Особенности функционирования системы горячего водоснабжения: солнечные водогрейные коллекторы - тепловой насос в условиях Подмосковья

Введение. Комфортное пребывание человека дома, на работе и отдыхе невозможно сегодня представить без круглосуточного наличия горячей воды. Территория России обширна, и говорить о повсеместном обеспечении населенных пунктов и поселений, небольших гостиниц и мотелей, туристических баз и мест отдыха, отдаленных сельскохозяйственных и военных объектов, рыболовных артелей и охотничьих хозяйств системами централизованного горячего водоснабжения не совсем корректно. Для подтверждения сказанного можно отметить, что 2/3 территории страны, на которой проживает более 20 млн жителей, находится вне зоны централизованного электроснабжения [1, 2]. Кроме этого существующие реалии сегодняшнего дня - ресурсо- и энергосбережение - подчеркивают актуальность таких мероприятий, как экономное потребление энергии, необходимость поиска малоэнергозатратных технологических и технических решений в быту и на производстве, что подвигает жителей как городов, так и удаленных поселений искать возможность организовать либо автономное энергоснабжение, либо использовать энергоэффективные установки и облегчить тем самым тяжелое бремя зависимости от существующих тарифов и расценок на энергоносители, в том числе и горячую воду.

В качестве эффективного ресурсо- и энергосберегающего варианта решения вопроса обеспечения горячим водоснабжени ем разнообразных потребителей может быть рассмотрена возможность организации совместной работы для этих целей таких автономных установок, как водогрейные солнечные коллекторы и тепловой насос [3, 4, 5, 6, 7]. Важным моментом совместной их работы является обоснование выбора соответствующего типоразмера применяемого оборудования и согласование их характеристик по критерию оптимальной совместимости. Такой подход является как никогда актуальным, так как в настоящее время на российском рынке в широком ассортименте представлены различные типы энергоустановок, позволяющие обеспечить потребителей горячей водой.

Для предварительной оценки возможности реализации технических систем, состоящих из солнечных коллекторов и теплового насоса, с целью их совместной работы для обеспечения потребителей горячей водой, следует не только разбираться в их конструкции и знать характеристики, но и ознакомиться с существующим опытом их эксплуатации и оценкой их функциональных возможностей на примере конкретно выбранной комплектации и в условиях рассматриваемого региона.

Исходные данные и методика анализа. В условиях Центрального федерального округа - в районе города Домодедово (Московская область) - в течение нескольких лет был организован и осуществлен эксперимент по изучению работы и кон- тролю за параметрами и режимами функционирования трех солнечных коллекторов «Sun-Time-Solar» (рисунок I а), собранных в небольшую автономную гелиосистему (рисунок 1 в). Выбор типа солнечных коллекторов был осуществлен с учетом имеющихся у них преимуществ: каналы абсорбера, в количестве семидесяти штук, сформированы в виде трапеций, поэтому солнечные лучи всегда направлены практически под прямым углом к поверхности абсорбера (рисунок 1 б); коллектор площадью 2,5 м* вмещает пять литров теплоносителя, а это примерно в 2-3 раза больше, чем у всех существующих аналогов и при этом не наблюдается потерь эффективности его функционирования; удельный энергосъём с одного квадратного метра выше, чем у существующих плоских сол нечных коллекторов за счёт того, что происходит равномерный прогрев теплоносителя по всей поверхности каналов абсорбера с теплопередачей непосредственно от металлической поверхности абсорбера к теплоносителю. Занимаемая водонагревателем с солнечными коллекторами площадь минимальна [8].

Эффективность применения солнечных коллекторов для Подмосковья актуальна в период с середины марта до конца октября, с максимальной отдачей в летние ясные солнечные дни. За период наблюдения гелиоустановка отработала: в 2011 году - 1647 часов; в 2012 году -1701 час; в 2013 году - 1707 часов; в 2014 году -1704 часа. Общая суммарная выработка тепловой мощности составила примерно 4360 кВт в год.

в

Рисунок 1 - Внешний вид солнечных коллекторов «Sun-Time-Solar» («), конструкция каналов абсорбера (б); размещение коллекторов на крыше коттеджа в Домодедово (в)

Нагревать воду до горячего состояния, используя систему, состоящую из солнечных коллекторов, бойлера, насосной группы, электронного блока управления, как было сказано ранее, эффективно только в светлое время суток и при наличии солн- ца. В то же время в различные периоды года, да и в летние пасмурные дни, также требуется большой объём горячей воды, а солнечная инсоляция помесячно распределена неравномерно (таблица 1), поэтому в этих случаях систему дополняют электрическими ТЭНами, встраиваемыми в бойлер, что требует дополнительных затрат электрической энергии, идущей на электроподогрев воды.

Более рационально и эффективно в этих случаях использовать комбинированные системы, отличающиеся от описанной ранее наличием в них тепловых насосов, что и было реализовано в 2015 году. Действующую гелиосистему усовершенствовали, доукомплектовав ее водонагревателем SWH1-300N с вмонтированным тепловым насосом типа «воздух-вода», структурная схема которой представлена на рисунке 2. Такой выбор перечисленного оборудования обусловлен относительно низ кой его ценой, простотой монтажа и высокой степенью эксплуатационной надёжности. Установка SWH1-300N представляет собой водонагреватель, состоящий из бака на 300 литров, изготовленного из нержавеющей стали, в верхней части которого располагается тепловой насос и имеется дополнительная опция подключения солнечных коллекторов (рисунок 3). Встроенный дополнительный теплообменник (змеевик) в водонагревателе соединяется магистральными трубопроводами с солнечными панелями. За счёт того, что вода может дополнительно нагреваться солнечными коллекторами, время нагрева сокращается. Потребляя всего 440 Вт электрической энергии в час, этот водонагреватель с тепловым насосом нагревает 300 литров горячей воды до 60 °C от первоначальной температуры в 10-15 °C примерно за 9-10 часов работы. Паспортная теплотворная способность составляет qth =1,6 кВт.

Таблица 1 - Данные о солнечной радиации и температуре воздуха для Московского региона (широта 55,7) по месяцам года [9]

Показатели	Месяцы года
	&	6 Он о		6	S		§	cd	Он о	Л Он в о	Л Он W о щ	Л Он ГД
Месячные суммы солнечной радиации на горизонтально расположенную панель, кВтч/м2	16	35	81	111	162	167	166	130	83	42	19	13
Месячные суммы солнечной радиации на вертикально расположенную панель, кВт ч/м2	22	58	105	94	108	101	109	104	87	59	39	26
Месячные суммы солнечной радиации на панель с углом наклона 40°, кВт ч/м2	23	54	109	128	166	163	168	145	105	61	35	22
Дневное поступление суммарной солнечной радиации, МДж/м2	1,89	4,33	9,29	13,41	18,65	19,83	19,19	15,14	10,06	4,87	2,23	1,35
Дневное поступление рассеянной солнечной радиации, МДж/м2	1,76	3,18	5,95	7,54	9,33	9,78	10,27	8,11	6,14	3,24	1,54	1,14
Температура наружного воздуха, °C	10,2	-9,6	-4,7	4	11,6	15,8	18,1	16,2	10,6	4,2	-2,2	-7,6

2 - контроллер; 3 - циркуляционный насос гелиоконтура; 4 - датчик температуры;

5 - теплообменник; 6 - бак-накопитель (бойлер); 8 - трехходовой клапан

Рисунок 2 - Структурная схема системы горячего водоснабжения с тепловым насосом «воздух-вода» (7) и солнечным коллектором (1)

Рисунок 3 - Внешний вид водонагревателя SWH1-300N с тепловым насосом и солнечным коллектором «Sun-Time-Solar» («). Верхняя часть водонагревателя с установленным в ней тепловым насосом типа «воздух-вода» (б)

Применение теплового насоса позволяет нагревать воду в ночное время, в пасмурные дни и в периоды года с низкой температурой окружающего воздуха. Эксплуатация таких систем позволяет более стабильно и равномерно удовлетворять нужды потребителей в горячей воде [10, 11]. Вместе с этим необходимо отметить, что для управления тепловым насосом также необходима электрическая энергия, затраты которой в 4 раза меньше, чем при использовании ТЭНов для подогрева воды до необходимой температуры. Объём бака или баков накопителей при таком совмещении уменьшается в 2,7-3 раза по сравнению с аккумулирующей системой горячего водоснабжения только на солнечных коллекторах.

Такую компоновку целесообразно применять для жилых, социальных и общественных объектов, обустроенных мест отдыха и объектов агропромышленного комплекса. При большом объёме потребности в горячей воде установки можно монтировать по каскадно-модульной системе.

Это позволит снизить риск сбоев снабжения горячей водой потребителей, сделает более удобным обслуживание, существенно сократит количество солнечных коллекторов, исключит вероятность заражения легионеллой, а также исключит необходимость в дополнительных вспомогательных помещениях для больших накопительных бойлеров, которые представляют собой объемные сварные неразборные конструкции.

Результаты и их обсуждение. Рассмотрим работу описанных вариантов системы горячего водоснабжения в различные часы суток для летнего периода года.

В летний солнечный день три солнечных коллектора нагреют 300 литров воды до температуры не менее 60 °C за полный световой день, что подтверждено наблюдениями во время их эксплуатации.

Расход электрической энергии, затрачиваемой на насосную группу и блок управления гелиосистемой, при потребляемой ими мощности Рен = 40 Вт за 8 часов работы составит:

Wch = Рен т = 40-8 = 320 Вт ч.

Работа коллекторов начинается в 9.30 и заканчивается примерно в 18.30. Вечером большая часть горячей воды, а это примерно 200 литров, может быть израсходована.

В течение ночного времени суток вода будет подогреваться тепловым насосом, встроенным в бак-накопитель (бойлер), и поэтому утром в водонагревателе горячая вода будет с первоначально запланированной температурой в 60 °C.

Использование в гелиосистеме бака-накопителя объёмом 300 литров с резервируемым нагревателем от теплового насоса позволяет на выходе системы получать горячую воду температурой 60 °C при ее расходе не менее 500 литров в сутки.

Водонагреватель, который оборудован тепловым насосом с теплотворной спо собностью дтн =1,6 кВт, потребляет электрическую мощность Ртн = 440 Вт.

Для того чтобы нагреть 200 литров воды до температуры 1к = 60 °C от первоначального значения в 1н = 20 °C, потребуется затратить тепловую энергию в количестве:

Q = mc(tK-tH) = 200-4,19 (60-20) = = 33520 кДж = 9,31 кВт ч, где с- удельная теплоемкость воды, с = 4,19 кДж/кг °С.

Время нагрева воды в водонагревателе с использованием теплового насоса составит:

т = Q:qTH = 9,31:1,6 = 5,8 часа.

При этом расход электрической энергии водонагревателем с тепловым насосом для нагрева воды в объёме 200 литров составит:

Wth = Ртн т = 440-5,8 = 2,55 кВт ч.

Суммарные затраты электрической энергии для нагрева 500 литров воды до температуры 60 °C составят:

Wrc = Wch+Wth = 0,32+2,55 = 2,87 кВт ч.

Для сравнения: затраты электрической энергии на нагрев 500 литров воды с помощью трубчатых электронагревателей (ТЭНов) составят:

Woh = шефк - 1н):(3600 т|э-г|т) =

= 500-4,19 (60-20): (3600 1,0 0,9) = = 25,86 кВт ч, где т|э - электрический КПД, т|э ~ 1,0;

т|т - термический КПД, для электрических нагревателей-термосов равен т|т = 0,85-0,95.

Экономия электрической энергии при сравнении вышеописанных вариантов систем автономного горячего водоснабжения составляет:

AW = W3H-Wrc = 25,86-2,87 = 22,99 кВт ч в сутки.

Реальную денежную выгоду от внедрения такой системы можно оценить в зависимости от установленных региональных тарифов на электроэнергию (таблица 2).

Таблица 2 - Тарифы на электрическую энергию для населения в Московском регионе и стоимость сэкономленной электрической энергии за сутки, при условии применения описанной автономной системы горячего водоснабжения

Тарифы	2002 г.	2012 г.	2013 г.	2014 г.	2015 г.	2016 г.
Одноставочный тариф для сельского населения (первое - второе полугодие), руб. за кВт ч	0,71	2,37-2,51	2,54-2,81	2,81-2,93	2,93-3,18	3,18-3,37
Экономия электрической энергии AW= 22,99 кВт ч в сутки, руб.	16,33	54,49 57,7	58,39 64,6	64,6 67,36	67,36 73,1	73,1 77,48

Рассмотрим динамику суточного цикла работы автономной системы горячего водоснабжения с тепловым насосом и подключенными солнечными коллекторами для летнего периода эксплуатации.

Начало работы: утро. Положим, что в 6 часов утра вода в бойлере имеет температуру 60 °C. Водоразбор горячей воды с 6.00 до 8.00 составляет примерно 100 л. Одновременно с расходом горячей воды температурой 60 °C происходит заполнение бойлера - подпитка из подводящей магистрали холодной водой температурой 10 °C.

При этом отмечаем, что тепловой насос начинает работать при понижении температуры в бойлере до значения 50 °C. Следовательно, начало его работы по времени будет напрямую зависеть от скорости водоразбора. В заводском паспорте отмечается, что замещение одного литра горячей воды температурой 60 °C холодной с температурой 10 °C понижает температуру в бойлере емкостью 300 литров на 0,166 °C (A1V = 0,166 °С/л). Поэтому чтобы тепловой насос начал работать, необходимо израсходовать как минимум 60 литров горячей воды, то есть

V = (12 - tl):AtV = (60 - 50):0,166 = 60 л.

При условии равномерного расхода вода начнёт нагреваться через час, то есть в 7.00. Последующий час вода будет расходоваться и нагреваться, при этом время нагрева сократится.

В реальности динамика процесс расхода и нагрева воды будет выглядеть следующим образом. В первый час работы, с 6.00 до 7.00, расход будет составлять 60 литров горячей воды без включения теплового насоса, что сопровождается понижением температуры с 60 до 50 °C. Дальней ший водоразбор (с 7.00 до 8.00) составит уже 40 литров при температуре воды в бойлере 50 °C, что приведёт к понижению температуры в бойлере на А1_ = 5,33 °C, но в то же время работа теплового насоса в течение часа повысит температуру на А1+ = 4,59 °C.

Известно, что на нагревание одного килограмма или одного литра воды с повышением ее температуры на один градус требуется примерно 1,16 Вт энергии

(с|тнэл =1,16 Вт/(кг°С)).

Таким образом, нагрев воды тепловым насосом повысит ее температуру на

А1+ = дтн:(дтнэлш) = 1600:(1,16-300) =

= 4,59 °C за один час его работы.

Получается, что водоразбор горячей воды в количестве 40 л/ч при работающем тепловом насосе приведет к тому, что температура в бойлере понизится на

At = AL - AL = 5,33 - 4,59 = 0,74 °C для 300 литров воды и к окончанию водоразбора в 8.00 температура воды в бойлере будет равна 49,26 °C, для дальнейших расчетов округлим и примем равной 49 °C.

Время нагрева воды тепловым насосом от 49 до 60 °C составит:

т = (АТтдтнэл):дтн =

= (11 300 1,16): 1600 ~ 2,4 часа.

Полдень. Для периода времени с 12.00 до 14.00 водоразбор составляет примерно 60 литров горячей воды температурой 60 °C, что приводит к снижению температуры в бойлере на 8,3 °C. Получается, что водоразбор горячей воды в количестве 60 л снижает температуру в бойлере на

At = 1н—AL = 60-8,3 = 51,7 °C.

Дальнейшее понижение температуры в бойлере до 50 °C побудит тепловой насос начать работать, нагревая воду до темпера- туры 60 °C. Время работы теплового насоса составит:

т = (АЕт^тнэл)^тн = (10-300-1,16): 1600 ~ ~ 2,2 часа.

Тепловой насос включится в работу в 14.00 и будет работать 2,2 часа. Окончание работы примерно в 16.10.

Вечернее время. Начало водоразбора 19.00, а окончание в 24.00. Общее время расхода 200 литров воды составит 5 часов, а сам расход будет равен:

AVt = V:t = 200:5 =40 л/ч.

Для включения теплового насоса необходимо израсходовать 60 литров воды, поэтому через полтора часа от начала водоразбора он начнёт работу, то есть в 20.30. Температура в бойлере в начале его работы равна 50 °C. На основании предыдущих расчётов, при условии работы теплового насоса и одновременном расходе воды, за 3,5 часа последующего водоразбора температура воды в бойлере понизится на

АЕ = 3,5 0,74 = 2,59 °C и будет составлять 47,4 °C или, округляя до целых, 47 °C. Время на полный нагрев воды до 60 °C после окончания водоразбора соответственно сократится и составит:

т = (АЕт^тнэл)^тн = (13-300-1,16): 1600 = = 2,83 часа.

Окончание нагрева запланировано в 4.50.

Заключение. В условиях Подмосковья совместное использование для горячего водоснабжения теплового насоса и солнечных водогрейных коллекторов позволяет получить достаточное количество горячей воды в полдень и вечером для нужд семьи, проживающей в коттеджной постройке или усадьбе сельского жителя. Такие проекты можно успешно реализовать для снижения затрат энергии на автономный подогрев воды на удаленных объектах, в организованных местах отдыха и на объектах агропромышленного сектора. Отметим, что при этом сокращается время нагрева воды ночью; уменьшается расход электроэнергии за счет использования солнечных коллекторов; сокращается площадь, занимаемая оборудованием; объем бака накопителя (бойлера) уменьшается в 2-4 раза; можно обойтись минимальным количеством солнечных коллекторов.