Гибридные системы отопления, использующие ВИЭ
Опубликовано: 21 августа 2019 г.
1722
Под гибридными системами отопления принято понимать такие системы отопления, в которых тепло вырабатывается на основе нескольких источников энергии. Формально любая бивалентная и поливалентная система отопления является гибридной. Однако в последнее время такие системы подразумевают включение в состав агрегатов, производящих тепло от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Такие системы уже получили широкое распространение в странах EC. Их внедрению способствует целый ряд принятых там программ и нормативных документов, по повышению энергоэффективности теплоснабжения и использованию возобновляемых источников энергии.
За последнее десятилетие доля ВИЭ в энергобалансе ЕС неуклонно и быстро растет, к 2020 г планируется довести долю возобновляемых источников в энергетике до 20 %. Конкретно в области холодо- теплоснабжения доля ВИЭ ежегодно увеличивается во всех странах без исключения. В РФ успехи в этой области значительно скромнее, однако по оценкам российских специалистов потенциал возобновляемых источников энергии в России, учитывая доступность ресурсов, техническую осуществимость и экономическую обоснованность применения технологий возобновляемой энергетики, составляет более чем 270 млн т условного топлива (млн. т у. т.) – это около 30 % от общей первичной поставки энергоресурсов (ОППЭ).
Преимущества гибридных систем теплоснабжения
Использования нескольких энергоносителей и, соответственно, теплогенераторов определяют преимущества гибридных систем.
Одним из таких преимуществ является возможность существенного снижения затрат на отопление ввиду изначально различной стоимости энергоносителей.
Использование ВИЭ, еще более повышает эффект экономии гибридных систем, так как стоимость энергии, получаемой от этих источников, определяется лишь стоимостью электроэнергии, затраченной на обеспечение работы оборудования. Например, когда в таких системах используется гелиоколлектор, затраты электроэнергии идут лишь на работу циркуляционного насоса; при включении в систему геотермального теплового насоса («земля-вода», «вода-вода») электричество расходуется, кроме циркуляционного насоса еще и на работу компрессора, а в случае воздушного теплового насоса («воздух-вода», «воздух-воздух») – на работу компрессора, циркуляционного насоса и вентилятора. В любом случае это очень небольшие затраты.
В типичном случае основные нагрузки таких систем большую часть отопительного сезона закрываются энергией, получаемой от ВИЭ. Пиковый теплогенератор включается в работу только когда тепла, получаемого от возобновляемых источников, не хватает на отопление или приготовление ГВС. В средней полосе России, это, как правило, не более двух-трех недель в зимний период.
Еще одно преимущество от использования гибридных систем и установок заключается в значительном повышении отказоустойчивости системы, При отказе одного из теплогенераторов или при перебоях подачи одного из энергоносителей, остается другой, выполняющий, в данный момент, функцию резервного. Не говоря уж о том, что создание таких систем в большинстве случаев подразумевает включение в них аккумуляторов тепла, которые не только позволяют рационально его расходовать в соответствие с потребностями пользователя, но и обеспечивают некоторый резерв, на случай критической ситуации.
Немаловажным, а в общем смысле и главным достоинством гибридных систем является их высокая экологичность. Использование в них ВИЭ и рационального сжигания топлива на основе природных углеводородов позволяет в несколько раз снизить выбросы вредных веществ в атмосферу – СО и NOx, включая и конечный продукт сгорания топлива – CO2, по сравнению с традиционными моновалентными системами отопления.
Основная комплектация гибридных систем отопления и ГВС
Комплектация гибридных систем отопления (рис. 1) зависит от многих факторов, начиная от особенностей климатических условий региона, в котором планируется использовать гибридную систему теплоснабжения, и имеющихся в наличии доступных традиционных энергоресурсов, до запросов пользователя в отношении баланса комфорта и экономии средств.
Рис. 1 Теплоснабжения коттеджа от гибридной системы, включающей использование ВИЭ
Наиболее распространенная («классическая») комплектация таких систем включает:
– высокоэффективное котельное оборудование, использующее традиционные энергоносители (газ, дизельное топливо, электричество, уголь), либо работающее на возобновляемом твердом топливе (древесина), в том числе на пеллетах (наиболее удачный в отношении автоматизации процесса вариант, при использовании древесного топлива);
– тепловой насос (воздушный или геотермальный);
– гелиоколлектор;
– накопительный водонагреватель косвенного нагрева;
– отопительные приборы (радиаторы, конвекторы), тепловые панели, системы теплого пола, распределительные узлы, насосное оборудование, трубопроводы;
– общую систему управления.
Принципиально гибридные системы теплоснабжения могут собираться на основе отдельных единиц оборудования различного предназначения или даже поставляться единым блоком, включающим в себя основное оборудование, за исключением выносных модулей, отопительных приборов и трубопроводов.
Режимы работы оборудования применяющегося в гибридных системах (и, в частности, тепловых насосов и конденсационных котлов) идеальны для создания низкотемпературных систем отопления с использованием таких средств, как теплые полы.
Выбор пикового теплогенератора
Создание гибридных систем отопления в подавляющем большинстве случаев носит индивидуальный характер и зависит от конкретной ситуации заказчика. Это касается и выбора пикового теплогенератора. Если у заказчика отсутствует доступ к дешевому энергоносителю – магистрального природному газу – он может использовать другие энергоносители – сжиженный газ, жидкое топливо, электроэнергию, дрова. Гибридная система теплоснабжения на основе теплового насоса (источник низкопотенциального тепла в данном контексте не важен) и твердотопливного дровяного котла в таком случае является перспективным решением. Основную нагрузку в моменты пребывания людей закрывает твердотопливный котел длительного горения, но требующий ручной закладки. Работа теплового насоса полностью автоматизирована и позволяет контролировать работу дровяного котла. В моменты отсутствия жильцов автоматически включается тепловой насос и поддерживает работу систем отопления и ГВС в экономичном режиме с минимальными затратами электроэнергии. Кроме того, ввиду отсутствия жильцов собственное потребление электроэнергии домом минимально, что позволяет вписаться в установленный лимит электропотребления. При ручном розжиге дровяного котла тепловой насос автоматически отключается.
Еще больше автоматизировать гибридную систему отопления, в которой в качестве пикового теплогенератора используется котел на древесном топливе, позволит применение котла на пеллетах.
Если речь идет об уже установленном оборудовании и введенной в эксплуатацию системе отопления, к которой нужно присоединить еще один источник тепла. Например, коттедж оборудован надежным дизельным котлом, но рост стоимости топлива, все больше делает эксплуатация такого теплогенератора дорогостоящей (рис. 2).
Рис. 2 Система отопления с твердотопливным пиролизным котлом, плоскими солнечными коллекторами для ГВС и дизельным котлом в качестве альтернативного теплогенератора.
Удачным решением может стать дооборудования уже существующей системы отопления тепловым насосом. Если это «воздушный» тепловой насос, его несложно установить и подключить к системе отопления (рис.3).
Рис. 3 Наружный блок воздушного теплового насоса на фасаде дома
Когда есть возможность подключения к магистральному газу, газовый котел остается наиболее выгодным пиковым теплогенератором для гибридных систем теплоснабжения. При этом из газовых котлов наиболее подходящим оборудованием для таких систем рекомендуются конденсационные модели (рис. 4). И дело тут не только в их высокой эффективности, но и в том что они наиболее подходят для использования в системах низкотемпературного отопления, где температура воды на выходе из теплогенератора составляет 60 ºC, а на входе – менее 40 ºC .
Рис. 4 Система теплоснабжения коттеджа на базе воздушного теплового насоса и плоских солнечных коллекторов (ГВС), где в качестве пикового генератора используется конденсационный котел
Дополнительным источником энергии в конденсационных котлах служит утилизируемая энергия фазового перехода пара, содержащегося в продуктах реакции горения, в воду. При этом теоретически можно получить еще 6 и 11 % тепловой энергии, соответственно, при использовании жидкого и газообразного топлива. При этом конденсационный режим работы котла в значительной степени зависит от температурных параметров системы отопления. Чем ниже температура теплоносителя в обратном котловом контуре, тем более полно происходит конденсация пара, больше тепла будет утилизировано, выше КПД. При средних для зимнего периода температурах она по проектному расчету с учетом максимальной эффективности конденсационного режима не должна превышать 45 °С. Такие параметры обеспечиваются низкотемпературными системами отопления, в которых конденсационные котлы работают преимущественно в «штатном» для них режиме. А такой режим хорошо сочетается и с работой теплового насоса, которые также идеальны для использования в низкотемпературных системах отопления.
Аккумуляция и распределение тепла
В системах отопления объединяющих несколько источников тепла и, в том числе, ВИЭ важное место занимает теплоаккумулятор (рис. 5), благодаря которому это накопленное тепло используется рационально. Установка буферного аккумулятора в поливалентных системах отопления, позволяет элиминировать колебания генерации и обеспечивать устойчивую работу оборудования при пиковых нагрузках.
Рис. 5 Теплоаккумулятор в центре гибридной система теплоснабжения с солнечными коллекторами и твердотопливным котлом
Кроме того, в системах ГВС, где используются тепловые насосы и солнечные коллекторы также важен накопительный водонагреватель косвенного нагрева. Использование его в системе ГВС практически делает горячую воду бесплатной для пользователя.
Таким образом, бойлер косвенного нагрева становится по сути обязательной единицей любой гибридной системы теплоснабжения, без него утрачиваются такие достоинства этих систем, как экономичность и комфортность.
Существует много вариантов применение накопительных емкостей в поливалентных системах, в которых наряду с котлами, газовыми или твердотопливными, применяются альтернативные источники теплоснабжения, также многовариантны. При этом накопительные емкости, сопрягая разнотипные источники энергии, могут не только обеспечивать нужды ГВС или отопления, но и служить активным элементом гидравлической схемы и играть роль своего рода гидравлической стрелки, разделяющей и диспетчеризирующей разнопотенциальные тепловые потоки.
Очевидно, что такие различные функции и адаптация систем теплоснабжения к нуждам конкретных потребителей, применение различных типов альтернативных источников энергии, как непрерывной, так и погодо,- сутко - и сезонозависимой генерации (гелиоколлекторы, воздушные тепловые насосы и т.п.) требуют и использования бойлеров-аккумуляторов различных конструкций.
Управление гибридными системами
Обязательной и важнейшей составляющей эффективных решений гибридных систем теплоснабжения является единая электронная система управления, осуществляющая контроль за всеми звеньями и позволяющая в автоматическом режиме добиваться необходимого климатического комфорта на обслуживаемом объекте (будь то коттедж, квартира, офис, здание социального предназначения или промышленное предприятие) при максимальной энергоэффективности. Так называемое «интеллектуальное» или smart- управление.
За счет smart-управления активируется и контролируется работа оптимального источника энергии гибридной системы относительно внешних условий, ее состояния и заданных параметров. Без интеллектуального управления невозможно эффективно и в то же время гибко регулировать систему, ведь она основывается на реальных показаниях датчиков, а не на встроенных графиках, не учитывающих условия конкретно взятого объекта теплоснабжения. Когда в проекте используется smart-управление, необходимо только задать первоначальные настройки, а дальше интеллектуальная автоматика будет автоматически их поддерживать. В том числе, для работы гибридной установки в автоматическом режиме пользователь должен задать стоимость используемого топлива и электроэнергии, а также необходимую концепцию управления с точки зрения экономии/экологии.
Для полноценного функционирования гибридных систем и получения от них максимального экономического эффекта необходима тотальная автоматизация всех процессов: от выбора источника тепла, а значит и энергоносителя, и, как минимум, до регулирования температур воздуха в помещениях и управления через Интернет. Только проведение комплексных мероприятий позволяет добиться экономичной работы подобных систем, иначе что-то будет включаться в работу, когда этого не должно было произойти, или не в тот момент или регулировать не то, что надо.
Рис. 6 Контроллер
Smart-контроллер (рис. 6) отвечает за переключение системы с одного источника тепла на другой. Ежесекундно обрабатывая несколько вводных, именно контроллер выбирает самый экономичный источник тепла. Система выстраивает логику: сначала используется тепловая энергия от самого дешевого источника. Наиболее продвинутые системы постоянно отслеживают несколько параметров и решают, что дешевле использовать при текущей температуре на улице, например, газовый котел или тепловой насос. А может быть, надо быстро нагреть дом газом, а потом поддерживать климат «воздушным» тепловым насосом. Эти вопросы решает smart-управление.
Статья из журнала "Аква-Терм" № 3/2019. Рубрика "Отопление и ГВС".
