Тепловой насос, гелиоколлекторы и вентиляция Viessmann в системе отопления офиса в Петербурге

В этом реальном объекте речь пойдет о тепловых насосах и солнечных коллекторах Viessmann, с помощью которых можно обогревать здание и получать энергию и зимой, и летом в средней полосе.

Офис компании «Альянс-Нева» в Санкт-Петербурге

Тема использования возобновляемых источников энергии для тепло- и электроснабжения в России связана со множеством стереотипов и мифов — мол, применение таких источников рентабельно только в южных регионах России или на Дальнем Востоке, что это удел частных домов, что оборудование надо монтировать на стадии строительства здания…

Компания «Альянс-Нева» доказывает обратное, причём не в теории, а на практике — на примере собственного офиса, в котором установлены и успешно работают самые разные виды энергоэффективного оборудования. При этом здание находится не в самом благоприятном в климатическом отношении месте — в Санкт-Петербурге. Но, как показывает опыт компании, и в Северо-Западном регионе можно добиться существенной экономии ресурсов за счёт использования возобновляемых источников энергии.

Редакция благодарит директора ООО «Альянс-Нева» Д. В. Дудина и ведущего инженера компании К. П. Пруненко за предоставленный материал.
Сайт компании: www.alliance-neva.ru 

Сайт компании «Виссманн»: www.viessmann.ru

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Объект — четырёхэтажное здание, расположенное в Санкт­-Петербурге, на Малом проспекте Петроградской стороны. Дом старый, построен ещё в 1856 году, так что о монтаже оборудования «на стадии строительства» говорить не приходится. Офис компании «Альянс­-Нева» занимает первые два этажа, его площадь составляет 260 м2. Система отопления изначально была радиаторной, высокотемпературной — с параметрами теплоносителя 70/ 50 °С. Так как дом не подключён к газовой магистрали и не оснащён дымоходом, вся нагрузка по отоплению и нагреву воды для ГВС ложилась на электрический котёл. Ситуация также осложнялась тем, что дом относится к исторической застройке, а потому не было возможности снизить теплопотери с помощью теплоизоляции фасада. В этих условиях компания приняла решение о реорганизации системы отопления и внедрении в неё энергоэффективного оборудования.

Тепловой насос Viessmann Vitocal 350 BWH – ключевой элемент котельной в офисе «Альянс-Нева»

НАЧАЛО ИЗМЕНЕНИЙ

Процесс модернизации системы отопления здания начался в 2004 году, когда в офисе «Альянс­-Нева» был установлен геотермальный тепловой насос «рассол–вода» Viessmann Vitocal 350 BWH 110 тепловой мощностью 14,2 кВт в связке с 600 ­литровой буферной ёмкостью Viessmann Vitocell 050 SVP и 300­литровым бойлером для ГВС Viessmann Vitocell ­B 100. Оборудование немецкой марки Viessmann известно во всём мире как надёжное, экономичное и энергоэффективное. Приборы исправно работают долгие годы и не «капризны» в эксплуатации.

Установка теплового насоса преследовала сразу две цели. Во-­первых, сократить расходы на отопление, снизив нагрузку на электрический котёл и уменьшив таким образом энергопотребление офиса. Во-­вторых, сделать работающий тепловой насос в реальной системе отопления наглядным примером такого оборудования для клиентов компании и полигоном, дающим возможность сотрудникам офиса приобрести опыт работы с энергоэффективной техникой.

Позднее для увеличения тепловой мощности системы был установлен ещё один геотермальный тепловой насос другого производителя, мощность которого составляет 8 кВт. Эти два тепловых насоса обеспечивают офис теплом и горячей водой в течение всего года.

Установка геотермального теплового насоса в городской черте — непростая задача. Под землёй в городе могут быть проложены разнообразные коммуникации (трубы, электрические кабели и т. д.), и есть риск их повреждения при бурении скважин для зондов. Перед началом монтажных работ компании пришлось пройти процедуру согласования в различных городских инстанциях. В итоге два зонда, состоящих из полиэтиленовых труб, были размещены во внутреннем дворе дома, в скважинах глубиной 95 м. Есть и третий зонд, чьё местоположение более примечательно — он смонтирован непосредственно в здании. От первых двух зондов он отличается меньшей глубиной залегания и сниженной производительностью. Его роль в обеспечении объекта теплом невелика, но на его примере посетители офиса могут ознакомиться с принципами работы геотермального зонда.

Через несколько лет для увеличения тепловой мощности, получаемой от возобновляемых источников, систему отопления дополнили солнечными коллекторами. Это ещё один вид оборудования, который традиционно считают неэффективным в северных широтах. Тем не менее в обеспечении теплом офиса компании «Альянс­-Нева» они играют важную роль.

Тепловой насос Viessmann Vitocal 350 BWH

ПЕРВОПРОХОДЕЦ
геотермальный тепловой насос Viessman Vitocal 350 BWH

Сейчас в России уже установлено и активно работает множество геотермальных тепловых насосов Viessmann типа «рассол–вода». А ведь ещё 11 лет назад это оборудование было для отечественного рынка экзотикой. Мало кто понимал, какие перспективы открывают подобные тепловые насосы для пользователей.

Так случилось, что первый геотермальный тепловой насос Viessman, введённый в эксплуатацию на территории России, был установлен при поддержке питерского представительства Viessmann именно здесь — в офисе компании «Альянс-Нева». Несмотря на то что этот тепловой насос Vitocal 350 BWH работает круглогодично на протяжении уже 11 лет, он исправно снабжает теплом систему отопления и ГВС и, по словам сотрудников офиса, за всё это время ни разу не требовал ремонта.

СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛО

Всего в системе теплоснабжения офиса компании «Альянс-­Нева» задействованы четыре гелиоколлектора. Два из них — плоские солнечные коллекторы Viessmann Vitosol 100­F с общей площадью абсорбера 4 м2. Это современные модели, в которых применён ряд технологий, повышающих их производительность. Гелиостекло с низким содержанием железа не бликует и пропускает внутрь больше света, чем обычное, а абсорбер коллектора со специальным высокоселективным покрытием эффективно поглощает тепловое излучение. Корпус коллектора герметичен — это снижает теплопотери и увеличивает его КПД. Два других гелиоколлектора в системе — вакуумно­-трубчатые с технологией «тепловой трубы» Viessmann Vitosol 300­T, общая площадь абсорбера здесь также 4 м2. Vitosol 300­T относятся к премиум­-сегменту, это высокотехнологичное оборудование, позволяющее получать тепло из рассеянного света и работать в холодную погоду. Теплоизоляцию абсорберу обеспечивает вакуумная трубка, полностью исключающая перенос тепла посредством воздуха. Кроме того, каждая трубка представляет собой автономную единицу и передаёт собранное абсорбером тепло через теплообменник, при необходимости (например, если нужно заменить поврежденную трубку) её можно извлечь из коллектора, не опорожняя всю систему.

Для эффективной работы гелиоколлекторов большое значение приобретает их ориентация в пространстве. Оптимальная ориентация по азимуту — юг, но у крыши здания офиса нет строго южного склона. Поэтому коллекторы смонтированы на юго­восточном склоне кровли, где отклонение от юга составляет 30о. Гелиоколлекторы лежат на скате кровли, угол наклона которого относительно горизонта 25о. Для корректировки ориентации трубки вакуумного коллектора повернуты на 15о в направлении юга, так как конструкция Viessmann Vitosol 300­T позволяет изменять положение абсорбера.

Трубчатые коллекторы Viessmann Vitosol 300 могут получать тепло из рассеянного света и работать в холодную погоду

Плоские солнечные коллекторы Vitosol 100-F с высокоселективным абсорбером эффективно поглощают тепловое излучение

Эти четыре гелиоколлектора обеспечивают офис горячей водой, а тепловой насос — первичной энергией. В летний период даже при неоптимальной ориентации плоский солнечный коллектор позволяет собирать в сутки до 18 кВт*ч тепловой энергии, вакуумный — до 20 кВт*ч. Зимой из­за низкой температуры воздуха плоские коллекторы становятся малоэффективны, но вакуумные с «тепловой трубой», обладающие прекрасной теплоизоляцией, поставляют до 3 кВт тепла в сутки и в холодную солнечную погоду.

Тепловой насос Viessmann Vitocal 350 BWH — ключевой элемент системы теплоснабжения офиса компании «Альянс-Нева». Используя энергию, собранную геотермальными зондами и солнечными коллекторами, он обеспечивает нагрев теплоносителя системы отопления и воды в бойлере ГВС

СИСТЕМА МУЛЬТИТЕПЛОГЕНЕРАЦИИ В ДЕЙСТВИИ

Использование тепла, полученного гелиоколлекторами, в качестве источника первичной энергии для теплового насоса позволяет увеличить коэффициент использования самих солнечных коллекторов и коэффициент преобразования тепловых насосов. Вместе с геотермальными зондами коллекторы передают собранное ими тепло в буферную ёмкость, сопряжённую через спиральный теплообменник с первичным контуром тепловых насосов. Сейчас в офисе установлена ёмкость Viessmann Vitocell 360­M объёмом 750 литров. Она мультивалентная и допускает подключение сразу нескольких источников тепла, поэтому её удобно использовать в системах мультигенерации тепла. Большой объём и качественная теплоизоляция дают возможность запасать тепловую энергию «впрок» (например, накапливать её днем, когда активно работают солнечные коллекторы, чтобы расходовать её ночью на нужды отопления). В случае работы с гелиоколлекторами объём ёмкости служит дополнительным преимуществом, так как становится хорошей защитой от их перегрева и стагнации.

Применение нескольких источников первичной энергии также избавляет от проблем с регенерацией грунтовых зондов. В летнее время солнечные коллекторы получают очень много тепловой энергии, и её нет необходимости забирать из грунта, так что почва вокруг зондов прогревается естественным образом.

В зимнее время производительность солнечных коллекторов снижается, и основными источниками тепла служат геотермальные зонды. При наступлении сильных морозов их мощности может не хватать для поддержания комфортного климата в помещениях. На такой «крайний случай» предусмотрены резервные источники тепловой энергии. Так, при необходимости компания получает тепло от фабрики, расположенной в соседнем здании. У фабрики есть собственная мощная котельная с газовыми котлами. Офис компании «Альянс­Нева» подключён к обратной линии системы отопления фабрики посредством теплообменника, нагретый теплоноситель из которого поступает в буферную ёмкость. Другой резервный источник тепловой энергии — электрический котёл.

Теплоносителем в контуре солнечных коллекторов служит антифриз на основе пропиленгликоля, в первичном контуре тепловых насосов — антифриз на основе этиленгликоля. В системе отопления в качестве теплоносителя используется подготовленная вода. Обвязка теплогенераторов выполнена из медных труб, отопительных контуров — из полипропиленовых труб. Циркуляцию теплоносителя в контурах системы обеспечивают насосная группа Viessmann и насосы Grundfos.

Схема отопления офиса «Альянс-Нева» в Санкт-Петербурге с помощью теплового насоса и солнечных коллекторов Viessmann

Фотоэлектрические модули вырабатывают электроэнергию в светлое время суток, а аккумуляторные батареи позволяют накапливать энергию и расходовать по мере необходимости в любое время

ОТ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ — К НИЗКОЙ 

Коэффициент преобразования тепловых насосов тем выше, чем ниже температура подачи в системе отопления. Соответственно, они более эффективны при эксплуатации в низкотемпературной системе. Однако, в свою очередь, не каждый прибор отопления подходит для работы в таких условиях. Например, многие радиаторы и конвекторы предназначены для использования с высокотемпературным теплоносителем, в противном случае их теплоотдача существенно падает. Чтобы увеличить эффективность тепловых насосов, в офисе пришлось реорганизовать систему отопления и заменить приборы отопления. Сначала здесь были установлены стальные трубчатые радиаторы Zehnder Charleston, чья конструкция позволяет им эффективно работать в низкотемпературной системе. Затем в трёх помещениях смонтировали стальные потолочные панели водяного отопления Zehnder — Flatline и Como. Ещё в двух помещениях на потолке разместили гипсокартонные панели Uponor Teporis.

Потолочные панели дают сразу несколько преимуществ. При таком способе отопления инфракрасные волны, исходящие от панелей, проходят сквозь прозрачный для них воздух и отдают тепло непосредственно людям и предметам интерьера в помещении. В результате люди получают тепло в первую очередь и начинают ощущать комфортную температуру тогда, когда воздух вокруг них ещё не прогрелся. Кроме того, потолочные панели начинают излучать ИК­-волны при температурах теплоносителя от 30 оС, поэтому они хорошо подходят для низкотемпературных систем отопления.

Водяные потолочные ИК-панели эффективно отапливают помещение и в низкотемпературной системе

Гипсокартонные потолочные панели Uponor Teporis могут могут работать и на охлаждение

Ещё одна особенность потолочных панелей — они в равной мере могут работать как на обогрев, так и на охлаждение (в последнем случае в них достаточно подать охлаждённый теплоноситель, который может поступать как из чиллера, так и из теплового насоса). В настоящий момент панели в офисе работают только на обогрев, однако компания планирует в ходе дальнейшей модернизации системы отопления реализовать и потолочное лучистое охлаждение.

Благодаря замене традиционных радиаторов на стальные трубчатые и на потолочные панели удалось снизить параметры теплоносителя с 70/ 50 оС до 55/ 40 оС, что увеличило энергоэффективность системы отопления на 15 %.

Управление системами генерации тепловой энергии и отопления осуществляется децентрализованно. Работой солнечных коллекторов управляет специализированный контроллер Viessman Vitosolic 200, теплонасосными установками и контурами отопления — контроллеры тепловых насосов Viessmann. Зональное регулирование в помещениях, отапливаемых потолочными панелями Uponor, обеспечивает беспроводная автоматика Uponor Radio 24V (DEM).

В комплексе с модернизированной низкотемпературной системой отопления внедрённые энергоэффективные решения позволили сократить годовые расходы на отопление и горячее водоснабжение офиса в пять раз по сравнению с электрическим отоплением.

Вентиляционная установка Viessmann Vitovent 300 с функцией рекуперации тепла

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ОФИСА

Как известно, на вентиляцию приходится значительная доля теплопотерь — нагретый воздух просто выводится из помещений наружу. Чтобы свести их к минимуму, в офисе установили приточно-­вытяжную вентиляционную установку Viessmann Vitovent 300 производительностью 400 м3/ч с функцией рекуперации. На данный момент подобная установка в офисе одна и обслуживает первый этаж.

Viessmann Vitovent 300 снабжена пластинчатым перекрёстноточным теплообменником, позволяющим нагревать приточный воздух за счёт тепла вытяжного. Внешнего нагревательного элемента (водяного или электрического калорифера) в установке не предусмотрено, но благодаря функции рекуперации установка в определённых режимах обеспечивает возврат до 90 % тепловой энергии из удаляемого воздуха, а среднегодовой КПД этой установки составляет около 65 %. А это 65 % чистой экономии на подогреве приточного воздуха до комфортной температуры.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

Комплекс энергоэффективных технологий в офисе не ограничивается только отоплением и водоснабжением. Компания использует для своих нужд также и солнечные фотоэлектрические батареи, которые, как и коллекторы, смонтированы на крыше дома.

Установка состоит из пяти фотоэлектрических модулей пиковой мощностью 200 Вт каждый (1 кВт суммарно), зарядного устройства, блока аккумуляторных батарей на 24 В, 400 А*ч и инвертора с номинальной выходной мощностью 3,5 кВт. Чтобы сориентировать солнечные батареи строго на юг и установить их под углом 55о к горизонту, на кровле смонтировали специальную опорную раму. В летние месяцы система производит до 6,5 кВт*ч в сутки, в зимние — обычно не более 500 Вт*ч. С апреля по октябрь данная система обеспечивает бесперебойную работу системы вентиляции офиса и освещения первого этажа, а также работу презентационного оборудования. В остальные месяцы аккумуляторные батареи по необходимости подзаряжаются в автоматическом режиме от централизованных сетей электроснабжения. Таким образом, фотоэлектрическая установка обеспечивает около 10 % годового потребления электричества в офисе компании. Для экономного расходования электроэнергии в офисе также применяются энергосберегающие светодиодные лампы.

Дмитрий Васильевич Дудин, директор ООО «Альянс-Нева»

В этом году «Альянс-Нева» отмечает своё 15‑летие. Расскажите об основной деятельности компании.
Одна из основных задач компании «Альянс-Нева» — эффективная очистка воды как от природных, так и от вредных антропогенных примесей. Мы внедряем комплексные автоматизированные системы очистки воды различного назначения и производительности — от маленьких систем в частных домах до систем водоочистки для предприятий или населённых пунктов. Также мы производим разработанную нашими специалистами фильтрующую загрузку для удаления из воды железа и других тяжёлых металлов, которая успешно конкурирует с импортной продукцией.

Почему ваша компания начала работать с энергоэффективным оборудованием?
Сначала работа с энергоэффективным оборудованием была для нас увлечением и вызовом, связанным с желанием внедрять современные и полезные технологии. А сейчас это уже не только профессиональная деятельность, но и социальная позиция.

«Альянс-Нева» уже много лет является партнёром немецкой компании Viessmann. Какие преимущества вы видите в этом сотрудничестве?
С Viessmann мы сотрудничаем потому, что это надёжная и ответственная компания, чётко выполняющая все свои обязательства и даже больше. А самое главное — это сотрудники, которые не только профессионалы своего дела, но и люди замечательные. После общения с ними остаются только положительные эмоции.

Кто является заказчиком энергоэффективного оборудования — частные лица или коммерческие компании?
Основной потребитель — это частные лица. Коммерческие компании тоже проявляют повышенный интерес к подобному оборудованию, но заказывают крайне редко.

Какое оборудование Viessmann пользуется наибольшим спросом в Северо-Западном регионе?
Спросом пользуются геотермальные тепловые насосы, твердотопливные дровяные котлы и газовые конденсационные котлы. К солнечным коллекторам интерес в Северо-Западном регионе пока невелик.

ЭТАЖОМ ВЫШЕ — ТЕПЛОВОЙ НАСОС В КВАРТИРЕ

В этом же здании есть второй объект, который специалисты компании «Альянс­-Нева» оснастили энегоэффективным оборудованием. На четвёртом этаже дома, в жилой квартире, установлен ещё один тепловой насос — на этот раз не геотермальный, а типа «воздух–вода» марки Stiebel Eltron. Он выполняет только одну функцию — нагревает теплоноситель для системы отопления. Номинальная мощность насоса составляет 10 кВт (при энергопотреблении 3 кВт), источником низкопотенциальной энергии для него служит наружный воздух. Тепловой насос способен получать тепло из воздуха температурой выше –20 оC, однако при сильных морозах его эффективность снижается, а потребность квартиры в тепле растёт (напомним, что теплоизоляция дома оставляет желать лучшего). Поэтому самостоятельно обеспечивать систему отопления теплом тепловой насос может только при температуре уличного воздуха от –7 оС. Если же температура опускается ниже этого значения, недостаток тепла восполняет электрический котёл.

Поскольку сильные морозы — явление в Санкт­-Петербурге нечастое, а в межсезонье они и вовсе редки, тепловой насос обеспечивает до 90 % годовой тепловой энергии, необходимой для отопления квартиры. Благодаря ему удалось снизить эксплуатационные расходы почти в три раза по сравнению с электрическим отоплением.

Статья опубликована в объединённом выпуске «Лето 2015»
журналов «Инструменты»+»Всё для стройки и ремонта» серии «Потребитель»