Алгоритм работы системы отопления

Схема системы отопления с тепловым насосом, электрокотлом, теплоаккумуляторами и солнечными коллекторами.

Пояснения.

1. Источники тепла: геотермальный тепловой насос ТН 12 кВт, воздушный солнечный коллектор СК1 на фасаде дома, электрокотел 12 кВт (2 ступени по 6 кВт, 3 фазы). На будущее предусматриваю точки подключения газового настенного котла и вакуумного солнечного коллектора СК2 на крыше дома.
2. Потребители: теплый пол на 2 этажах. Теплые стены на 2 этажах. Бойлер ГВС. Теплоаккумуляторы (см. ниже).
3. Теплоаккумулятор водяной — S-tank AT Duo 750л.
   Первый вариант ТА

   сначала был водяной из еврокуба. Прошлую зиму отработал без теплообменников, сейчас в нем установлены 3 змеевика из меди ∅15 мм — 2 по 14-15м в верхней части  для теплых стен, в нижней части 11 м для солнечного коллектора.
4. Еще 2 теплоаккумулятора — фундаментная плита Ф (в ней 3 петли по 100 м PEX-20) и грунтовый ТА под домом (там петля из 100 м ПНД-32, греет грунт, утепленный по периметру примерно на 60 см глубины).
5. Вокруг дома под дренажом проложено еще около 100 м ПНД-32. Этот контур закольцован на теплообменник воздух-вода ВТО1, который стоит сразу после забора воздуха приточно-вытяжной вентиляции. Т. к. в грунте температура круглый год примерно 5-10С, этот ТО будет летом охлаждать подаваемый воздух, а зимой немного подогревать. Включаться циркуляция через него будет если температура воздуха на улице или меньше 0С, или больше 25С (например).

Схема использует обычный коллектор К1 и кольцевые К2 и К3 (по принципу первично-вторичных колец).
Главный коллектор К1. Сверху к нему подключены источники тепла — ТН и электрокотел, предусмотрено подключение газового котла в будущем. Отбор тепла идет в бойлер ГВС и теплые полы. Бойлер ГВС может работать как на потребление тепла от К1, так и на подачу тепла, если СК будет греть воду в бойлере выше 60-70С. Эти излишки будут направляться в водяной ТА.

Коллектор К2 служит для 2 основных целей.

1. Летом в теплые стены подается теплоноситель из геотермального коллектора для охлаждения дома. Одновременно тепло сбрасывается в геоконтур.
2. Зимой и в межсезонье ТС переключаются на отопление от теплообменника ТО3, расположенного в ТА. Геоконтуры отключаются от теплых стен.
3. В зимнем режиме теплоноситель, приходящий из земли, может подогревается теплом от солнечных коллекторов через ТО5. Также, возможен отбор накопленного под фундаментом тепла через K3. При увеличении температуры, подаваемой в ТН, его СОР будет расти.

Коллектор К3 служит для объединения теплоаккумуляторов ГФ (грунтовый под фундаментом) и Ф (в фундаментной плите). Управлением циркуляционными насосами Н7-9 и клапаном 3К1 можно будет закачивать излишки солнечной энергии или в фундамент, или в грунт под домом, или в основной геоколлектор. Для последнего варианта 3-ходовой клапан 3К1, с его помощью подключается коллектор К2, если нужно подавать солнечное тепло в ТН или в геоколлектор.

Пластинчатый теплообменник ТО5 служит для разделения солнечного и геотермального контуров. Сделано это из-за того, что СК находятся снаружи и в их контур заливается теплоноситель до -25С, а геотермальный контур заливается спиртом до -10С.

Контуры солнечных коллекторов

В воздушном солнечном коллекторе на фасаде разложены 4 петли из гофрированной нержавейки, они сходятся на чердаке и обозначены на схеме как СК1. Эти петли греются непосредственно на фасаде. Теплый воздух, который выходит из СК1, проходит через воздушный теплообменник ВТО2, где отдает оставшееся тепло теплоносителю. Эти 2 контура запараллелены (чтобы сэкономить на насосе)
Также, в будущем к СК1+ВТО2 будет параллельно подключен вакуумный коллектор СК2 по следующей схеме:

Тепло от солнечных коллекторов идет на 3 теплообменника:
— ТО1 в бойлере для нагрева ГВС
— ТО4 в ТА для нагрева ТА в межсезонье
— ТО5 для сброса тепла летом под фундамент и в землю, или для предподогрева спирта перед подачей в ТН.

По 3-ходовым клапанам.

• 3К1 — подключает и отключает коллектор К2
• 3К2 — переключает солнечные коллекторы СК2 между ТО1 и ТО5
• 3К3 — переключает солнечные коллекторы СК1 между ТО4 в ТА и ТО2 в бойлере
• 3К4 — ручной, переключает теплые стены с нагрева от ТО3 на охлаждение от ГеоК
• 3К5 — термосмеситель для ТП
• 3К6 — термосмеситель для ТС

Расширительные бачки

1. Для геотермального контура около К2 будет РБ1 на 50 л (объем в системе около 800л, но колебания температур будут небольшие)
2. РБ2 на  объем 100л для системы отопления. РБ устанавливается на нижнем (холодном) патрубке. Объем в системе около 280л (250 в ТП плюс литров 30 в остальных частях контура) плюс объем бака 750 л.
3. Для контура воздушных солнечных коллекторов РБ3 на 8 л (объем в системе около 60л). 
4. Для контура вакуумного коллектора — РБ4 высокотемпературный Wester на 8 л (объем в системе около 10л). Если 3-ходовой клапан 3К2 не полностью герметичный, то можно его не ставить вообще.
5. Для геовоздушного контура вентиляции РБ5 Н11 — литров на 8 (объем в системе около 60 л).

Считаю примерно 10% от объема теплоносителя в контуре.

Алгоритм работы насосов и расположение датчиков температуры

Насос 1 между низом и верхом водяного ТА: включается, если нужно перемешать теплую воду по всему объему  ТА. Например, включен, если температура t7>60°C и разница температур t7 и t9 больше 20 градусов. Выключается при разнице температур меньше 10-15°C.

Насос 2 электрокотла: включен, когда включен электрокотел. Работает в отопительный период. Включается по таймеру в ночное время, работает по ночному тарифу.
В дневное время насос и электрокотел могут включаться при снижении температуры t7 в ТА менее 20°C.
ЭК и насос отключаются если температура подачи основного коллектора (датчик t13) или в ТА (датчик t7) превысит 80°C. Аварийное отключение при t2=90-95°C.
Насос должен отключаться с задержкой примерно 1 минуту после отключения ТЭН ЭК.

Насос Н3 теплых полов 2 этажа. Включается по температуре на 2 этаже, если требуется отопление.

Насос Н4 теплых полов 1  этажа. Включается по температуре в доме (или, если погодозависимое управление, то по внешней температуре и температуре в доме).

Еще одно условие для включения насосов Н3 и Н4 — температура в подаче основного коллектора выше, например, 20С (датчик t13), чтобы не гонять по полам холодную воду. Или одновременно отслеживать Δt между температурой подачи и обратки в ТП, если она меньше 3-5°C, то тоже можно отключать насосы. Этот режим может потребоваться, когда температура в полах низкая (меньше 15-20°C) и нужно прогреть дом.

Эти насосы также могут отключаться по таймеру после ночного тарифа, когда ТП достаточно прогреты и тепло запасено в бетоне ТП. Насосы отключаются примерно до 15-16 часов, чтобы сохранить тепло в ТА. Ближе к вечеру включаются, чтобы забрать тепло из ТА и нагреть дом без включения ЭК или ТН.

Также, насосы отключаются при достижении заданных температур в доме.

Насос Н5 бойлера ГВС: Включается, если нужно нагреть воду от внешнего источника (ТН или быстрый нагрев от электрокотла), когда внутренний ТЭН и солнечный коллектор не справляются. Также, включается, если нужно сбросить излишки солнечного тепла в водяной ТА или систему отопления. Поэтому:

• вкл. если температура в верхней части бойлера >70C. При этом излишки тепла через основной коллектор будут отправляться в ТА или отбираться потребителями (ТП).
• вкл. если температура в верхней части бойлера <35C и если включен один из источников тепла — ТН, ЭК или газовый котел, или температура в ТА больше 50°C. Греется до тех пор, пока температура не поднимется до 60С.
• выкл. если температура находится в диапазоне 45-60С.

Насос Н6 первичного контура геотермального ТН. Управляется контроллером ТН. Включается, если нужно или забирать тепло из ГК в отопительный период, или забирать холод из ГК в летний период, или закачивать излишки солнечной энергии в основной ГК. Нужно включать, если нужно сбросить тепло из солнечных коллекторов в основной геоконтур после того, как полностью «зарядятся» грунт под домом и фундамент. Такой алгоритм может и не понадобиться, т.к. скорее всего мощности СК будет достаточно только для этих 2 теплоаккумуляторов, и не будет излишков солнечной энергии для основного ГК «многоэтажки».

Насос на горячей стороне теплового насоса встроен в ТН, включается, когда включен ТН и есть потребление тепла от ТН. Его работу должен контролировать контроллер ТН.

Насос Н7 геотермального контура под домом ГФ. Включается, если включен Н9 и если нужно забирать или подавать тепло в этот ТА_гф. Таким образом, условия для включения:

• Режим закачки солнечного тепла в ТА под домом. Насос Вкл. если выполняются все условия:
  • Насос 9 вкл.
  • 3К2 или 3К3 переключены на циркуляцию через ТО5,
  • 3K1 переключен на циркуляцию мимо K2. Если 3К1 переключен на большой ГК, то солнечное тепло закачивается в большой ГК, температура в котором t14 на этот момент должна быть ниже температуры ГФ t18 (не нужно выравнивать температуры ГФ и ГК).
  • Насосы Н10 (воздушного СК) или Н12 (вакуумного СК) включены
  • Температура на выходе СК1 t3 или СК2 t4 выше температуры t18 в ГФ (грунтовом ТА под домом) на Δt=5°C.
• Режим отбора тепла из ГФ тепловым насосом. Скорее всего этот режим не будет задействован. Теплый ГФ будет постепенно отдавать тепло плите фундамента. Условия включения насоса:
  • Насосы 6 и 9 вкл., 3К1 переключен на К2.
  • Температура ГФ t18 не ниже 15С (иначе он будет оттягивать тепло от фундамента, в обычном режиме температура грунта зимой не опускалась ниже 11С).
  • t18 на выходе ГФ не ниже t19 на входе коллектора К3 (т.е. температуры основного ГК)

Насос Н8 контура ТА фундамента. Включается аналогично насосу Н7. Датчик температуры на выходе Ф t7, в остальном алгоритм работы идентичен работе ГФ.

Насосы Н7 и Н8 отключаются при достижении температуры соответствующих ТА 25-30°C для защиты от тепловых «ударов» основания дома. После этого излишки солнечного тепла направляются в основной геоколлектор ГеоК.

Если возникают излишки для сброса солнечного тепла в ТА ГФ и Ф, то, для определения температур в Ф и ГФ кратковременно включаются насосы и измеряется температура на выходе контуров этих ТА. Эта температура используется для управления системой отопления.

Насос Н9 кольца ТО5 включается:

1. режим закачки солнечного тепла в Ф и ГФ, 3К1 в положении малого круга (мимо коллектора К2), H9 включен, если работает хотя бы один из насосов Н7, Н8.
2. режим закачки если 3К1 в положении большого круга (через коллектор К2), то включен если работает насос Н6
3. в обоих случаях 3К2 или 3К3 должны быть переключены на циркуляцию через ТО5.
4. режим отбора запасенного в Г и ГФ тепла тепловым насосом. Включаются насосы Н6 и Н9 и один или оба насоса Н7 Н8.

Насос Н10 воздушного СК.

1. Режим нагрева воды в бойлере через ТО1. Условия:

Насос Н11 вакуумного СК.

Насос Н12 теплых стен

Насос Н13 предподготовки воздуха на подаче (циркуляция теплоносителя через ГД и ВТО1).

Режимы работы трехходовых клапанов

Клапан 3К1.

1. Переключен на коллектор К2. В этом положении может быть
   • отбор тепла в ТН от СК (через ТО5)
   • отбор тепла в ТН от ГФ и Ф
2. Переключен на малый круг ТО5-К3 — идет накачка солнечным теплом ГФ и Ф.

Клапан 3К2.

1. Переключен на ТО5. В этом положении идет передача тепла от СК2 в ГФ и Ф
2. Переключен на ТО1 — идет накачка солнечным теплом бойлера

Клапан 3К3.

1. Переключен на ТО5. В этом положении идет передача тепла от СК1 в ГФ и Ф
2. Переключен на ТО4 — идет накачка солнечным теплом водяного ТА

Температурные датчики

1. t1 — температура обратки на подаче теплоносителя в воздушные СК
2. t2 — температура воздуха в верхней части воздушного СК на фасаде дома
3. t3 — температура теплоносителя на выходе коллектора ВСК на чердаке (пока не установлен)
4. t4 — температура на выходе ВТО2 (пока не установлен)
5. t5 — температура на вакуумном коллекторе (пока не установлен)
6. t6 — температура обратки главного коллектора отопления
7. t7 — температура вверху водяного ТА
8. t8 — температура в средней части водяного ТА
9. t9 — температура в нижней части водяного ТА
10. t10 — температура на подаче теплоносителя в теплые стены (после термосмесителя 3К6 или от геоколлектора)
11. t11 — температура обратки из теплых стен
12. t12 — температура подачи из ЭК
13. t13 — температура в подаче коллектора отопления
14. t14 — температура на выходе из геоколлектора
15. t15 — температура на выходе геоколлектора дренажа ГД
16. t16 — температура на выходе ВТО1 (пока не установлен)
17. t17 — температура на выходе коллектора Ф
18. t18 — температура на выходе ГФ
19. t19 — температура на входе в коллектор К3
20. t20 — температура на входе в ТО5 со стороны геоконтуров (для управления не нужен)
21. t21 — температура на входе в ТО5 со стороны СК
22. t22 — температура в верхней части бойлера ГВС
23. t23 — температура в верхней части ТО1 (для СК) в бойлере ГВС
24. t24 — температура на выходе ТН
25. t25 — температура

Включение  электрокотла

Электрокотел 3-фазный 12 кВт. Т.к. на дом выделено всего 15 кВт, потребуется ограничивать работу ЭК в зависимости от нагрузок в доме. Т.к. ЭК планируется включать в ночное время, в доме не должно быть включено больших потребителей, поэтому проблем с нехваткой мощности в ночное время быть не должно (проблема может возникнуть, если нужно будет отапливать бытовку или домик сторожа).

Как определять температуру в геоконтурах и фундаменте?

Датчики температуры установлены на коллекторах в котельной. При отсутствии циркуляции датчики будутпоказывать температуру в котельной. Для того, чтобы узнать температуру в соответствующем ТА, нужно включить циркуляцию насосом на несколько минут, и замерить температуру на обратке. Это значение и будет примерной температурой в ТА.

Как связать вакуумный и воздушный солнечные коллектора?

Температура в воздушном СК — максимум 60С. Температура в вакуумном может быть гораздо выше, до 100С и выше.

Воздушный СК имеет 3 «выхода» тепла.

1. нагретый воздух — подается в помещение. Этот «выход» работает в первую очередь.
2. жидкостный, теплосъем с гофронержавейки ∅15 мм, разложенной по абсорберу. 4 петли на 4 секциях СК сходятся в коллекторе, расположенном на чердаке. От него идет гофронержавейка диаметром 20 мм в котельную. Теплоизолирована обычной теплоизоляцией для отопления.
3. теплообменник воздух-вода, забирает тепло, которое выходит из коллектора. Работает только в летнее время, когда подавать воздух в помещение не требуется. Служит также для сбора тепла от нагретого воздуха на чердаке (летом там температура до 45 градусов поднимается, а в жару еще выше). От этого теплоомбенника идет PEX труба ∅16мм в котельную. Теплоизолирована обычной теплоизоляцией для отопления. 

От вакуумного коллектора идет труба из гофронержавейки ∅15мм, горячая сторона теплоизолирована специальной теплоизоляцией Solar Flex. Все трубы спискаются в котельную.