Энергосбережение в системах отопления

2. Системы низкотемпературного отопления

Системами солнечного отопления называются системы, использующие в качестве теплоисточника энергию солнечной радиации. Их характерным отличием от других систем
низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в
тепловую энергию. По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные. Пассивными называются системы
солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т.п.). В пассивной системе солнечного низкотемпературного отопления «здание-коллектор»
солнечная радиация, проникая через световые проемы в помещение, попадает как бы в тепловую ловушку. Коротковолновое солнечное излучение свободно проходит через оконное стекло (коэффициент пропускания 0,85-1,0) и, попадая на внутренние ограждения
помещения и мебель, преобразуется в теплоту. Температура поверхностей повышается, и
теплота отдается воздуху и необлученным поверхностям помещения конвекцией и излучением. Собственное излучение поверхностей при этом происходит в длинноволновом
диапазоне и плохо пропускается оконным стеклом (коэффициент пропускания 0,1-0,15),
которое отражает его внутрь помещения. Таким образом, почти вся солнечная радиация,
попавшая в помещение, преобразуется в нем в теплоту и способна частично или полностью (в зависимости от географических и климатических условий, архитектурно-планировочных решений) компенсировать его тепловые потери. Массивные внутренние
ограждения способны аккумулировать часть теплоты, образовавшейся на их поверхности,
и отдавать ее помещению постепенно, даже спустя 6-8 ч после прекращения воздействия
на них солнечной радиации. Для повышения эффективности работы системы «здание-коллектор» световые проемы большой площади помещают на южном фасаде, снабжая их
жалюзи, которые при закрытии должны препятствовать в темное время суток потерям с
противоизлучением, а в жаркий период в сочетании с другими солнцезащитными устройствами – перегреву помещения. Внутренние поверхности окрашивают в темные тона.

Пассивная солнечная система воздушного низкотемпературного отопления «стена-коллектор» включает массивную наружную стену, перед которой на небольшом
расстоянии устанавливают лучепрозрачный экран с жалюзи. У пола и под потолком в стене устраивают щелевидные отверстия с клапанами. Солнечные лучи, пройдя через лучепрозрачный экран, поглощаются поверхностью массивной стены и преобразуются в теплоту, которая конвекцией передается воздуху, находящемуся в пространстве между экраном и стеной. Воздух нагревается и поднимается вверх, попадая через щелевое отверстие
под потолком в обслуживаемое помещение, а его место занимает остывший воздух из помещения, проникающий в пространство между стеной и экраном через щелевое отверстие
у пола помещения. Подачу нагретого воздуха в помещение регулируют открытием клапана. Если клапан закрыт, происходит аккумуляция теплоты массивом стены. Эту теплоту
можно отобрать конвективным потоком воздуха, открывая клапан в ночное время или в
пасмурную погоду.

При расчете пассивного низкотемпературного солнечного воздушного отопления со «стеной-коллектором» определяют необходимую площадь поверхности стены и рассматривают подобную конструкцию как вентилируемую воздушную прослойку с лучепрозрачным
экраном. Данную систему, как правило, дублируют дополнительным источником теплоты. Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых
гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к
зданию. В настоящее время для активных систем солнечного отопления применяют гелиоприемники двух типов: концентрирующие и плоские. Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические
зеркала, параболоцилиндры, выполненные из полированного металла, в фокус
которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), заполненный теплоносителем. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости.
При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период
систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания. Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен
строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемииками является способность
выработки теплоты с относительно высокой температурой (40-80 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции, работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема, большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой
энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками.

Плоские коллекторы изготовляют в виде пластины с каналами для транспорта
теплоносителя, помещаемой в металлический или пластмассовый корпус. Для предотвращения собственного длинноволнового излучения в окружающее пространство, а также
для снижения конвективных теплопотерь пластину покрывают с наружной стороны одним
или несколькими слоями остекления на расстоянии 30-50 мм от пластины и между слоями, а с обратной стороны теплоизолируют. В качестве теплоносителя используют воду,
антифризы, воздух.

Для лучшего поглощения солнечной радиации коллекторы устанавливают на кровле здания или рядом с ним зимой под углом 80-90° к горизонту, летом – 20-30°, а при круглогодичной эксплуатации под углом, равным широте местности. Коллекторы позволяют нагревать теплоноситель максимально до 90 °С. Для повышения эффективности коллекторов поверхность теплопоглощающей пластины
покрывают спектрально-селективными слоями, хорошо пропускающими коротковолновое
излучение и препятствующими собственному длинноволновому излучению, а также вакуумируют межстекольное пространство.

В условиях России применение системы отопления с солнечными коллекторами, рассчитанной на покрытие теплопотребления в течение всего отопительного сезона на основе
существующих схем, экономически невыгодно. Поэтому такие системы дублируют традиционными теплоисточниками, а также включают в схему системы тепловой насос. На долю гелиоконтура оставляют примерно 30-50 % теплопотребностей обслуживаемого объекта.

3. Системы геотермального отопления

В качестве теплоисточника низкотемпературных систем отопления может использоваться
теплота подземных нагретых вод или горных пород. Такое отопление называют геотермальным. Наша страна имеет большие запасы геотермальных вод, температура которых значительно
выше температуры воздуха. Вместе с тем геотермальные воды содержат большое количество растворенных минеральных солей, вызывающих коррозию металлов, а также зарастание труб и аппаратов, что обусловливает особенности конструирования и эксплуатации
систем отопления, использующих такую воду.

При подаче геотермальной нагретой воды из скважины в тепловую сеть системы отопления присоединяют к сети в основном по двум схемам: зависимой и независимой. Независимую схему присоединения применяют ри высокой степени минерализации геотермальной воды. При этом качество геотермальной воды не влияет на выбор и эксплуатацию систем отопления. Геотермальные воды со степенью минерализации до 10 г/л можно использовать непосредственно в системах отопления и горячего водоснабжения. В этом случае системы отопления присоединяют к тепловым сетям геотермальных вод по зависимой схеме с центральным регулированием температуры воды, а также со смешением в тепловых пунктах зданий, если температура воды в сети выше, чем требуется для системы отопления. Охлажденную в системах отопления воду, как правило, сбрасывают или закачивают обратно в
пласт. При зависимом присоединении систем отопления к сетям геотермального теплоснабжения
срок их службы снижается до 15 лет. Учитывая образование накипи, рекомендуется при
расчете принимать заниженные на 30 % коэффициенты теплопередачи отопительных
приборов и труб. Если температура геотермальной воды недостаточна для нагревания воды в системе отопления, то систему низкотемпературного отопления устраивают комбинированной. При том дополнительное "пиковое" нагревание используют как в геотермальной теплосети, так и непосредственно в системе отопления. Дополнительное нагревание геотермальных вод осуществляют в периодически действующих паровых котлах с пароводяными теплообменниками, в водогрейных котлах или электрических теплообменниках. Наиболее экономична бессливная система теплоснабжения с геотермальными водами и «пиковым» догреванием. В систему включен бак-аккумулятор отработавшей
воды, откуда она забирается для смешения с горячей водой при центральном регулировании температуры. Вместимость бака-аккумулятора устанавливается в зависимости от дебита скважины, температуры нагретой геотермальной воды, требуемой температуры воды
в подающем теплопроводе системы отопления. Баки-аккумуляторы выполняют в виде железобетонных резервуаров, заглубленных в землю.

Повышение температуры геотермальных вод с помощью тепловых насосов возможно по двум схемам: централизованного повышения температуры воды
для всей геотермальной теплосети и местного повышения температуры воды
для отдельных потребителей. Вторую схему применяют обычно при присоединении к тепловой сети различных по назначению и параметрам систем (например, когда температура геотермальных вод достаточна для системы горячего водоснабжения, но недостаточна
для системы отопления).

Работа тепловых насосов на геотермальной воде высоко эффективна, так как температура
нагретых вод постоянна в течение всего отопительного сезона. Регулирование тепловой
мощности, а также температуры нагретой воды может осуществляться дроссельным вентилем теплового насоса путем подмешивания обратной воды из системы отопления к подаваемой воде и ступенчатого отключения групп цилиндров у компрессора теплового насоса.

4. Системы отопления с использованием сбросной воды

Сбросной называют теплоту, отводимую в атмосферу или водоемы от различных технологических установок. При ежегодном потреблении в нашей стране около 2 млрд, сбрасывается до 1,5 млрд. ГДж теплоты. Использование этого количества теплоты экономически выгодно, так как капитальные затраты на утилизацию значительно меньше, чем
на выработку такого же количества теплоты.

Источником сбросной теплоты (ее относят к так называемым ВЭР - вторичным энергоресурсам) могут быть:

• отработавший («мятый») пар;
•  сбросная вода, использованная для охлаждения машин, рабочих тел, промывки
продукции и т.п.;
• уходящие газы технологического топливоиспользующего оборудования, удаляемый нагретый воздух.

При использовании теплоты отработавшего пара применяют системы парового, водяного и воздушного отопления. Сбросную воду в качестве теплоисточника для систем водяного отопления используют по
двум схемам:

• по зависимой или независимой схеме, когда нагретая сбросная вода подается непосредственно в систему отопления или отдает свою теплоту в теплообменнике воде системы отопления;
•  по схеме с дополнительным нагреванием с помощью теплового насоса, если температура воды недостаточна для непосредственного использования в системе отопления).

Теплота уходящих газов может использоваться в газо-водяных теплообменниках -
экномайзерах для нагревания воды системы отопления или ее предварительного подогрева, а также в газовоздушных теплообменниках для подогрева наружного воздуха, поступающего к воздушно-отопительным агрегатам. Перспективным считают использование теплообменников-утилизаторов с промежуточным теплоносителем, изменяющим свое агрегатное состояние, так называемых термосифонов. В качестве промежуточного теплоносителя можно применить низкокипящие жидкости (хладоны). Преимущества таких систем – отсутствие перекачивающих насосов и не замерзаемость теплоносителя. В теплообменнике, находящемся в потоке удаляемого воздуха, будет происходить вскипание хладона, пары которого будут подниматься в теплообменник предварительного нагревания воздуха для системы воздушного отопления, где происходит их конденсация и отбор теплоты. Конденсат самотеком возвращается в теплообменник-испаритель.

3. Горячее водоснабжение; качество воды. Горячее водоснабжение квартиры

Горячее водоснабжение (ГВС) — система, комплекс устройств, предназначенных для обеспечения потребителей горячей водой для технологических, санитарных и гигиенических целей.

Как правило, это: водонагреватель, циркуляционный насос, трубы горячего водоснабжения, арматура для раздачи воды потребителям (краны, душевые сетки).

Способы присоединения подсистемы ГВС к системе теплоснабжения:

• Горячая вода поступает к потребителю непосредственно из общей системы теплоснабжения. При таком подключении качество воды в водопроводном кране и внутри радиатора (батареи) отопления одинаково. То есть люди потребляют непосредственно теплоноситель. В этом случае сама система теплоснабжения называется открытой (то есть через открытые краны из системы теплоснабжения вытекает теплоноситель).
• Холодная питьевая вода, забираемая из водопровода, нагревается в дополнительном теплообменнике сетевой водой, после чего поступает к потребителю. Горячая вода и теплоноситель разделены, потребляемая людьми горячая вода по своим питьевым качествам практически не отличается от холодной (трубы горячей воды ржавеют быстрее, чем холодной). В этом случае система теплоснабжения называется закрытой, так как передаёт потребителям только тепло, но не теплоноситель.