснабжения и вентиляции ДВГТУ в 2008 г. разработан проект систем тепло- и холодоснабжения здания «Умный дом», где использованы вышеперечисленные источники энергии, который будет демонстрационной моделью энергосберегающего дома. Здание высотой 8,79 м имеет два этажа, на которых располагаются помещения различного назначения общей площадью 235,95 м2. Здание будет оборудовано собственной системой отопления, вентиляции и кондиционирования. Водоснабжение будет осуществляться из индивидуальной скважины. Для отвода сточных вод предусмотрен септик. Расход тепловой энергии составляет 21,3 кВт. Расход энергии на вентиляцию составляет 10,6 кВт. Расход теплоты на горячее водоснабжение составляет 6 кВт. Расход холода - 13,2 кВт. Общий расход на источник энергии составляет 31,9 кВт.
В проекте источником энергии для систем тепло- и холодоснабжения здания «Умный дом» является грунт, для этого запроектирован грунтовый теплообменник, состоящий из 8 скважин по 80 м каждая. Грунт является наиболее стабильным источником низкопотенциальной энергии, которая с помощью грунтового теплообменника передается геотермальным тепловым насосам. Ресурсная мощность скважинного поля и производительности тепловых насосов подобраны таким образом, чтобы обеспечить максимальное (пиковое) энергоснабжение.
Для стабилизации гидравлического режима работы тепловых насосов с полем грунтовых теплообменников их подключение осуществляется через гид-
робуфер. Циркуляция незамерзающей жидкости в контуре: грунтовый тепло-обменник-тепловой насос осуществляется специальными насосами. Для данного здания были подобраны тепловые насосы двух типов: водо-водяной тепловой насос БИР ¥¥ 072-А производительностью 21,1 кВт и водо-воздушный тепловой насос ЕСО 096-А производительностью 28,1 кВт.
Резервным источником теплоснабжения в системе теплого пола и фанкой-лов является электрический котел КоБреІ ЕРСО 15 мощностью 15 кВт. Из водоводяного теплового насоса теплоноситель с температурой 45/35 оС используется в системах отопления теплого пола и фанкойлов. Проект теплого пола представляет собой схему укладки греющих контуров по типу «полянка» - два коллектора, соединенных трубами греющего контура.
Базовой системой отопления помещений первого и второго этажей является «Теплый пол» (рис. 1), а доводчиками: на первом этаже - фанкойлы, на втором - система воздушного отопления, совмещенная с приточной вентиляцией. Эти системы автоматизированы и поддерживают комфортные условия в заданном режиме.
Рис. 1. Система отопления «Теплый пол» в здании «Умный дом»: а) коллектор теплого пола; б) трубы теплого пола.
Воздушное отопление второго этажа представляет собой систему приточных и рециркуляционных воздуховодов, размещённых в конструкции потолка первого этажа. Воздух, нагретый до 220 С, поступает в зону окон через воздухораспределители, расположенные в полу второго этажа. Нагревание воздуха происходит в водо-во.здутттном тепловом насосе.
Система вентиляции здания - механическая приточно-вытяжная. Приточный, наружный воздух системы вентиляции после очистки подается по воздуховодам системы воздушного отопления в количестве, необходимом для обеспечения санитарно-гигиенических норм и норм взрывопожарной безопасности по СНиП 41-01-2003. Удаление воздуха с каждого этажа производится отдельными вытяжными системами с механическим побуждением. Подача и удаление вентиляционного воздуха производится в каждом помещении. Для использования теплоты (холода) удаляемого воздуха установлен рекуператор, который позволяет экономить до 30% энергии, требующейся для подогрева приточного воздуха [2].
На первом этаже воздух подогревается в фанкойлах, расположенных в конструкции потолка первого этажа. Подшивной потолок будет выполнен из прозрачного материала, и посетители «Умного дома» увидят все энергосбере-гающееоборудование, а также трубопроводы и воздуховоды.
В здании используются солнечные коллекторы в качестве источника горячего водоснабжения и для дополнительного подогрева теплоносителя, поступающего из скважинного поля в зимний период года, что повышает эффективность работы тепловых насосов и увеличивает их коэффициент трансформации [4].
Для покрытия потребности в горячей воде установлены 3 плоских солнечных коллектора АЕ-32 фирмы «АЕЕ-8о1аг» (США) суммарной мощностью 6 кВт. Резервным источником горячей воды является опция ГВС ИЯ003 в тепловом насосе БИР WW072. Аварийным источником теплоты для нужд горячего водоснабжения является электронагреватель, устанавливаемый в баке-аккумуляторе Б120ИЕ.
Систему теплоснабжения здания, состоящую из тепловых насосов и солнечных коллекторов, назовем комбинированным источником теплоснабжения.
В летний и переходный периоды, когда нет нагрузки на отопление, основной задачей солнечных коллекторов является нагрев воды в баке-аккумуляторе. Нагрев производится при падении температуры в баке до 40 °С и ниже и прекращается при достижении температуры 60 °С.
Когда температура воды в баке-аккумуляторе горячего водоснабжения соответствует поставленным условиям, циркуляция теплоносителя от солнечных коллекторов происходит через теплообменник, предназначенный для подогрева теплоносителя в грунтовом теплообменнике. Таким образом, в летний период аккумулируется теплота в грунте, что повышает эффективность работы тепловых насосов в отопительный период. Теплота в скважинное поле сбрасывается до тех пор, пока не возникнет потребность в нагреве воды для горячего водоснабжения. В пасмурные дни и ночное время горячее водоснабжение обеспечивается водо-водяным тепловым насосом БИР WW 072-А. Также тепловые насосы используются для холодоснабжения здания в летнее время.
В отопительный период режим работы теплоисточника изменяется - нагрузка на отопление и горячее водоснабжение обеспечивается водо-водяным тепловым насосом БИР WW 072-А. Солнечные коллекторы в зимний период работают менее эффективно и используются только для дополнительного нагрева теплоносителя в баке-гидробуфере для увеличения коэффициента трансформации тепловых насосов.
Подогрев приточного воздуха для вентиляции помещений обеспечивается рекуператором, утилизирующим энергию вытяжного воздуха и водовоздушным тепловым насосом ЕСО 096-А. Средства автоматики обеспечивают согласованный режим работы всех элементов системы.
К преимуществам спроектированного источника тепло- и холодоснабжения следует отнести: 1) низкие эксплуатационные затраты на выработку тепловой энергии и холода; 2) универсальность тепловых насосов как источников теплоты, так и холода, что снижает количество устанавливаемого оборудования;
3) минимальное влияние оборудования на окружающую среду. Основным минусом такого решения являются большие капиталовложения [3].
Данные системы тепло- и холодоснабжения необходимо автоматизировать для поддержания необходимых параметров климата в помещениях. Автоматизация позволяет вести дистанционный мониторинг из удаленной диспетчерской с оповещением обслуживающего персонала и возможностью вмешательства при аварии. Главный контроллер в системе автоматизации является свободно программируемым и предназначен для регулирования температуры, влажности и содержания СО2 в помещениях здания.
В описанном проекте рассматривается комплексная система теплоснабжения здания «Умный дом», работающая от нескольких источников энергии. Оборудование подобрано таким образом, чтобы обеспечить стопроцентное резервирование одного источника другим, т.е. тепловые насосы и солнечные коллекторы могут полностью покрыть нужды данного объекта в тепловой энергии.
Для технико-экономического сравнения рассмотрим три варианта теплоснабжения:
1 вариант - теплоснабжение и кондиционирование осуществляется геотермальными тепловыми насосами и солнечными коллекторами;
2 вариант - теплоснабжение обеспечивается котлами на жидком топливе, а кондиционирование осуществляется за счет работы сплит-системы;
3 вариант - теплоснабжение осуществляется на базе электрических котлов, кондиционирование осуществляется за счет работы сплит-системы.
Результаты технико-экономического сравнения (рис. 2, 3) показали, что при принятых условиях расчета, ценах на оборудование, тарифах на электроэнергию и дизельное топливо, а также при обесценивании денежной массы наибольшие капиталовложения - 2,8 млн. руб - получены для системы с тепловыми насосами и солнечными коллекторами. Данная система имеет также наименьшие эксплуатационные затраты - 98 648 тыс.руб.в год. Простой срок окупаемости составляет 9,5 года, а ревальвированный - 7,44 года.
а
б
I
I
Г»)
01
I
Л
Я
£
Показатели знергосдерегащего барита
Простой срок окупаемости Приведенный срок окупаемости
годы годы
9,5 ш
-теплобые насосы и солнечные коллекторы,
-злектоические котлы и сплит система,
-дизельные котлы и сплит система (дазобый вариант!
Рис. 2. Диаграммы и таблица технико-экономического сравнения: а) капиталовложения; б) эксплуатационных затрат; в) экономической эффективности; г) энергосберегающих показателей
Увеличение стоимости, %
а
О 10 12 15 18
Увеличение стоимости. %
б
Рис. 3. Сравнительные сроки окупаемости тепловых насосов при увеличении стоимости энергоносителей: а) с жидкотопливной котельной; б) с электрическим котлом
«Умный дом» - это система новых инженерных коммуникаций, объединенных в единую сеть, где эффективность работы всей системы зависит от совместимости, слаженности и взаимодействия всех ее составляющих. «Умный дом» является хорошим примером сочетания энергосберегающих технологий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК I Магомедов А. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала: Юпитер, 1996. 245 с.
2. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Ч.1. Теоретические основы создания микроклимата здания: учеб. пособие / В.И.Полушкин, О.Н.Русак, СИ.Бурцев и др. СПб.: Профессия, 2002. 176 с.
3. Попов А.В. Анализ энергоэффективности различных типов тепловых насосов // Проблемы энергосбережения. 2005. № 1-2 (19). С. 10-14.
4. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / P.P.Авезов, М.А.Барский-Зорин, И.М.Васильева и др.; под ред. Э.В.Сарнацкого, С.А.Чистовича. М.: Стройиздат, 1990. 328 с.
