Системы напольного отопления имеют высокий уровень популярности. Обладая явными преимуществами – удобством эксплуатации, длительным сроком службы, экономией энергии, напольные схемы попросту вытесняют традиционное отопление. Сравнение и анализ эффективности различных низкотемпературных систем лучистого отопления настенных, потолочных, напольных, демонстрируют интересные результаты. Как выясняется, пол с подогревом является лучшим методом с низким энергопотреблением и эксплуатационными расходами. Однако традиционная схема напольного отопления, как правило, основана на сжигании ископаемого топлива, работает при высоких температурах, расходует много энергии. Поэтому логичным для рассмотрения видится гибридный вариант схемы.
Гибридный вариант напольного подогрева
Солнечная энергия — чистый возобновляемый энергетический ресурс, привлекательный для всего мира. Многие специалисты считают, что развитие технологий использования солнечной энергии имеет важное значение для устойчивого развития. Предполагается, что напольное отопление, работающее от солнечной энергии, является наилучшей формой отопления.
Однако существующая напольная система лучистого обогрева, приводимая в движение солнечной энергией, требует дополнительного отопления из-за недостаточной стабильности солнечного ресурса. Этот ресурс напрямую зависит:
- от времени года,
- местоположения,
- климата,
- других факторов.
Поэтому логично рассматривать технологию создания системы фотоэлектрического и фототермического напольного отопления значимой темой исследований для применения на практике.
Простой алгоритм может выглядеть следующим образом:
- Фотоэлектрическая схема генерирует электричество с последующим накоплением в АКБ.
- Инвертор подаёт электричество на геотермальный насос.
- Термическая схема подаёт горячую воду в систему напольного отопления.
Комбинированная схема напольного отопления с фотоэлектрической тепловой системой и геотермальным тепловым насосом широко обсуждается техниками разного уровня. Средние сезонные показатели комбинированного напольного отопления демонстрируют улучшение почти на 55,3% по сравнению с обычной системой отопления. Соответственно, применение геотермального теплового насоса в сочетании с радиаторами и фотоэлектрическим напольным отоплением – видится разумным решением.
Обсуждения специалистов и эксперименты
Обсуждался коэффициент полезного действия и выбросы CO2 различными системами напольного отопления с точки зрения:
- теплового комфорта,
- потребления энергии,
- воздействия на окружающую среду.
Проводились серии экспериментов с целью проверки производительности схемы геотермального теплового насоса в различных режимах работы. Основные показатели энергоэффективности и выбросов CO2 были протестированы и проанализированы, чтобы показать преимущества такой операционной системы.
Анализировалась производительность фотоэлектрических (ФЭ) гибридных коллекторов в составе солнечной напольной тепловой системы. Применение эффективных солнечных коллекторов ФЭ предпочтительнее обычных фотоэлектрических и солнечных тепловых компонентов с точки зрения потенциальной экономии энергии.
Для оценки производительности гибридных систем ФЭ в плане обеспечения электроэнергией и горячей водой тестировалась модель напольной системы. На модельном уровне продемонстрировано:конфигурация напольного отопления ФЭ заметно улучшила тепловые и электрические характеристики.
Конструкция (возможная) гибридного напольного отопления
Идея конструкции гибридной напольной системы отопления заключается в формировании скоординированных операций с двумя системами. Здесь объединяется фототермическая схема лучистого напольного отопления и фотоэлектрическая схема лучистого отопления пола.
Фототермическая система лучистого напольного отопления основана схемой, где солнечный тепловой коллектор преобразует солнечную энергию в тепловую энергию. Затем через трубы горячей воды тепловой энергией нагревается поверхность пола.
Фотоэлектрическая напольная схема отопления работает от нагревающих кабелей переменного тока, проложенных в полу. Кабели фотоэлектрической системы нагреваются посредством подачи питания от централизованной сети и передают тепловую энергию внутрь помещения. Конструкция такой напольной системы обогрева показана на картинке ниже.
Сплошная линия, выделенная жирным оранжевым цветом, указывает на фототермическую конструкцию лучистого напольного отопления. Параллельно выстраивается фотогальваническая напольная конструкция отопления. Нагревательные кабели переменного тока и водопроводные трубы, по сути, переплетены между собой и равномерно уложены в полу помещения с установкой датчика температуры и влажности.
Фототермической системой тёплого пола за счёт солнечного коллектора нагревается вода, циркулирующая при помощи насоса через накопительный водяной резервуар. Вторым контуром водяного бака является горячая вода, циркулирующая по трубам в области напольного покрытия при помощи геотермического насоса.
Контроллером обрабатываются сигналы температуры внутри помещения, и регулируется открытие электрического регулирующего клапана, установленного в контуре напольного отопления. Регулировка осуществляется посредство алгоритма ПИД-регулятора гибкой настройки в соответствии с заданным значением температуры.
Цепи сбора и подачи тепла оснащены датчиками температуры и датчиками расхода, обрабатывающими и контролирующими:
- температуру,
- расход,
- потребление энергии.
Другие детали схемы гибридного напольного отопления
Фотоэлектрической напольной схемой нагрева солнечные элементы преобразуют солнечную энергию в электричество, подаваемое на инвертор через стабилизатор постоянного тока. Инвертор преобразует постоянный ток 48В в переменный ток 220В, который необходим для питания нагревательных кабелей переменного тока.
Солнечные элементы также обеспечивают 48В постоянного тока и 24В постоянного тока для управления и зарядки аккумулятора. В стабилизаторе постоянного тока установлены диоды, препятствующие обратному прохождению зарядного тока на солнечные панели.
Питающая сеть переменного тока 220В допускает питание нагревательных кабелей напрямую. Также поддерживается возможность заряда аккумулятора через зарядное устройство, чем обеспечивается дополнительный заряд аккумулятора в случае нехватки энергии солнечных панелей.
Использование электричества в ночное время суток для зарядки аккумулятора с последующим запуском напольной отопительной конструкции в дневное время, является ещё одним методом энергосбережения. Датчики тока (A1 ~ A3) и датчики напряжения (V1 ~ V3) в цепи питания используются для контроля тока и напряжения.
Данные монитора используются для оценки нормальной работы всего устройства. Вся цепь фотоэлектрического источника питания оснащена:
- различными автоматическими выключателями (K1 ~ K5),
- контакторами (KM1 ~ KM5),
- предохранителями (FU1 ~ FU2),
которые необходимы для дистанционного автоматического или ручного управления.
Представленный вариант предполагает применение ПИД-регулятора гибкого управления, коим обеспечивается мониторинг и контроль всего напольного отопления. Контроллер содержит порты DO, AI и AO, порт источника питания и порт связи RS485.
Порты DO выводят цифровые инструкции для управления включением-выключением соответствующих контакторов. Каждый индикатор, соответствующий контактору, показывает состояние включения / выключения. Питание некоторых катушек контактора в основном от аккумулятора (постоянный ток 48В) и инвертора (переменный ток 220В).
Следует отметить, что питание катушек KM4 и KM5 обеспечивается от сети переменного тока 220В, поскольку KM4 и KM5 управляют зарядкой батареи и питанием нагревательных кабелей от основного источника питания. Эта часть источника питания должна быть отделена от фотоэлектрической схемы выработки электроэнергии. Так напольное отопление гарантированно будет работать в случае нехватки солнечной энергии в течение длительного времени.
Обработка аналоговых сигналов
AI-порты используются для сбора аналоговых сигналов, включая сигналы напряжения и тока переменного и постоянного тока, сигналы датчика уровня, сигналы температуры и влажности в помещении, сигналы открытия электрического регулирующего клапана, а также сигналы температуры и расхода в контуре сбора тепла и отопления цепь питания.
Порт AO1 используется для вывода команды открытия электрического регулирующего клапана. Контроллер собирает и контролирует время работы фототермического обогрева пола и фотогальванического обогрева пола. Порт батареи обеспечивает постоянный ток для питания контроллера и сенсорного экрана.
- Контроллер.
- Сенсорный экран.
- Многофункциональный измеритель мощности.
Отмеченные компоненты схемы обмениваются данными через порт связи RS485. Различные значения работы всей схемы отслеживаются на сенсорном экране, который может принимать инструкции пользователя по управлению открытием клапана и включением-выключением контактора. Элемент K10 — автоматический выключатель постоянного тока, который применяется с ручным выключателем силовой цепи.
Инвертор обеспечивает 220В переменного тока для насоса утилизатора тепла, насоса подачи тепла и электромагнитного клапана подачи воды. Контактор K9 — общий выключатель переменного тока.
Контакторы K6 ~ K8 выступают автоматическими выключателями переменного тока каждой ветви. Когда любая из катушек KM6 ~ KM8 находится под напряжением, соответствующий контактор замыкается. Соответственно, оборудование получает энергию от источника питания.
При нормальной работе схемы автоматические выключатели K1 ~ K10 находятся в замкнутом состоянии, а системой можно дистанционно управлять с помощью сенсорного экрана. В случае крайней необходимости работа устройств будет немедленно остановлена автоматическими выключателями.
