Вместо котла – тепловой насос
Опубликовано: 23 сентября 2010 г.
346
С. Марков
Тепловые насосы уже вошли в ассортимент почти всех ведущих производителей отопительной техники, предлагающих свою продукцию на российском рынке. Однако реальные проекты с внедрением этого оборудования в нашей стране пока единичны, и, безусловно, опыт осуществивших их компаний заслуживает пристального внимания. В 2004 г. специалистами Veles-GreenHeat (Москва) выполнен заказ, предусматривавший переоборудование действующей системы теплоснабжения коттеджа на работу от теплового насоса. До этого в качестве источника тепла использовали жидкотопливный котел.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Исходная ситуация
В свое время отсутствие в поселке газа и неясные перспективы по его подведению вынудили заказчика установить для теплоснабжения дома (отапливаемая площадь – 465 м2; удельная тепловая нагрузка – 60 Вт/м2) жидкотопливный котел как основной источник тепла и электрический – в качестве резервного. Для нагрева воды применяли водонагреватель накопительного типа. Уже через два года после эксплуатации этой системы, несмотря на достаточно хорошие показатели работы, владелец дома всерьез задумался о поиске альтернативного варианта. Не устраивали его следующие факторы:
• рост цен на дизельное топливо (в 2005 г. заказчику пришлось заплатить только за отопление более 180 тыс. руб., в 2006-м – 200 тыс. руб.);
• заполнение емкости для топлива требовало личного присутствия хозяина дома и отвлекало от других дел: нужно заказать, встретить, проконтролировать сам процесс заправки;
• продукты сгорания дизельного топлива оставляли подтеки на крыше, оседали на приусадебном участке; постоянно прогорал колпак на трубе.
После аудита объекта заказчику был предложен тепловой насос мощностью 32 кВт с отбором тепла грунта вертикальными зондами, используемый как единственный теплогенератор для отопления здания и приготовления горячей воды (из расчета, что в доме проживают восемь человек).
Реализация проекта подразумевала решение ряда подзадач. К ним можно отнести:
• проведение необходимых технических расчетов для инсталляции системы;
• доставку оборудования из Германии к месту проведения работ;
• бурение скважин для размещения в грунте оборудования внешнего теплообмена;
• монтаж теплового насоса, геотермального и другого дополнительного оборудования.
После полного монтажа и запуска системы фирма взялась за проведение постоянного мониторинга ее работы с помощью средств удаленного доступа.
Установка оборудования в доме и разводка коммуникаций уличного контура были осложнены 100-процентной готовностью объекта как внутри, так и снаружи. Упрощало решение задачи то, что проектировщики изначально предусмотрели на объекте комбинированную (радиаторы и «теплый пол») систему отопления.
Устройство геотермального контура
Расчеты показали, что для отбора тепла из земли на участке заказчика предстояло произвести бурение шести скважин глубиной 90 м каждая. Их суммарная теплоотдача составила 24–27 кВт. Горизонтальные коммуникации, объединяющие зонды в единую систему, также участвуют в процессе теплообмена, выдавая дополнительно 700–900 Вт.
Для устройства зондов заказчиком были выбраны лужайки перед домом размером 7×20 м (здесь разместили четыре скважины) и 5×20 м (две скважины). Бурение скважин велось вращательным методом с промывкой. Все буровые работы выполнялись профильным предприятием под контролем специалистов Veles-GreenHeat, прошедших обучение в специализированной германской буровой компании.
Несмотря на отработанную схему производства этих работ в европейских странах, следует отметить, что применение подобной технологии у нас затруднено. Причина – отсутствие буровой техники с необходимыми качественными характеристиками и применяемых в процессе бурения специальных составов. Потребовалось искать пути преодоления данной проблемы.
После завершения бурения скважин в них установили специальные U-образные в основании (конструкция «подошвы» запатентована фирмой-изготовителем) геотермальные зонды фирмы Stüwa (Германия), выполненные из полиэтиленовой трубы (ПЕ 100, SDR11/1,6 МПа). Надежность и долговечность подземной части теплонасосной установки имеют особенное значение. Выбранные зонды соответствовали этому условию, в том числе благодаря перечисленным ниже моментам:
• система полностью собрана из пластмассы, поэтому не подвержена коррозии;
• соединение элементов выполнено в заводских условиях методом сварки;
• в конструкции использованы морозо- и термостойкие (температурные границы от –30 до +70 °C, в зависимости от компонента), а также ударопрочные элементы;
• высокое качество компонентов подтверждено Южно-немецким центром пластмасс (Süddeutsche Kunststoff-Zentrum, SKZ);
• каждый зонд сертифицирован изготовителем.
В результате достигаются оптимальные показатели по надежности системы, гарантирующие, кроме прочего, защиту подземных вод от попадания в них теплоносителя.
Сразу после установки зонда в скважину происходит его опрессовка, после чего межтрубное пространство скважины и установленного зонда заполняют специальным составом. Это обеспечивает герметичное и долговременное, физически стабильное сопряжение геотермального зонда с окружающими породами и гарантирует хорошую теплопередачу, препятствуя нарушению водоносных горизонтов.
В настоящее время всё более жесткие требования предъявляют к морозоустойчивости уплотняющего материала. Его замерзание может произойти под воздействием теплоносителя первичного контура, в качестве которого используется незамерзающая жидкость. В процессе работы теплового насоса возможно охлаждение рабочей жидкости до температуры порядка –8 °С, что часто случается во время пика отопительного сезона или на установках небольшого размера. Чередование процессов замерзания и оттаивания приводит к образованию трещин или даже к разрушению уплотняющего материала.
При реализации описываемого проекта использовался уплотняющий материал фирмы Stüwa, разработчики которого учли эту проблему. После проведения в лабораторных и практических условиях многократных испытаний было определено, что данная смесь может быть оптимизирована до достижения морозостойкости –10 °С (более того, положительные результаты получены и при температурах, близких к –20 °С). Этого достаточно для большинства установок, так как при самых неблагоприятных условиях температура циркулирующих веществ может опускаться только до –5…–8 °С.
Отметим: при монтаже контура отбора тепла из грунта следует использовать высококачественные материалы, предлагаемые производителями, специализирующимися в области геотермального оборудования. Находящиеся под землей соединения выполняются с применением электросварных муфт. Существует практика использования резьбовых соединений разнообразного типа с целью удешевления стоимости работ, однако такое решение может привести к нежелательным последствиям. Разгерметизация менее надежных соединений сведет на нет всю работу по устройству геотермального контура. А произвести заново столь значительный объем работ вряд ли окажется возможным.
Места ввода коммуникаций в дом уплотняют при помощи специальных муфт, разработанных именно для этой цели. Это решение упрощает схему производства работ и в то же время гарантирует надежную герметизацию ввода геотермального контура в дом.
В отдельных случаях для объединения геотермальных петель до ввода в здание применяют шахты, что дает возможность уменьшить количество вводимых магистралей в здание до двух («подача» и «обратка»). Шахта представляет собой колодец, выполненный из полиэтилена высокого давления и полностью готовый для монтажа системы. Внутри расположены два (на подающую и обратную магистраль) коллектора с отводами для скважин, число которых рассчитано под конкретный проект. Также предусмотрены возможность регулирования расхода потока жидкости, система удаления воздуха и закрытия при необходимости отдельных скважин. Данный элемент конструкции зарекомендовал себя с положительной стороны: особенно на начальном этапе, при запуске и диагностировании всей системы, осуществлении контроля работы скважин. Все соединения после завершения монтажа остаются доступными.
Уже через месяц после всех работ по устройству геотермального контура, на участках, где они проводились, вновь зеленел газон.
Система отопления и тепловой насос
Как сказано выше, в доме изначально была предусмотрена комбинированная система отопления (радиаторы и «теплый пол»). Суммарной мощности существующих отопительных приборов и контуров напольного отопления с запасом хватало для покрытия потребности в тепле помещений объекта: только теплоотдача радиаторов при температуре воздуха в помещении 20 °С и параметрах теплоносителя 55/45 °С составляла 35 кВт. При этом 70 % площади дома обогревается напольным отоплением.
Для отопления дома и ГВС был установлен тепловой насос WPF 32 SET фирмы Stiebel Eltron тепловой производительностью 32 кВт (установка включает два модуля WPF 16). Простой и удобный интерфейс его панели управления позволяет пользователю самостоятельно программировать установку на работу в том или ином режиме (их шесть – «Ожидание», «Дневной», «Ночной», «Автоматический», «ГВС», «Дополнительный источник нагрева»).
Сотрудники Veles-GreenHeat отмечают высокое качество продукции, комплексный подход и добросовестное отношение этой компании к комплектации внутреннего оборудования и схемных решений при реализации проекта. Все дополнительные комплектующие (включая буферные накопители, бак ГВС емкостью 400 л, циркуляционные насосы и т.д.) также поставлены Stiebel Eltron.
Итоги мониторинга
По договоренности с заказчиком, проект осуществлялся в рамках создания демонстрационного объекта. В доме было установлено дополнительное диагностическое оборудование, позволяющее в реальном времени отследить эффективность работы системы: расходомеры, вычислители тепловой энергии, электросчетчик (отдельно на тепловой насос), датчики температуры.
Мониторинг работы системы на протяжении всего срока эксплуатации позволяет сегодня сделать следующие выводы:
• температура источника низкопотенциального тепла (грунта) на момент ввода оборудования в эксплуатацию в 2006 г. составляла 7 °С. После первой недели эксплуатации она упала до 2,5 °С и постепенно уменьшалась с увеличением отопительной нагрузки. Наименьшее значение температуры грунта (от –2,5 до –2,8 °С) приходится на самые холодные дни, когда отбор тепла идет наиболее интенсивно. С уменьшением отопительной нагрузки в конце сезона повышается и температура источника – до 0,5 °С. После завершения отопительного сезона отогрев грунта до 7 °С происходит в течение 2–3 мес., когда тепловой насос работает только на приготовление горячей воды;
• средняя температура наружного воздуха за отопительный сезон 2006–2007 гг. составила 1,4 °С, за сезон 2007–2008 гг. – 3,8 °С;
• средняя отопительная мощность за отопительный сезон 2006–2007 гг. – 14,2 кВт, за сезон 2007–2008 гг. – 12 кВт;
• средний коэффициент преобразования энергии за два года эксплуатации – 4,0;
• общие затраты на отопление и ГВС за отопительный сезон 2007–2008 гг. составили 28711 руб. При этом в доме всегда поддерживалась температура 22 °С (т.е. не использовался энергосберегающий потенциал автоматики теплового насоса);
• температура в линии подачи системы «теплый пол» варьировалась в пределах 28–38 °С, в зависимости от нагрузки, в контурах радиаторного отопления – 35–45 °С;
• температура нагрева горячей воды составляла 47 °С, что при объеме бойлера-аккумулятора 400 л обеспечивало вполне комфортное пользование. Для периодической дезинфекции системы ГВС в нее была встроена электронагревательная вставка. Она включается один-два раза в неделю и нагревает воду до 80 °С;
• общий объем воды с температурой 47 °С, приготовленный тепловым насосом за 7 мес., составил 71 м3; пользователю это обошлось в 2450 руб. Коэффициент преобразования энергии по системе ГВС – 2,7.
• установка работает без сбоев. Специалисты компании Veles-GreenHeat ежемесячно осуществляют ее диагностику (дистанционно). Профилактический осмотр проводится один раз в полгода.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #4(44) 2008