Непрерывное обострение проблем, связанных с добычей и сжиганием ископаемых видов топлива, заставляет людей серьезно задуматься над возможностями возобновляемых источников энергии. Неудивительно, что в последнее время интенсивно пропагандируются различные экологические технологии, способные с успехом заменить традиционные методы обогрева объектов.

К сожалению, стоимость таких технологий еще слишком высока, что не вызывают доверия у многих потенциальных инвесторов. Поэтому нужно искать много новых решений - по конкурентоспособной цене.

Сейчас уже можно заметить незначительное снижение цен на оборудование для использования возобновляемых источников энергии. Правда, это оборудование не лишено определенных недостатков. Так, среди основных экологических проблем, связанных с помпами тепла, следует упомянуть о парниковом эффекте, разрушение озонового слоя, шум.

Парниковый эффект в значительной степени усиливают многоатомные газы, которые скапливаются в верхних слоях атмосферы: продукты сгорания газа (в основном С02) и рабочие субстанции, просачиваются в окружающую среду через неплотности системы теплового насоса. Вместе с тем применение тепловых насосов способствует уменьшению эмиссии всех продуктов сгорания благодаря химической энергии, содержащейся в первичных видах топлива.

Одним из факторов ограничения парникового эффекта стала замена традиционных охлаждающих веществ, прежде R12 и R114. Большая надежда возлагается на применение аммиака как рабочей среды для маломощной техники. Относительно других рабочих сред, применяемых в тепловых помпах для питания систем центрального отопления, то высокая температура конденсации влечет очень значительные потери давления и существенно снижает энергетическую производительность систем. Аммиак, благодаря высокой температуре критической точки и малом удельном теплоемкости в жидкой фазе, позволяет минимизировать потери давления, соответственно повысив эффективность циркуляции. Появление свободных от хлоридов рабочих сред ограничивает негативное влияние тепловых насосов на озоновый слой.
Шум в тепловых помпах вызывают вентиляторы и компрессоры. Его уровень удалось существенно снизить с применением современных ротационных компрессоров.

Эффективно снижают шум в помещениях также сплит-системы.

Следовательно, выгодной альтернативой традиционным источникам тепла можно смело признать тепловые насосы, позволяющие улучшить экологические показатели проектируемых систем. Собственно с этих позиций и выполним сравнительный анализ двух систем отопления для частного дома.

Объект:

Рассматриваемый объект - двухэтажный дом, в котором живут 2-3 человека. На первом этаже дома  расположены тамбур, прихожая, кухня, туалет и общая комната. Полезная площадь первого этажа составляет 35,2 м2.
На втором этаже есть ванная комната с туалетом, коридор, спальня и комната отдыха. Полезная площадь второго этажа - 29,99 м2.

Восточная стена дома прилегает к соседнему жилому дому при посредничестве дилатационного шва, наполненного пенопластом толщиной 10 см. Общая расчетная тепловая потребность для отопления целого дома составляет 3,93 кВт.

Характеристики систем центрального отопления.

Система отопления состоит из газового конденсационного котла, теплового аккумулятора и объекта обогрева.

Запроектирована система - низкотемпературная, двухтрубная, помповое, заперта. Ее питание будет обеспечиваться теплоносителем (водой) с параметрами 55/45 ° С от газового конденсационного котла. Котельная расположена в отдельном, специально выделенном помещении. Трубопроводы системы - из труб РЕХ-с, соединенных зажимными полимерными связующими элементами.

Все трубопроводы будут проложены в полу в теплоизоляционной оболочке из пенополиуретана, который обеспечивает свободное термическое удлинение труб.
Помещение обогревается посредством конвекционных нагревательных приборов, каждый из которых будет иметь отдельное присоединения к стоякам питания и обратной воды. Нагревательные приборы - стальные однопластинчатые радиаторы высотой 300 и 450 мм со встроенными термостатическими кранами.

Альтернативная система центрального отопления.

Альтернативная система центрального отопления состоит из теплового насоса, нижним источником тепла которой является солнечный коллектор и буферный сборник, в котором аккумулируется тепло из солнечного коллектора.

Адсорбированные в солнечном коллекторе тепло накапливается в буферном сборнике объемом | 0,55 м3, что является нижним источником тепла для теплового насоса. Если тепловой энергии от коллектора будет недостаточно, то теплоноситель в сборнике нагревается электрическим нагревателем мощностью 1 кВт. 

Расчет основных рабочих параметров теплового насоса.

 
В рассматриваемом проекте тепловой насос одновременно является источником тепловой энергии для жилого дома.
Тепловой насос - это термодинамическая система, в которой рабочая среда проходит поочередные термодинамические преобразования, составляющие замкнутый цикл Карно. В проекте применены компрессорный цикл Карно с испарением жидкости (дельта Tвипар. = 5К).
Для определения основных рабочих параметров теплового насоса тщательно рассчитан тепловой баланс сборника во время отопительного сезона (с сентября по апрель) по уравнению составляющих солнечного излучения на поверхность коллектора. Вычислено часовую сумму непосредственного и полного излучения на поверхность коллектора, что позволило определить его эксплуатационную мощность. Рассчитано также суточный температурный режим воды.

Разбор тепла исчислялся для каждого месяца в соответствии с сезонной потребности в энергии.
В ходе расчетов оказалось, что в сборник поступать избыток тепла. Изменение температуры воды в сборнике обусловлена отводом минимального количества энергии из сборника к испарителя. Кроме того, в сентябре обычно отмечаются высокие значения эксплуатационной мощности солнечного коллектора в связи со значительным солнечным излучением, характерным для этого месяца. Поэтому необходимо позаботиться о возможности использования избытка тепла для других нужд, например для подогрева воды в бассейне или воды для бытовых и гигиенических нужд.
Режимный график температуры воды для сентября с использованием энергии, полученной от солнечного коллектора, дополнительно для горячего водоснабжения.

В начале суток температура воды снижается, что объясняется отсутствием или очень малой интенсивностью полного излучения. В течение последующих часов, когда уже используется солнечная энергия, можно заметить повышение температуры почти до 30 ° С. В последние часы суток температура воды снижается вследствие отсутствия излучения и постоянного отбора энергии испарителем. В конце моделирования температура воды в буферном сборнике составляла 28 ° С. В течение семи дней повышение температуры достигло 13 ° С.

Наиболее невыгодным месяцем обогревательного сезона является январь. Средняя интенсивность полного излучения на поверхность коллектора в это время - минимальна, тогда как тепловая потребность для отопления дома - максимальная. Поэтому недостаток солнечной энергии дополняется электрическим нагревателем мощностью 1 кВт. Электрический водонагреватель догревает воду в сборнике протяжении 18 часов в сутки.

В этом случае в конце суток температура воды приближается к исходному уровню (15 ° С). В течение следующих семи дней температура воды снижается до 5 ° С, что является результатом недостаточной интенсивности солнечного излучения.

Таблица 1. Сравнение эксплуатационной стоимости рассматриваемых систем отопления

Котел Тепловая помпа + Тепловая помпа
(Злот. / месяц) электронагреватель (злот. / месяц)
(Злот. / месяц)
Сентябрь 42,66 3,57 3,57
Октябрь 87,65 15,68 15,68
Ноябрь 117,35 118,13 36,23
Декабрь 160,3 273,03 79,59
Январь 178,29 321,42 103,80
Февраль 150,24 238,07 74,27
Март 128,93 105,70 45,25
Апрель 86,96 15,73 15,73

Вместе 952,42 1091,33 374,12

Инвестиционная стоимость источников тепла рассматриваемых систем отопления.

 
В традиционной системе центрального отопления источником тепла является газовый конденсационный котел мощностью 3-16 кВт. Цена нетто оборудования - 10360 РLМ.
В анализируемой нетрадиционной системе источником тепла будет тепловой насос, нижним источником которой является солнечная энергия, полученная с помощью солнечных коллекторов. Была выбрана тепловой насос типа "вода-вода". В инвестициях системы предусмотрены расходы на приобретение двух солнечных вакуумных коллекторов (с оборудованием) для крыши, незамерзающей жидкости для наполнения солнечной системы, гидравлического оборудования и т.п. Полная стоимость нетто системы центрального отопления на базе теплового насоса составила 20750 РLМ.
Эксплуатационная стоимость систем исчисленная с учетом актуальных цен на электроэнергию и газ.

Выводы:

 
• Система отопления с тепловым насосом способна удовлетворить тепловые потребности дома, обеспечив комфортный микроклимат.
• Моделирование изменений температуры воды в сборнике, который нагревается от солярной системы, убеждает в целесообразности установки системы отопления на базе теплового насоса. Вычисленной интенсивности солнечного излучения достаточно для обеспечения нормальной работы теплового насоса в течение значительной части отопительного периода.
Применение в системе отопления с тепловым насосом электрического нагревателя для подогрева воды в буферном сборнике в период недостаточной интенсивности солнечного излучения-финансово (экономически) невыгодно. Поэтому стоит проанализировать возможности выбора другого нижнего источника тепла, например, грунтовых коллекторов.
Инвестиционные затраты на систему отопления с тепловым насосом можно снизить, остановив выбор на более дешевых солнечных коллекторах для подогрева нижнего источника тепла. Кроме того, можно предусмотреть возможность использования солнечных коллекторов для подогрева горячей воды на бытовые нужды во время летнего сезона. Если эксплуатационная стоимость подогрева горячей воды будет соответственно низкой, то можно ожидать, что в годовом исчислении система с тепловым насосом при эксплуатации будет дешевле системы с газовым котлом.