Тепло неба и земли: обеспечиваем ГВС за счет гелиосистемы и теплового насоса

Тепло неба и земли: обеспечиваем ГВС за счет гелиосистемы и теплового насоса

В тех случаях, когда горячее водоснабжение жилых объектов или сельскохозяйственных комплексов обеспечивается за счет использования гелиоустановок, в пасмурные летние дни или же в малосолнечные зимние целесообразно применять тепловой насос, позволяющий уменьшить расход электроэнергии на подогрев воды до нужной температуры, чтобы таким способом сбалансировать систему. При подобном ресурсном совмещении объем резервных накопительных емкостей можно уменьшить в 8 раз, заметно снизить потребление энергии, избежать потребности в дополнительных бойлерах и запасных резервуарах.

Сейчас особо популярны теплонасосы типа «воздух-вода», обладающие такими преимуществами как выгодная цена, простота установки, надежность, доступность. В качестве примера подобного устройства можно привести модель NIMBUS-R FLEX: водонагреватель, состоящий из 300-литрового бака из нержавейки с тепловым насосом, размещенным в его верхней части.

Для нагрева всего возможного объема воды до 60 °С за 9-10 часов данному устройству требуется лишь 440 Вт, даже если температура воды до нагрева составляла 10-15°С. Теплотворная способность установки - 1,6 кВт/ч, к тому же она оборудована элементами для присоединения к гелиоколлекторам.

Подсчитываем эффективность

За один ясный летний день всего три солнечных коллектора нагреют трехсотлитровый бак до температуры в 60°С за то время, пока солнце не село, израсходовав не более 320 Вт/ч для обеспечения работы насосов и управляющего блока. Ночью поддерживать температуру воды будет встроенный теплонасос, что даст возможность пользоваться за сутки пятистами литрами воды, постоянно нагретой до вышеуказанной температуры. 

Расчеты производительности нагревателя с теплонасосом следующие:

Если его потребляемая мощность составляет 440 В/, а вырабатываемая тепловая энергия - 1,6 кВт/ч, то для нагрева 1 литра на 1°С нужно 1,16 Вт электричества.

Соответственно, для подогрева воды от 20°С до 60°С:

200 литров х 1,16 Вт х (60°С-20 °С)=9,28 кВт/ч, а временные затраты составят 9,28:1,6=5,8 часов. 

Энергорасход водонагревателя с теплонасосом для 200 литров воды будет:

5,8 часа х 0,44 Вт=2,55 кВт/ч в сутки.

Суммарные энергозатраты подогрева 500 л до 60°С:

0,32 кВт/ч+2,55 кВт/ч=2,872 кВт/ч

Расход электроэнергии для нагрева 500 л ТЭНом - 23,2 кВт/ч, следовательно, экономим 23,2-2,872=20,328 кВт/ч за 24 часа.

Эффективность внедрения подсчитывается исходя из региональных энерготарифов 

Этапы работы

Вот как выглядит суточный цикл работы нагревателя с теплонасосом и подключенными летом гелиоколлекторами, при условии что исходная температура воды составляет +10 °С

Утро: Если в 6.00 утра температура воды в бойлере равна 60°С, то с 6.00 до 8.00 водоразбор составляет около 100 л горячей воды. По мере ее расходования емкость подпитывается холодной (10°С).

Теплонасос запускается автоматически при снижении температуры до 50 °С. Время включения зависит от расходования воды. Замещение 1 л воды (60 °С) холодной (10°С) понижает температуру в трехсотлитровом бойлере на 0,166 °С. Таким образом, для запуска теплонасоса требуется израсходовать 60 л горячей воды.

Имеем: V=( t1–t2):0,166=(60-50):0,166=60 литров. 

При условии ритмичного расходования, начало нагрева произойдет в 7.00.За последующие 60 минут время нагрева будет короче. Процесс идет так:

1. За первый час работы (без включения теплонасоса) расходуется 60 л горячей воды, а температура падает с 60 до 50 °С. Последующий водоразбор происходит с 7.00 до 8.00 (расход 40 литров), температура в 7.00 – 50 °С. Это приводит к снижению ее на на 5,33 °С, но за счет теплонасоса за час она повысится на 4,59°С. 

То есть при расходе горячей воды 40л/ч и работе теплонасоса температура в бойлере снизится на 0,74 °С для 300 л.

2. Нагрев воды теплонасосом составляет (1600 : 1.16) : 300 л = 4,59 °С за 1 час.

3. Понижение температуры в бойлере за второй час составит 5,33 - 4,59 = 0,74°С и к окончанию водоразбора в 8.00 температура будет 49,26 °С.

4. Время нагрева от 49 до 60°С: (11 х 300 х 1,16): 1600 = 2,39 часа.

Полдень:

Водоразбор с 12.00 до 14.00 составляет около 60 л горячей воды. Это влечет падение температуры в бойлере на 8,3 °С.60 х 0.166 = 10°С или t = 60 –10= 50 °С.

Время нагрева до 60 °С : (10 х 300 1,16):1600=2,17 часа. Насос запустится в 14.00 и остановится в 16часов 10 минут.

Вечернее время: Начало водоразбора - 19.00 час., окончание - 24.00 час. Общее время расхода воды - 5 часов, расход – 200 литров (200 : 5 = 40 л/ч)

Для запуска насоса требуется израсходовать 60 литров. Через 1,5 часа (в 20.30 час) теплонасос заработает. Температура в бойлере в этот момент – 50 °С. Пользуясь данными, полученными в ходе вышеприведенных расчетов, при условии работы теплонасоса и расходе воды за 3,5 часа последующего водоразбора, температура понизится на 3,5 х 0,74 = 2,59 °С и будет составлять 47,4 °С.

Время на полный нагрев до 60°С после окончания водоразбора сократится и составит 13 х 300 х 1.16) : 1600 =2,83 часа. Завершение нагрева в 4 часа 50 минут.

Теплообменник для объединения нагревателя с коллекторами соединяется с солнечными панелями. Поскольку вода может подогреваться гелиосистемой, нагрев происходит быстрее.

Площадь, которую занимает нагреватель, невелика. От одного гелиоколлектора «Sun-Time-Solar» летом в московском регионе можно получить около 2 кВт. Установив всего три панели за световой день вполне возможно нагреть 300 л, увеличив их температуру по сравнению с исходной на 20°С, при условии, что коллекторы запускаются в 9.30 час. и останавливаются в 18.30 час.

Выгоды

Совмещение работы гелиосистемы и теплонасоса позволяет получить максимальное количество горячей воды, сокращая ночное время работы системы, уменьшая расход электроэнергии и сократив объем накопительного бака и площадь, необходимую для размещения оборудования. Подобная совмещенная система гарантировано снижает потери тепловой энергии, позволяет обойтись меньшим числом коллекторов в гелиоустановке. Она подходит для применения и в многоэтажных домах, крупных сельскохозяйственных или промышленных объектах.

Одна установка без коллекторов экономит более 20 кВт/ч, а оборудованная гелиосистемой - более 26 кВт/ч в сутки.