От простого погодного регулятора до нулевого теплопотребления. Этапы модернизации теплоснабжения жилого дома

В КиевЗНИИЭПе предпринимается попытка превращения здания общежития аспирантов института - типового жилого дома для малосемейных образца середины прошлого века - в высокотехнологичный энергосберегающий объект.

В.Ф. Гершкович, к.т.н., руководитель Центра энергосбережения КиевЗНИИЭП, г. Киев, Украина

Сразу оговоримся, что под нулевым теплопотреблением понимается полное отключение дома от внешнего источника тепла. На самом деле, дом будет потреблять тепловую энергию, но немного, и это относительно небольшое количество тепла будет отниматься при помощи теплового насоса от канализационных стоков, от вытяжного воздуха и от грунта, расположенного непосредственно под домом.

Теоретически такая возможность уже рассматривалась [1] на страницах нашего информационного сборника («Энергосбережение В зданиях» - – прим. ред.), где было показано, что в хорошо утепленном жилом здании количество тепла, содержащегося в канализационных стоках дома, оборудованного системой горячего водоснабжения, достаточно для его использования в системе отопления. Вместе с тем, неравномерность расхода сточной жидкости в течение суток предполагает необходимость привлечения дополнительных источников низкопотенциального тепла. Такими источниками могут служить теплый воздух, выбрасываемый системами вытяжной вентиляции, и масса грунта, на котором стоит дом. При этом тепло для системы горячего водоснабжения должно приготавливаться в емких электрических водонагревателях, потребляющих энергию исключительно в ночное время, в часы, когда действует льготный тариф.

В КиевЗНИИЭПе предпринимается попытка постепенной реализации этой идеи в здании общежития аспирантов института. Не имеющая аналогов работа по превращению типового жилого дома для малосемейных образца середины прошлого века в высокотехнологичный энергосберегающий объект не может быть выполнена в одночасье. Работа по модернизации теплоснабжения здания началась в 1996 г., когда на пофасадных ветвях системы отопления были установлены погодные регуляторы.

Позднее [2] в соответствии с локальной Программой энергосбережения, выполняющейся в КиевЗНИИЭПе по указанию дирекции института, были последовательно установлены тепловой насос для горячего водоснабжения в летний период, приемник теплоты атмосферного воздуха, интенсифицированный теплообменник системы горячего водоснабжения с регуляторами температуры и воздухоохладитель в системе теплового насоса.

В 2006 г. был реализован очередной серьезный этап. В действующую с 1998 г. систему теплонасосного горячего водоснабжения были включены сточно-гликолевые теплообменники и вертикальные грунтовые теплоприемники.

Исходной целью при конструировании сточно-гликолевых теплообменников было создание устройства, которое ни в коей степени не должно препятствовать естественному движению сточной жидкости в заданном первоначальным проектом канализационной системы направлении. Любые проблемы с канализационными стоками, которые могли бы возникнуть в результате их включения в несвойственную им работу по преобразованию низкопотенциальной энергии в тепловом насосе, поставили бы крест на всем проекте.

Схема сточно-гликолевого теплообменника показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема сточно-гликолевого теплообменника.
1–полость стоков, 2–полость этиленгликоля.

Сточная жидкость проходит по трубной полости 1, образованной трубой диаметром 100 мм. По канализационным чугунным трубам такого же диаметра сточная жидкость подходит к теплообменнику и отводится от него.

Водный раствор этиленгликоля циркулирует в межтрубной полости 2, образованной внутренней трубой диаметром 100 мм и наружной трубой условным проходом 125 мм. С целью уменьшения гидравлического сопротивления этиленгликолевого контура и увеличения скорости обтекания поверхности теплообмена патрубки входа и выхода раствора условным проходом 32 мм направлены тангенциально.

Конфигурация существующей канализационной системы здания определила возможность установки в техническом подполье на прямых участках канализационных выпусков двух сточно-гликолевых теплообменников длиною 4 м каждый с уклоном 0,02, соответствующим уклону замененных канализационных трубопроводов.

Выбранная конструкция сточногликолевого теплообменника не является оптимальной с точки зрения эффективности теплообмена, но она отвечает оптимальной технологии удаления канализационных стоков из существующего здания. Дальнейшие исследования покажут, насколько эффективно удастся с помощью такой конструкции отобрать от сточной жидкости ее тепловой потенциал.

По специальному заказу сточногликолевые теплообменники были изготовлены из нержавеющей стали севастопольским предприятием «Теплообмен».

Вертикальные грунтовые теплоприемники представляют собою заглубленные в грунт петли, выполненные из полиэтиленовых (рех-А) трубопроводов диаметром 16х2 мм длиною 3 м. Трудоемкость ручного бурения скважин в существующем техническом подполье высотою 1,7 м исключает возможность устройства более глубоких грунтовых теплообменников. Однако, в связи с тем, что скважины эти находятся под зданием вне зоны активного воздействия низких наружных температур, можно предположить, что отбор теплоты грунта будет достаточно интенсивным по всей длине петли.

Всего на площади около 80 м2 установлено 60 петель с шагом 1,2 м. Общая длина трубопроводов грунтового теплообменника – 360 м. Над поверхностью грунта петли обвязаны стальными трубопроводами, образующими этиленгликолевый циркуляционный контур.

Принципиальная схема опытной теплонасосной установки с новыми этиленгликолевыми контурами циркуляции представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема модернизированной теплонасосной установки
1 – сточно-гликолевый теплообменник, 2 – грунтовый теплообменник, 3 – приемник атмосферного теп-
ла, 4 – фан-койл, 5 – тепловой насос, 6 – насос испарителя, 7 – расширительный сосуд, 8 – насос кон-
денсатора, 9 – циркуляционный насос, 10 – бак-аккумулятор.

В дополнение к существовавшим ранее приемникам тепла 3 и 4 установлены сточно-ликолевый теплообменник 1 и грунтовый теплообменник 2 (рис. 3).

Рис. 3. Установленные в техническом подполье жилого дома теплообменники:
1 – сточно-гликолевый теплообменник, 2 – грунтовый теплообменник.

Испаритель теплового насоса 5 впервые будет включен в гликолевый циркуляционный контур. Это позволит увеличить продолжительность работы теплового насоса в течение года. Прежде при понижении температуры охлажденной воды ниже +5 0С автоматика безопасности выключала компрессор, и в относительно холодные сентябрьские ночи вода не подогревалась. Теперь в холодные дни лета тепловой насос будет отнимать тепло не от прохладного атмосферного воздуха, а от теплых стоков и от грунта.

Отсутствие отечественного опыта использования таких нетрадиционных источников энергии, какими являются стоки жилого дома и грунт, расположенный под его фундаментами, не позволяет с точностью прогнозировать количественный эффект реконструкции, и только исследования, которые будут проведены, позволят оценить тот энергетический потенциал, который хранит в себе окружающая нас среда.

Выполненная в 2006 г. реконструкция общежития аспирантов – это, будем надеяться, не последнее усовершенствование системы теплоснабжения здания. После того, как дом будет должным образом утеплен и дооборудован комнатными вентиляционными рекуператорами, предполагается использовать тепловые насосы для отопления с полным отключением здания от тепловой сети. Для этого придется расширить поле грунтовых теплообменников, расположив их под всем зданием, установить утилизаторы тепла на выбросе вытяжного воздуха и перевести существующую систему горячего водоснабжения с аккумуляторами теплоты на теплоснабжение от электрической энергии, используемой в ночное время, с оплатой по льготному тарифу. Если все это удастся сделать, то автономное теплоснабжение станет, наконец, свершившейся реальностью.

Литература

1. Есть ли в большом городе реальный источник тепла для работы теплового насоса? «Энергосбережение в зданиях», №20 (№ 1/2004).

2. Подробно об этапах модернизации теплоснабжения общежития аспирантов в 1996–2005 гг. рассказано в статье «Теплопункт с кондиционированием», опубликованной в информационном сборнике «Энергосбережение в зданиях» № 26 (№ 3/2005).

Источник: информационный бюллетень "Энергосовет", выпуск №2(7), февраль 2010 г.

http://www.enef.mpei.ru/laboratory/index.html

Лаборатории