Статья ВАК: Сезонный аккумулятор теплоты и холода для системы энергоснабжения здания

Улучшенные тепловые характеристики здания и интеграция возобновляемых источников энергии — два наиболее эффективных средства уменьшения зависимости дома от ископаемого топлива для удовлетворения потребностей в энергии.

Стандарт «пассивного дома» устанавливает методы улучшения тепловых характеристик здания — использование повышенной изоляции строительных конструкций и высокое качество строительства — для достижения очень низкого уровня потребления энергии на отопление (в три-пять раз меньше по сравнению с домами, построенными в соответствии с минимальными требованиями строительных норм [1]). Одним из основных требований к «пассивным домам» является удельный расход тепловой энергии на отопление не более 15 кВт∙ч/( м²∙год).

В условиях сурового российского климата очень сложно добиться выполнения требований, характерных для «пассивного дома». Как правило, фактическое энергопотребление домов в России превышает эти требования в два раза и более [2, 3]. В работе [4] было показано, что для выполнения требований «пассивного дома» в условиях московского региона необходимо иметь коэффициент термического сопротивления ограждающих конструкций (стен, крыши) на уровне R = 15 м²·°C/Вт и более, что существенно превышает нормативные значения требуемого сопротивления теплопередаче R = 3,13–3,8 м²·°C/Вт.

Использование солнечных комбинированных систем и накопления тепловой энергии в домах с низким энергопотреблением способно значительно снизить потребности в отоплении помещений и снабжении горячей водой (ГВС) [5].

Одним из путей снижения энергопотребления здания является использование ВИЭ для производства электрической и тепловой энергии [6, 7], благодаря чему здание становится активным и в состоянии снизить энергопотребление до уровня близкого к нулевому [8–10].

Большое количество исследований посвящено правильному подбору компонентов комбинированных солнечных систем, предусматривающих хранение тепловой энергии [5, 11–13].

Возможны два варианта сезонного хранения теплоты и холода: в теплоаккумуляторе [6] и льдоаккумуляторе [14–16], размещённых под землёй и нагреваемых солнечными коллекторами для отопления и кондиционирования здания совместно с тепловым насосом. В качестве теплоносителя в подземных ёмкостях может использоваться вода в жидком и твёрдом состоянии. В связи с тем, что у каждого аккумулятора тепловой энергии есть свои преимущества и недостатки, проводится работа по выбору оптимального решения для внедрения в существующую систему энергоснабжения объекта.

Применение льдоаккумулятора

В России официально не зафиксировано применение льдоаккумуляторов в качестве низкопотенциального источника тепла для тепловых насосов типа «рассол — вода». Основным преимуществом данной системы является то, что, в отличие от геотермальных зондов, она не требует специальных разрешений на строительство. Это помогает решить ряд проблем, возникающих на стадиях проектирования, строительства и дальнейшей эксплуатации. Основной трудностью для некоторых регионов является большая глубина промерзания грунта.

Схема установки состоит из одного или двух льдоаккумуляторов (расположенных на расстоянии более 2 м друг от друга), подобранного согласно проектировочному расчёту количества солнечных коллекторов, реверсивного теплового насоса и буферной ёмкости для приготовления горячей воды [13, 14].

Установленные на крыше гелио-воздушные абсорберы вырабатывают тепло из окружающей среды, в дневное время получая его за счёт инсоляции, а далее подают тепло в тепловой насос. Если энергия не отбирается тепловым насосом, она служит для регенерации льдоаккумулятора либо для нагрева буферной ёмкости. Льдоаккумулятор со встроенным теплообменником устанавливается ниже глубины промерзания грунта, наполняется подготовленной водой и используется в качестве низкопотенциального источника тепла [16]. Тепловой насос должен иметь возможность работать в реверсивном режиме. В летний период, когда потребность в отоплении отсутствует, а тепловая нагрузка на горячее водоснабжение минимальна, с помощью солнечных коллекторов тепловая энергия подаётся в бак-аккумулятор. Когда начинается отопительный период тепловые нагрузки возрастают, а потребность в кондиционировании снижается. Тогда тепловой насос начинает отбирать тепло из льдоаккумулятора, вплоть до контролируемого обледенения при 0°C. Далее в хранилище происходит фазовый переход воды из жидкого в твёрдое состояние. Параллельно осуществляется процесс теплообмена между льдоаккумулятором и окружающей средой (грунтом). По завершении отопительного периода потребность в отоплении здания снижается, и тепловой насос переходит в реверсивный режим работы. В данном режиме происходит регенерация льдоаккумулятора. Производится отбор холода из хранилища и направляется на кондиционирование помещений. Лёд в баке-аккумуляторе начинает таять, и происходит постепенное накопление тепла. Таким образом, цикл замыкается [15, 16].

Первой, кто оформила патент на данное решение, является компания Isocal. В 2011 году ею был реализован ряд проектов с использованием систем теплои холодоснабжения на основе льдоаккумуляторов: детский сад (три льдоаккумулятора с водонаполнением 12 м³ каждый позволяют полностью покрыть тепловую нагрузку детского сада, равную 24 кВт), жилой комплекс из 112 квартир (льдоаккумулятор водонаполнением 400 м³ покрывает потребности до 140 кВт) и др.

Рис. 1. Чертёж подземного льдоаккумулятора водонаполнением 53 м

В 2012 году компания Viessmann приобрела компанию Isocal и теперь владеет патентом на данную технологию. Совместно было разработано стандартное решение [14], которое состоит из теплового насоса, хранилища льда (объём 12 м³) и комплекта солнечных коллекторов и компании активно занимаются его реализацией в странах Европе. Помимо этого, компания Viessmann также занимается разработкой решений для крупных объектов. С 2012 по 2018 годы было продано и установлено более 180 систем хранения льда для офисных зданий и других крупных сооружений, а также более 1100 систем Vitofriocal для частных домов.

Проектное решение (ёмкость объёмом 53 м³) представлена на рис. 1. Характеристики теплообменника представлены в табл. 1 [15]. Данное решение позволяет использовать ёмкость, как в режиме льдоаккумулятора, так и в режиме теплового аккумулятора (для данного случая необходимо применение теплоизоляции ограждающих конструкций).

Применение теплоаккумулятора

Применение теплового аккумулятора схоже с льдоаккумулятором, но его отличительной особенностью является то, что температура в ёмкости в тёплый период года повышается с помощью солнечных коллекторов до 60–70°C, а сама ёмкость требует повышенного утепления (с применение теплоизоляционных материалов толщиной до 500–600 мм) для достижения эффекта «термоса». До конца ноября тепловой аккумулятор позволяет производить отбор тепла на нужды отопления дома напрямую из ёмкости, а после — использовать тепловой насос до охлаждения воды в ёмкости до 0–1°C (эксплуатация ниже данной отметки не рекомендуется).

За прототип тепловой схемы с теплоаккумулятором принимается «пассивный дом» площадью 215 м² в Ирландии с подземной ёмкостью 23 м³ и солнечными коллекторами общей площадью 10,6 м² [5].

Для данного региона характерен морской климат с относительно тёплой зимой (0°C в декабре) и нежарким летом (+19°C в июне). Объём cолнечной радиации за год равен 1160 кВт·ч/м². Годовая потребность «пассивного дома» в тепле составляет 2050 кВт·ч с удельным расходом тепловой энергии 9,5 кВт∙ч/( м²∙год). Известно, что коэффициент термического сопротивления стен равен R = 10,1 м²·°C/Вт.

Обращает на себя внимание то, что средняя толщина теплоизоляции днища, стен и крыши (экструдированный пенополистирол и полиуретановое напыление) подземного аккумулятора составляет 500 мм (рис. 2) [5], что обеспечивает термическое сопротивление 17 м²·°C/Вт.

Рис. 2. Процесс монтажа теплоизоляции теплового аккумулятора [6]

Эксперимент в течение года показал, что средняя температура в подземном межсезонном накопителе изменялась от 65°C в августе до 20°C в январе. То есть здание отапливалось в основном за счёт теплоаккумулятора без теплового насоса. При снижении температуры воздуха в помещении ниже 19,5°C включался электрокотёл мощностью 1,4 кВт. Был также предусмотрен резервный электрический подогрев водяного тёплого пола мощностью 0,81 кВт в те моменты, когда тепла, поступающего от солнечных панелей или из теплоаккумулятора, недостаточно для удовлетворения потребности в отоплении помещения. Бак ГВС ёмкостью 300 л оборудован электрическим нагревательным элементом мощностью 3 кВт для резервного нагрева.

Кроме того, в работе [6] были проведены расчёты в программе TRNSYS, которые показали удовлетворительную точность по сравнению с физическим экспериментом с погрешностью 4,7%.

Численная модель TRNSYS позволила провести параметрический анализ по определению соотношения площади солнечных коллекторов и объёма подземного межсезонного накопителя. В результате итеративного моделирования для заданных площадей коллекторов были выявлены минимально допустимые объёмы теплоаккумулятора, которые не допускали бы кипения теплоносителя в любой период года. Физически разумное соотношение объёма хранилища и площади коллекторов имеет минимальный предел на уровне 0,9–1,1 м³/м².

Другим важным результатом этого исследования является то, что увеличение ёмкости аккумулятора более 40 м³ для дома указанных размеров (площадью 215 м²) доля использования солнечной энергии изменяется незначительно — с 0,65 до 0,78, даже если объём межсезонного накопителя увеличится до 140 м³.

В недавней работе [12] приводится детальный обзор современных теплоизоляционных материалов для систем хранения тепловой энергии. Среди группы исследованных материалов выделяются вакуумные изоляционные панели (ВИП) и кремнезёмные аэрогели, как материалы с самой низкой теплопроводностью.

Аэрогели диоксида кремния вместе с ВИП-аэрогелями считаются одними из самых перспективных современных теплоизоляционных материалов. Кремнезёмный аэрогель — это высокопрозрачный материал, состоящий из наноструктурированной сетки SiO2 с пористостью до 99,8% и низкими значениями теплопроводности от 0,004 до 0,02 Вт/(м·K). Препятствием для применения кремнезёмных аэрогелей в качестве теплоизоляции является их очень высокая стоимость (€547 за 1 м²), что примерно в 10–20 раз выше, чем стоимость традиционных теплоизоляционных материалов.

Вакуумные изоляционные панели демонстрируют самую низкую теплопроводность — 0,004–0,008 Вт/(м·K). Коллоидный диоксид кремния является наиболее часто используемым материалом для сердцевины ВИП в строительном секторе из-за его высокой ожидаемой продолжительности жизни (более 50 лет), однако этому материалу свойственны хрупкость, высокая стоимость (€ 247 за 1 м²) и необратимое увеличение теплопроводности из-за диффузии водяного пара и воздуха через оболочку в сердцевину ВИП. По сравнению с ВИП, для которых свойственно необратимое ухудшение характеристик, материалы из пенополиуретана (PUR или ППУ) и полиизоцианурата (PIR) являются более надёжным решением, а также они значительно дешевле (€59 за 1 м²). PUR и PIR — это два родственных класса полимеров, имеющих закрытую ячеистую структуру. Ячейки наполнены вспенивающим агентом (газом) с низкой степенью теплопроводности 0,022 Вт/(м·K). Эти материалы хорошо подойдут для утепления стен и крыши подземного теплоаккумулятора.

Для утепления дна лучше использовать экструдированный пенополистирол типа «шведская плита» (XPS SP) повышенной прочности с теплопроводностью 0,029 Вт/(м·K). Также для удешевления стоимости теплоизоляции крыши и стен подземного аккумулятора совместно с PUR и PIR может быть применён экструдированный пенополистирол (XPS), являющийся самым дешёвым из рассмотренных теплоизоляционных материалов (€32 за 1 м²), к тому же он широко представлен на российском рынке.

В табл. 2 представлены основные параметры для двух вариантов теплоаккумулятора с водонаполнением 53 и 43 м³. Если делать теплоаккумулятор такого же объёма, как и льдоаккумулятор, то потребуется 77 м³ теплоизоляции при средней толщине 500 мм стоимостью 426 тыс. рублей. Если же уменьшить внутренний диаметр с 5 до 4,5 м, то затраты на теплоизоляцию могут быть сокращены на 69 тыс. рублей (16%). Как показал анализ результатов работы [5], сокращение ёмкости теплоаккумулятора на 10 м³ не должно существенно уменьшить долю использования солнечной энергии и теплоаккумулирующую способность подземного межсезонного накопителя.

Сравнительный анализ преимуществ и недостатков систем

Рис. 3. Прогноз сезонного изменения температуры в аккумуляторах энергии различного типа

На рис. 3 представлены прогнозируемые графики изменения средней температуры теплоносителя для теплоаккумулятора и льдоаккумулятора. Как видно из графиков, температурный режим в тепловом аккумуляторе в пиковых своих точках будет достигать отметки в 60°C, что в свою очередь позволит отбирать тепло на нужды отопления напрямую из ёмкости в октябре и ноябре. Подобная эксплуатация позволит получить существенную экономию на эксплуатации теплового насоса, однако повлечёт за собой существенные финансовые затраты на применение теплоизоляционных материалов для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду (грунт). В январе и феврале теплоаккумулятор может выйти на режим, аналогичный льдоаккумулятору, то есть на 0°C. В марте и апреле можно будет отапливать дом напрямую от солнечных коллекторов, минуя подземный аккумулятор. Таким образом, тепловой насос будет работать вместо семи месяцев только три — с существенной экономией электроэнергии. Предварительные расчёты и последующий натурный эксперимент должны подтвердить или уточнить эти предположения. Льдоаккумулятор не предполагает применение теплоизоляционных материалов, тем самым обеспечивая беспрерывный теплообмен с грунтом (восполняя тепловую энергию при понижении температуры воды в ёмкости ниже 5–8°C). Перегрев теплоносителя в ёмкости более 30°C приводит к большим теплопотерям в окружающую среду и уменьшению влагосодержания грунта (снижению его регенеративных свойств).

Основные недостатки и преимущества рассматриваемых аккумуляторов тепловой энергии представлены в табл. 3.

Система энергоснабжения при внедрении подземного аккумулятора

Рис. 4. Развитие системы теплоснабжения здания с подземным аккумулятором

Объектом проектирования является существующий энергоэффективный дом [3, 9, 10, 15–20], который расположен в Московской области. Общая площадь строения составляет 205 м² (жилая площадь — 167 м², площадь участка — 1264 м²). Проектные и строительные работы велись по технологиям энергоэффективного дома [18]. На проектируемом объекте ведётся поэтапное внедрение оборудования. На сегодняшний день схема теплоснабжения дома (рис. 4) включает в себя:

• тепловой насос Buderus Logatherm WPS 11 (мощность 10 кВт);
• солнечные коллекторы модели «ЯSolar» (компания ООО «Новый полюс»);
• теплоаккумулятор JÄSPI модели GTV Teknik RD объёмом 500 л;
• теплоаккумулирующий камин Tulikivi KTU 1010/92 с КПД = 91%;
• приточно-вытяжная установка с рекуперацией тепла и влаги Zenit 550 HECO;
• системы напольного и потолочного отопления/охлаждения;
• водяной нагреватель/охладитель воздуха после рекуператора;
• системы водоснабжения (подача ГВС, ХВС и отведение стоков);
• система канализации (отвод стоков в доме и вывод в септик).

Эксплуатация теплового насоса на двух существующих скважинах показала, что при длительной эксплуатации происходит падение температуры обратной линии ниже −1°C, что свидетельствует о низкой производительности скважины. Подобный режим эксплуатации ограничивает по времени работы теплового насоса и не позволяет полноценно использовать ночной тариф электроэнергии. В связи с чем было принято решение о применении дополнительного аккумулятора как дополнительного источника тепла. В работе [15] описан процесс проектирования бетонной ёмкости и теплообменника. Врезка аккумулятора будет сделана в существующую систему энергоснабжения параллельно геотермальным зондам (рис. 5).

Рис. 5. BIM-модель здания с подземным аккумулятором теплоты и холода (ArchiCAD)

Конфигурация теплообменника подземного аккумулятора выполнена таким образом, что она позволяет поочерёдное подключение змеевиков. Нечётные змеевики (начиная от бетонной стенки аккумулятора) подключены напрямую к солнечным коллекторам, а чётные — к тепловому насосу. Подобное подключение исключает риск повреждения бетонной ёмкости.

Крыша двухскатная, площадь крыши с южной стороны 130 м². Данная площадь используется для размещения четырёх солнечных коллекторов «ЯSolar» и 30 солнечных панелей Delta электрической мощностью 11,9 кВт [10, 19], установленных недавно для достижения энергопотребления здания, близкого к нулевому.

Наблюдается явная неравномерность избытка солнечной энергии для производства тепловой и электрической энергии летом и недостатка этих энергетических ресурсов в зимний период.

Подземный межсезонный накопитель позволит аккумулировать тепловую энергию летом для использования её зимой. Сезонно аккумулировать электрическую энергию значительно сложнее. Однако за рубежом уже имеется опыт производства водорода от избыточной солнечной электроэнергии путём электролиза [21] и использования накопленного водорода зимой для производства в топливных элементах электрической и тепловой энергии для многоквартирного дома площадью 1000 м² [22].

Совместная реализация технологий сезонного аккумулирования теплоты и холода в подземном аккумуляторе и производства водорода от солнечных панелей для хранения и использования в топливных элементах позволит зданию функционировать автономно с нулевым энергопотреблением.

Практическое применение BIM-, BEMи CFD-моделирования

Применение BIM-модели для проектирования подземного аккумулятора

Важной задачей является правильный выбор места и глубины установки подземного аккумулятора. Очевидно, что для регенерации и предотвращения захолаживания ёмкости необходимо смонтировать её на глубину ниже промерзания грунта [16]. Конструкция аккумулятора по форме колодца с внутренним диаметром 5 м и высотой 3,2 м заливается по месту гидробетоном на подготовленное основание, дно и стенки конструкции составляют единое целое. В зависимости от типа аккумулятора выбрано два типа утепления — при варианте использования тепла земли утепление производится по верхней поверхности конструкции с выпуском по периметру листов утеплителя на 1 м, а при варианте теплоаккумулирования будет осуществлено утепление всей конструкции по всей поверхности. Сам аккумулятор размещён в 5 м от жилого дома. Над аккумулятором в информационной модели могут быть размещены плоские и вакуумные солнечные коллекторы «ЯSolar» с площадью поверхности 24–32 м².

Сводная координационная BIM-модель данного объекта в среде ArchiCAD более подробно представлена в [18, 19]. В данной модели дома (рис. 5) выполнена предварительная раскладка труб для подключения системы аккумулятора к существующей системе отопления в соответствии с тепловой схемой (рис. 4).

Применение CFD-моделирования для исследования тепловых процессов в здании и в подземном аккумуляторе

Для более детального исследования применяемых технологий строительства и работы внутренних инженерных систем (вентиляции и отопления) необходимо применять CFD-моделирование в связке с BIMи BEM-моделированием [18, 20].

Моделирование приточно-вытяжной вентиляции в подвальном помещении и моделирование теплового состояния гостиной и кухни в CFD-пакете Ansys Fluent показало эффективность численного моделирования для выбора верных инженерных решений на базе BIM-модели. На рис. 6 приведены расчётные температурные поля в продольном (а), в поперечном (б) и в объёмном (в) представлениях гостиной и кухни первого этажа здания.

Рис. 6. Температурные поля в продольном разрезе (а), в поперечном разрезе (б) и в 3D-объёмном представлении (в) первого этажа здания

Этот же подход необходимо использовать для моделирования сезонного аккумулятора теплоты и холода. На первом этапе моделирования необходимо выполнить экспорт BIM-модели сезонного аккумулятора в CFD-пакет, а затем построить сетку конечных элементов и задать краевые условия.

Применение ПО TRNSYS для моделирования системы «энергоэффективный дом — подземный аккумулятор»

Для проектирования подземного аккумулятора следует использовать программы BEM-моделирования. Одной из них является программный пакет TRNSYS, разработанный в 1994 году в США и представляющий собой пакет для моделирования сложных объектов и систем. Программа имеет встроенные базы по оборудованию и климатологические справочники. Её в основном используют при проектировании возобновляемых источников энергии и моделировании систем теплоснабжения зданий [5, 23].

Основным преимуществом TRNSYS является то, что она уже использовалась для расчёта на внедряемом объекте. С её помощью уже были посчитаны различные нагрузки и потери, которые возникали в течение всего года. Объективность этих данных подтверждена с помощью различных систем мониторинга, в результате она доказала свою точность.

В работах [17, 18, 20] уже было выполнено успешное энергетическое моделирование описанного выше энергоэффективного дома. Энергетическое моделирование выполнялось в модуле TRNBuild. Отопительный период условно разделили на два временных этапа: с 0 до 2880 ч и с 6288 до 8760 ч (в остальные часы года отопительная нагрузка нулевая). На рис. 7 приведён расчётный график TRNSYS, показывающий изменения температуры наружного и внутреннего воздуха Text и Tint, а также отопительной нагрузки Qheat с января по апрель.

Рис. 7. Результаты расчёта системы теплоснабжения здания в программе TRNSYS

Разработанная энергетическая модель энергоэффективного дома в TRNBuild будет служить структурной подосновой для разработки новой расширенной модели сезонного аккумулятора теплоты и холода.

Для расчётов используются данные от систем мониторинга. Раньше данные брались из открытых источников, теперь — из собственных. При модификации уже существующей системы можно рассчитать особенности работы аккумулятора.

Заключение

Исходя из того, что в существующей практике не существует модели и программного обеспечения для расчёта льдоаккумулятора и теплового аккумулятора, в работе предложено универсальное решение, позволяющее путём минимальных изменений (применение теплоизоляции ограждающих конструкций) внедрить один из двух видов аккумулятора.

Для принятия решения необходимо произвести всесторонний анализ не только аккумулятора, но и всей системы теплоснабжения существующего объекта с применением BIM-, BEMи CFD-моделирования. Реализация технологии сезонного аккумулирования теплоты и холода в подземном аккумуляторе позволит реально приблизиться к нулевому энергопотреблению здания.