Формирование ресурсосберегающих централизованных систем теплоснабжения на базе ТНУ

В ряде европейских стран широко применяются децентрализованные системы теплоснабжения. В таких системах обеспечение тепловой энергией квартир в многоквартирном доме осуществляется от индивидуального источника, например, газового водогрейного котла. Бытовые конденсационные котлы фирмы «Виссманн» имеют КПД на уровне 95 % и в автоматическом режиме поддерживают заданную температуру воздуха внутри отапливаемых помещений, обеспечивая существенную экономию топлива. В такой системе теплоснабжения регулирование подвода тепловой энергии осуществляется путем отключения котла.
Учитывая опыт создания децентрализованных систем в европейских странах и можно сформулировать задачу по реформированию централизованных систем теплоснабжения в РФ, заключающуюся в получении таких систем теплоснабжения, которые сочетали бы в себе достоинства как одной, так и другой системы.

В качестве предлагаемой системы теплоснабжения может быть рассмотрен следующий вариант, традиционно состоящий из источника теплоснабжения, транспортных коммуникаций и систем теплопотребления, в состав которых включены ТНУ.
Подача электрической энергии и низкотемпературного теплоносителя в ТНУ позволяет сформировать тепловой поток непосредственно в системах теплопотребления в строго необходимом количестве для поддержания заданной температуры воздуха в отапливаемых помещениях здания.
Применение ТНУ в системах отопления зданий позволит поддерживать температуру воздуха в отапливаемых помещениях в автоматическом режиме. При этом регулирование тепловой нагрузки будет осуществляться по температуре внутреннего воздуха,а не наружного, как это происходит в системах с погодным регулированием.

Термодинамические основы работы парокомпрессионной ТНУ

Основные отличия в процессах подвода энергии к сетевой водеи к фреону при формировании теплового потока, используемого в системах отопления, базируясь на первом законе термодинамики

На совершение работы расширения фреона в испарителе ТНУ затрачивается низкотемпературная тепловая энергия, а на совершение тепловой работы сжатия в компрессоре затрачивается электрическая энергия

Формирование требуемого теплового потока с помощью ТНУ имеет все преимущества присущие аналогичному формированию теплового потока в индивидуальном водогрейном котле. Из конденсатора ТНУ отводится столько тепловой энергии, сколько необходимо для поддержания требуемой температуры воздуха в отапливаемых помещениях, исключая режимы переотапливания и недотапливания.

Рассмотрим следующие возможные схемы включения ТНУ в системы отопления жилых и административных зданий:
- установка ТНУ в ИТП здания с образованием внутридомового контура отопления и ГВС;
- установка ТНУ в квартире с образованием внутриквартироного контура отопления и ГВС

Внедрение индивидуальных тепловых пунктов в российских системах теплоснабжения является одним из направлений государственной программы энергосбережения, которая была утверждена 27 декабря 2010 г. Она предполагает снижение энергоемкости ВВП страны не менее чем на 40% до 2020 года, по сравнению с 2007 годом.
Помимо перехода ототкрытой к закрытой системе теплоснабжения, регламентируемого ФЗ №190, важнейшим направлением развития ИТП является обновление теплообменного оборудования. Устаревшие крупногабаритные кожухотрубные теплообменные аппараты заменяются пластинчатыми.

Пластинчатые теплообменные аппараты обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с кожухотрубными теплообменниками:
Компактность, небольшие габариты;
Простота монтажа и сборки/разборки;
Возможность уменьшения/увеличения площади поверхности теплообмена за счет изменения количества пластин;
Минимальные потери тепла в окружающую среду;
Небольшие гидравлические сопротивления;
Высокая эффективность теплообмена.

Кожухотрубный (слева) и пластинчатый (справа) водо-водяные подогреватели

Указанные приоритеты развития ИТП не решают проблемы невысокой эффективности работы систем теплоснабжения в полной мере. Внедрение ИТП не снижает тепловые потери через трубопроводы сети, не устраняет проблему высокой инерционности качественного регулирования на источниках теплоснабжения, не устраняет неравномерность распределения тепловой энергии по квартальным сетям от центральных тепловых пунктов до конечных потребителей.
Как указывалось выше, данные проблемы могут быть решены, если по тепловым сетям подавать теплоноситель с низкой температурой, и организовать трансформацию тепловой энергии непосредственно в ИТП отдельных зданий.

Принципиальная схема ИТП с теплонасосной установкой

В представленной схеме ИТП подключение контура ГВС реализуется по закрытой системе. Нагрев водопроводной воды для контура ГВС происходит в 2 этапа: сначала в водонагревателе I ступени 8, где в качестве греющей среды выступает остывшая вода из системы отопления, а затем в водонагревателе II ступени 9, где греющей средой служит нагретый в конденсаторе теплоноситель, направляющийся в систему отопления. Отопительная нагрузка является сезонной, а нагрузка ГВС – круглогодовой. Температура теплоносителя в системе отопления должна меняться в зависимости от температуры наружного воздуха, а температура воды в системе ГВС должна быть постоянной в течение всего года. Для выполнения этого условия у водонагревателя II ступени установлен регулятор температуры 12, который регулирует расход греющей среды на входе в теплообменник 9.

Установка ТНУ в квартире с образованием внутриквартирного
контура отопления и ГВС
1- ТНУ; 2- циркуляционный насос; 3- гидравлический разделитель; 4- подающий и обратный коллекторы; 5- насос системы отопления; 6- отопительные приборы; 7- насос ГВС; 8- емкостной водонагреватель; 9- конденсатор ТНУ; 10- компрессор ТНУ

Гидравлический разделитель представляет замыкающую емкость между прямым и обратным коллекторами. Например, в случае отсутствия подачи на отопительные приборы (летний период), поток воды раздваивается: одна её часть насосом (7) подается в водоподогреватель (8), другая часть через гидравлический разделитель возвращается в конденсатор ТНУ (9). При одновременной работе отопления и ГВС (с приоритетом ГВС) возврата горячей воды через гидравлический разделитель в конденсатор ТНУ не происходит.
Регулирование работы системы отопления и ГВС осуществляется с помощью контроллера, принимающего сигнал от датчиков температур внутреннего воздуха в отапливаемом помещении и воды в емкостном водонагревателе. При понижении указанных температур включается насос рециркуляции (2) и компрессор ТНУ (10).

Раздельная система внутриквартирного отопления и ГВС
1- парокомпрессионный тепловой насос; 2 – насос контура отопления; 3- отопительные приборы; 4- емкостной водонагреватель; 5- электрический нагреватель

При использовании таких систем жители квартиры получают только холодную воду, часть которой нагревается в местных водонагревательных установках до требуемой температуры. Таким образом, у потребителя появляется возможность самостоятельно определять качество и количество используемой горячей воды.
Использование более дорогой электрической энергии для получения горячей воды потребует экономного и рационального её использования.При этом исчезают потери теплоты, которые имели место при транспортировании горячей воды от ЦТП и ИТП.

Устройство емкостного водонагревателя

Системы воздушного отопления и ГВС отдельной квартиры

Температурный режим и воздухообменв отапливаемых помещениях, поддерживается следующим образом. Наружный воздух по всасывающему трубопроводу с помощью всасывающего вентилятора поступает в помещение, проходя две стадии нагревания.
На первой стадии наружный воздух повышает свою температуру в теплорекуператоре за счет теплоты, выносимой потоком удаляемого воздуха из помещения с помощью вытяжного вентилятора.
На второй стадии воздух догревается до необходимой температуры в воздушном нагревателе, за счет воды поступающей из емкостного водонагревателя (бака-накопителя). Нагретый таким образом воздушный поток по соответствующим каналам подается в нижнюю часть нагреваемых помещений через специальные каналы в раздаточные плинтусы.