Задаваемые основные параметры гелиосистемы

Основные параметры гелиосистемы задаются на основании технического задания на проектирование и технико-экономического обоснования. Как правило, задаются годовой долей тепловой энергии от гелиосистемы, компенсируемой относительно годовой потребности на теплоснабжение здания. Для этого предварительно следует задаться типом и, соответственно, тепловыми характеристиками гелиоколлектора, а также требуемой суточной нормой воды на нужды горячего водоснабжения.

Современные гелиоколлекторы имеют селективную тепловоспринимающую поверхность. Условно современные гелиоколлекторы можно разделить на гелиоколлекторы с повышенной теплоизоляцией и гелиоколлекторы с одинарным остеклением. Среди гелиоколлекторов с повышенной теплоизоляцией популярность приобрели трубчатые вакуумированные коллекторы. Основным элементом является «трубка» (рис.8), которая состоит из стеклянной колбы поз.1 с двойным остеклением и вакуумированным зазором, и тепловоспринимающего элемента поз.2.

 

 

 

Рис.8. Сечение трубки различного типа вакуумированных трубчатых коллекторов:

а), в) - с тепловым плоским элементом; б) - с тепловым цилиндрическим элементом;
г) с тепловым литым элементом из алюминиевого сплава; 1 - колба с двойным остеклением и вакуумированным зазором; 2а, 2в - плоский тепловоспринимающий элемент; 26 -тепловоспринимающий элемент цилиндрического вида с пружинным контактом с тепловой трубкой; 2г - тепловой элемент литой из алюминиевого сплава; 3 - тепловая трубка; 4 - U-образная медная трубка циркулирующего теплоносителя.

Плоский тепловоспринимающий элемент поз.2а имеют коллекторы, в которых колбу надо поворачивать при монтаже на какой-либо оптимальный угол за Солнцем, что на самом деле не приносит практического эффекта. Идея теплового цилиндрического элемента поз.26 позволяет воспринимать излучение при любом угле падения солнечного излучения, но вызывает сомнение эффективность теплопередачи за счет теплопроводности пластины поз.2.6 по «длинному» пути к поверхности тепловой трубы поз.З. Коллекторы рис.8а, 86 имеют низкую себестоимость. Применение тепловых трубок поз.З не даёт теплового преимущества в эффективности передачи теплоты от тепловоспринимающей поверхности к теплоносителю по сравнению традиционным способом непосредственной циркуляции теплоносителя (рис.8в, 8г). Применение тепловых трубок поз.З позволяет упростить производство и, особенно, транспортировку гелиоколлекторов по отдельным своим составляющим. Коллекторы рис.8в, 8г имеют более высокие теплотехнические качества по сравнению с коллекторами рис.8а, 86 ввиду непосредственного контакта тепловоспринимающего элемента с теплоносителем. Но они имеют более высокую стоимость.

Следует также учитывать некоторые эксплуатационные особенности вакуумированных трубчатых коллекторов. Реальная тепловоспринимающая поверхность трубчатого коллектора значительно меньше его геометрической поверхности (рис.9).

 

Рис.9. Оценка реальной тепловоспринимающей поверхности трубчатого коллектора

 

Реальная тепловоспринимающая поверхность трубчатого коллектора составляет 0,60...0,62 от его геометрической поверхности. Для плоских коллекторов это соотношение составляет 0,9...0,85.

Таким образом, для получения идентичной тепловоспринимающей поверхности геометрическая поверхность трубчатых коллекторов должна быть в 0,88/0,61 = 1,44 раза больше.

При сравнении стоимости также следует сравнивать между собой удельную стоимость одного квадратного метра реальной поверхности плоского и трубчатого коллектора:

зная его стоимость Спл и площадь по наружным габаритам Апл, удельная стоимость определится следующим образом

Суд = Спл/(0,88х Апл)

зная его стоимость Сгр и площадь по наружным габаритам Атр, удельная стоимость определится следующим образом

Стр = Сгр/(0,61х Атр).

 

Следует учитывать срок службы трубчатого коллектора. Он составляет 10…12 лет. Гарантийный срок от 1 до 5 лет.

Некоторые натурные эксплуатационные исследования, например, выполненные специалистами Германии, не показали в условиях центрально-европейского климата столь явного преимущества трубчатых коллекторов перед обычными плоскими. Основной причиной является изморось, налипающая на «холодные» трубы коллектора, не давая проникать солнечному излучению.

Существенным недостатком коллекторов с теплоизолирующим светопрозрачным покрытием является значительное повышение температуры теплоносителя при отсутствии циркуляции более 200°С по сравнению с плоскими, температура которых достигает не более 150°С. Ввиду этого, для исключения кипения теплоносителя необходимо в коллекторах поддерживать избыточное давление не менее 3 бар для плоских коллекторов с одинарным остеклением и более 5 бар для коллекторов с теплоизолирующим светопрозрачным покрытием.

При высоких температурах срок службы незамерзающей жидкости резко уменьшается, поэтому в процессе эксплуатации гелиосистемы следует систематически отслеживать сохранность её характеристик.

Коллекторы с теплоизолирующим светопрозрачным покрытием по своим характеристикам оптимальным образом подходят для климатических условий высокогорной местности.

Для климатических и эксплуатационных условий Беларуси более соответствуют солнечные плоские коллекторы с одинарным светопрозрачным покрытием. Они отличаются между собой конструкцией корпуса, конструкцией тепловых элементов, оптическими и механическими характеристиками остекления. В плоских гелиоколлекторах применяется обычное оконное силикатное стекло, выдерживающее удары крупного града и значительные изгибающие нагрузки, а также стёкла со специальной наружной поверхностью без «блёсткости», которая исключает отражение солнечных лучей при угле падения менее 30 град. Коллекторы со специальным стеклом без «блёсткости» имеют более высокую стоимость.

Срок службы более 20 лет, гарантийный срок от 1 до 10 лет.

Среди плоских гелиоколлекторов выбор следует проводить от известных европейских производителей, ориентируясь на оптимальное сочетание высокого качества и оптимальной цены. Под качеством следует понимать в первую очередь высокую прочность корпуса, в том числе на изгиб, и долговременность его существования, а также качество и долговременность герметика остекления коллектора. В выборе желательно не принимать сборный корпус, а ориентироваться на цельный штампованный, который дешевле, прочнее и герметичнее всех прочих.

Можно рекомендовать следующую последовательность вычисления основных параметров гелиосистемы:

1. На основании принятого типа гелиоколлектора и его тепловых характеристик вычисляется для каждого месяца и за год теплопроизводительность 1 м² гелиоколлектора в соответствии с принципами, изложенными в разделе 1.1, например, в виде табл.6.

2. На основании требуемой суточной нормы воды на нужды горячего водоснабжения вычисляется общая годовая потребность в тепловой энергии. Существующая норма воды горячего водоснабжения составляет 105л/человека в сутки. Данная норма позволяет «гарантировать» тепловую мощность от тепловых сетей при подборе скоростного водонагревателя. Однако в применимости к системам с суточным аккумулированием получаемой тепловой энергии эта завышенная норма приводит к завышенным капитальным затратам. В этом случае следует применять реальные, статистически выверенные значения. Например, средний расход воды в г. Минске на человека не превышает 150 литров, из которых расход горячей воды составляет не более 70 литров, что и следует принять в качестве исходного значения для вычисления общей годовой потребности в тепловой энергии на нужды горячего водоснабжения.

3. Требуемая площадь поверхности гелиоколлекторов определяется делением требуемой тепловой энергии за месяц на теплопроизводительность 1 м² гелиоколлектора. В качестве расчётного можно выбрать месяц с высокой теплопроизводительностью (например, июль - табл.6) в том случае, если рассматривается только горячее водоснабжение. При наличии дополнительно иных потребителей в качестве расчётного можно выбрать месяц с низкой теплопроизводительностью в летний период (например, март или сентябрь - табл.6).

4. Определяется теплопроизводительность гелиосистемы по месяцам года и в целом за год, а также доля компенсации требуемой теплоты за счёт гелиосистемы.

2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ГЕЛИОСИСТЕМЫТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛЫХ ДОМОВ

Условно гелиосистемы подразделяют на небольшие, средние и крупные. Такое разделение связано с принципиальными различиями в конструкции этих гелиосистем.

Конструкция гелиосистемы зависит от задаваемых исходных данных (рис.10)

 

Для систем с гелиоколлектором примерно до 40 м² применяют бак-аккумулятор со встроенными поверхностями нагрева. Таким образом, с помощью одного устройства обеспечивается температурное расслоение по высоте бака, суточное аккумулирование тепловой энергии, нагревание воды от гелиосистемы и от дополнительных источников энергии. При этом небольшие системы (рис.10а) используют емкостной бойлер горячего водоснабжения, сочетающий в себе функции бака-аккумулятора. Так называемые средние гелиосистемы (рис.10б) с необходимостью применения аккумуляторов до 3м³ используют буферную ёмкость с размещением в неё теплообменных змеевиков контура гелиоколлектора и контура горячего водоснабжения.

Для крупных гелиосистем применяют скоростные пластинчатые теплообменники, отделяющие контур гелиоколлектора от контура горячего водоснабжения с помощью промежуточного между ними контура с буферным баком-аккумулятором ёмкостью более 4 м³.

Крупные гелиосистемы применяют также в сочетании другими возобновляемыми источниками тепловой энергии, что позволяет значительно повысить энергоэффективность систем здания в течение всего года. На рис.11 показана структурная схема комбинированного использования теплоты возобновляемых источников теплоты от гелиосистемы, от утилизатора теплоты сточных вод и от теплового насоса. Тепловые сети являются форс-мажорным вариантом теплоснабжения здания.

При конструирование гелиосистемы и низкотемпературной системы отопления следует учитывать особенности, связанные с монтажом и эксплуатацией систем.

 

 

Рис.10. Конструкция гелиосистемы в зависимости от площади гелиоколлектора.

Рис. 11 Структурная схема комбинированного использования возобновляемых источников теплоты для теплоснабжения 120-квартирного 10-этажного жилого дома

1 - тепловой насос, 2...6 - теплообменники, 7 - утилизатор теплоты сточных вод, 8, 9 - грунтовые теплообменники, 10 - гелиоколлекторы, 11 - бак-аккумулятор гелиосистемы, 12 - бак-аккумулятор теплового насоса, 13 - гидравлический разделитель, 14… 20 - насосы, 21 - гребёнки грунтовых теплообменников, 22...26 - регулирующие клапаны..

2.1. Особенности конструирования крупной гелиосистемы теплоснабжения жилых домов

На схеме рис.11 выше была представлена крупноразмерная гелиосистема, для которой следует предусматривать бак-аккумулятор с промежуточным теплоносителем. В практике такие баки обычно называют буферными.

Крупные гелиосистемы, позволяющие компенсировать до 40% годовых теплозатрат на горячее водоснабжение, планируется реализовать на примере трёх жилых энергоэффективных домов в трех городах Беларуси. В частности, для проектируемого в Гродно 120-ти квартирного 10-ти этажного энергоэффективного жилого дома предусматривается гелиоколлектор площадью 384 м² и безнапорный бак-аккумулятор 11,3 м³ гелиосистемы, приоритетной в использовании относительно теплового насоса.

На рис.12 показана общая схема гелиосистемы 120-ти квартирного 10-ти этажного энергоэффективного жилого дома в г. Гродно. Применяется циркуляционный насос с электронным управлением частотой вращения, которая изменяется при изменении сопротивления системы под воздействием клапана поз.8.

Приведенный принцип управления позволяет почти в 1,5 раза увеличить годовую теплопроизводительность гелиосистемы за счёт эффективного использования малой интенсивности излучения в облачный период, а также в утренние и вечерние часы.

 

Рис.12 Схема гелиосистемы 120-ти квартирного 10-ти этажного жилого дома

1 - гелиоколлекторы по 192м²; 2 - буферный бак 12м³; 3 - пластинчатые разборные теплообменники; 4 - воздухосборник; 5 - сепаратор воздушный; 6 - визуальный расходомер; 7 - балансовый вентиль минимального расчётного расхода; 8 - клапан повышения расхода; 9 - расширительные баки; 10 - расширительный бак; 11 - разборный теплообменник горячего водоснабжения; 12 - разборный теплообменник для теплоносителя скважин; 13 - пропорциональный регулятор; 14(14а) - контроллер гелиосистемы; 15 - датчик уровня системы подпитки.

Позиционный регулятор поз.14а настраивается на температуру 92°С, при превышении которой с помощью циркуляционных насосов и теплообменника поз.12 излишки производимой гелиосистемами теплоты перекачиваются в грунт через свайный теплообменники. При понижении температуры до 85°С позиционный регулятор поз.14а выключает циркуляционные насосы.

Буферный бак-аккумулятор поз.2 заполняется водой из тепловой сети по датчику уровня поз.15. Бак работает под атмосферным давлением, имеет систему аварийной сепарации и сброса пара в атмосферу при аварийном закипании воды в баке. Бак изготавливается из котловой или обычной стали.

Внутренние элементы бака: сепаратор поз.2а, перфорированный распределитель поз.2б и др., предназначенные для поддержания температурного расслоения в баке, изготавливаются из нержавеющей стали.

В таблице 7 приведена стоимость гелиосистемы в укрупнённых показателях.

 

Наименование	Стоимость единицы, доллар США	Кол-во	Общая стоимость, доллар США
Гелиосистема горячего водоснабжения
Гелиоколлектор
Детали соединительные
Металлоконструкции
Бак-аккумулятор горячей воды ёмкостью 11.3 m3
Электронный контроллер
Пластинчатый теплообменник
Циркуляционный насос
Циркуляционный насос
Клапаны регулирующие с электрическими сервомоторами
Трубопроводы, арматура	-	-
Монтажные и наладочные работы	-	-
ВСЕГО:

 

 

2.2. Особенности системы низкотемпературного водяного отопления энергоэффективных многоквартирных жилых зданий.

Для повышения эффективности использования теплового насоса и тепловых сетей предполагается использование «низкотемпературных систем отопления» здания. При этом системы теплопотребления — горячего водоснабжения, конвективного отопления, напольного отопления присоединяются к источникам теплоты через гидравлический разделитель (рис.10), потенциальная эффективность которого будет обеспечиваться только при превышении расхода теплоносителя от источника теплоты над совместными расходами потребителей тепловой энергии.

Качество теплового комфорта отапливаемых помещений повышается при значительном понижении расчётной температуры теплоносителя системы отопления. Такие системы называются низкотемпературными, и максимальная температура теплоносителя в них задаётся от 45°С до 70°С. Практика современных систем низкотемпературного водяного отопления (СНВО) обусловлена в основном использованием низкопотенциальных, в том числе возобновляемых, источников энергии, энергоэффективность которых значительно повышается при снижении температуры теплоносителя менее 500С. К низкотемпературным источникам относят гелиосистемы, тепловые насосы, утилизаторы тепловых сбросов, системы с аккумуляторами тепловой энергии, низкотемпературные конденсатные водогрейные котлы, энергоэффективные низкотемпературные тепловые сети. СНВО технически реализуются в виде систем напольного, панельного и конвективного отопления.

СНВО в сравнении с другими системами имеют значительные преимущества:

ввиду более высокой радиационной температуры помещения

повышается качество теплового комфорта для человека, при этом снижается температура воздуха и, соответственно, снижаются теплопотери через наружные ограждения;

• из-за более низкой температуры поверхностей отопительных приборов значительно снижается скорость свободноконвективных потоков и, как следствие, значительно снижается запылённость воздуха в помещении;

использование СНВО позволяет увеличить энергоэффективность применяемых невозобновляемых и возобновляемых источников тепловой энергии.

Востребованность возобновляемых источниках энергии связана с экологическими проблемами, с непрерывным ростом стоимости невозобновляемых источников, а также и с осознанием конечности их добычи. Однако кажущаяся простота перехода к СНВО для энергоэффективных зданий приводит зачастую к созданию дискомфортных и энергозатратных систем. Причин здесь множество, но главной из них является идентичность переноса технологии проектирования автоматики и тепломеханической части, принятой для современных систем, на проектирование СНВО. Теплотехнические отличия СНВО и особенности их автоматизации требуют особых подходов к проектированию и расчёту этих систем.

СНВО наряду с множеством положительных вышеприведенных характеристик имеют следующие особенности, существенным образом изменяющие технологию проектирования:

• расчётная разность температур подающего и обратного теплоносителя не превышает 10...15°С. Как правило, эту разность температур принимают равной 10°С.

низкая расчётная температура подающего теплоносителя не более 50°С.

Эти обстоятельства предопределяют особенности в проектировании как системы отопления, так и оборудования индивидуального теплового пункта (ИТП).

 

3.ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

3.1. Источники тепловой энергии

При применении множества источников теплоты приоритетность их использования следует выстраивать, начиная с возобновляемых и заканчивая невозобновляемыми источниками теплоты. Например, приоритетность может быть в следующей последовательности: гелиосистема, утилизатор тепловых сбросов, тепловой насос, тепловые сети или котельная.

Для получения требуемой температуры подающего теплоносителя желательно не применять схемы зависимого присоединения с узлами смешения. Следует использовать независимые схемы присоединения к источникам тепловой энергии.

При независимой схеме присоединения применяют расширительные баки мембранного типа, объём которых для больших зданий превышает 1м³. Обслуживание таких баков сопровождается определёнными проблемами, особенно для зданий высокой этажности. В прошлом веке широко применялся «открытый» расширительный бак, единственной проблемой которого было значительное испарение воды с его открытой поверхности. Проблема решается путём применения обратных клапанов, отсекающих поверхность испарения от атмосферного воздуха. Работоспособность этого предложения проверена на ряде объектов, где подпитка системы не требовалась в течение отопительного периода. На рис.13 показан наиболее вариант крупного бака на примере современной реконструкции системы отопления учебного корпуса №15 БИТУ. Подобное решение предлагается для низкотемпературных систем отопления многоквартирных жилых домов.

Низкое качество регулирования температуры подающего теплоносителя по графику ЦКР (из-за небольшого диапазона +30°С...+50°С) следует компенсировать применением качественных, простых и надёжных систем индивидуального регулирования температуры воздуха в отапливаемых помещениях;

Циркуляционный насос следует подбирать с электронным управлением частотой вращения без «запаса» по задаваемому расходу теплоносителя, чтобы не уменьшить и без того малую разность температур теплоносителя.

Рис.13 Предлагаемый расширительный бак, устанавливаемый в верхней точке системы низкотемпературного водяного отопления (на примере реконструкции системы отопления учебного корпуса №15 БНТУ).

а - принципиальная схема; 1 - обратный клапан для входа воздуха, 2 - обратный клапан на переливной трубе;

б - фрагмент схемы проектного решения; в - фрагмент сборочного чертежа расширительного бака ёмкостью 3м³.

3.2. Система отопления

• Исключается применение однотрубных систем. Следует проектировать двухтрубные системы отопления;

• Расчётные расходы теплоносителя при прочих равных условиях в сравнении с традиционными водяными системами в 2...3 раза выше. При этом, в случае возникновения эксплуатационного разбаланса в системе из-за несанкционированного вмешательства жильцов, возникают более значимые дискомфортные явления в сравнении с традиционными системами.

Требуемые поверхности нагревательных приборов почти в 2 раза больше, поэтому следует применять пластинчатые конвекторы или стальные плоские радиаторы высотой не более 400мм с расположением термостатического клапана с жидкостным датчиком или с датчиком с твёрдым наполнителем ближе к полу. Отопительные приборы следует оборудовать термостатическими клапанами со встроенной задаваемой предустановкой пропускной способности, но при значении kvs в пределах 0,35...0,45 м З/ч {рис.14), что в сочетании с правильно подобранным циркуляционным насосом исключает нарушение работы в системе при любых вмешательствах жильцов в гидравлику системы.

Напольное отопление и конвективное отопление квартиры предлагается подключать к единой распределительной гребёнке (рис.15).

 

 

Напольное отопление комнат следует применять нерегулируемое по теплоотдаче в сочетании с регулируемым конвективным, задаваясь нагрузкой напольного не более 50% от расчётной. На обратном трубопроводу каждого контура напольного отопления следует устанавливать термостатический клапан (в разрыв трубы без контакта с гребёнкой) с ограничителем температуры теплоносителя при «уставке» примерно на 30^оС (рис.15).

В случае отказа от проектирования напольного отопления следует сохранить указанную на рис.15 обвязку квартирного распределителя, предоставив, таким образом, каждому застройщику при желании возможность самостоятельного изготовления системы напольного отопления с присоединением к своему квартирному распределителю.

 

Проект Программы развития ООН и Глобального экологического фонда «Повышение энергетической эффективности жилых зданий в Республике Беларусь» ставит своей целью снижение потребления энергии при строительстве и эксплуатации жилых зданий и соответствующее сокращение выбросов парниковых газов.

Основное внимание в проекте уделяется разработке и обеспечению эффективного внедрения новых методов проектирования жилых зданий и строительных норм, проектированию и строительству трех демонстрационных многоэтажных жилых зданий массовых серий, решению вопросов, связанных с сертификацией зданий по уровню энергоэффективности.

Национальным исполняющим агентством является Департамент по энергоэффективности Госстандарта Республики Беларусь. Основными партерами проекта выступают Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, ОАО МАПИД, УП «Институт Гродногражданпроект», Могилевский облисполком.

 

© Программа развития ООН в Республике Беларусь, 2014