Типовой единицей ЖКХ является жилой дом. Например, пятиэтажный трёхподъездный жилой дом размерами 15 × 90 м с количеством жильцов 225 чел. в г. Киеве. Такой дом является наиболее характерным для больших и малых городов Украины. Расход тепла для отопления (180 дней) составляет 0.493 ГДж / (м2 ∙ год), что соответствует мощности отопления Nот =201,1 кВт. Норма горячего водоснабжения (ГВС) 105 л / (чел ∙сут), которая соответствует Nг.в. = 54,7 кВт.

Энергия солнечной радиации, достигающая поверхности земли в Киеве составляет 1387 кВт*ч/м2 за год, за 6 тёплых месяцев – 1026 кВт*ч/м2, а это 74 % от общегодовой (по данным на 2000 год). Очевидно, что для использования избытка тепла летних месяцев в зимний период необходимо долговременное аккумулирование теплоты. Для этого лучше всего подходит грунтовой массив, который обеспечивает почти полное извлечение тепловой энергии. Аккумуляция – разрядка осуществляется при помощи системы грунтовых теплообменников, размещённых в буровых скважинах. При извлечении теплоты их температура поднимается тепловыми насосами (ТН) до необходимого уровня. Т. к. 26 % общегодового поступлення солнечной радиации приходится на 6 холодных месяцев года, то имеет смысл использовать и её.

Технические решения выглядят так (рис.1). Крыша заменяется солнечными коллекторами (СК) 1 и 2. Коллекторы 9 устанавливаются и на козырьках крыши (возможен вариант установки в стене). Под средней секцией дома располагается система грунтовых теплообменников 5, которые образуют теплообменный массив 6. Чтобы уменьшить глубину бурения скважин под теплообменник можно установить теплоизоляционный щит 4. В подвальном помещении средней секции дома монтируется распределяющая система пучка грунтовых теплообменников и необходимое насосное 7 и теплонасосное 8 оборудование, а также круглосуточная регулирующая ёмкость горячего водоснабжения (ГВС) 3.

Рис.1 Разрез жилого дома:

1,2,9 – солнечные коллекторы; 3 – ёмкость ситемы ГВС; 4 – теплоизоляционный щит; 5 – грунтовые теплообменники; 6 – грунтовый аккумулятор; 7 – гидравлический насос; 8 – тепловой насос.

Принципиальная схема теплоснабжения дома (рис.2) разделяется на 3 подсистемы:

а) грунтового аккумулирования, которое включает элементы оборудования 1-3-14-12-1;

б) разрядки аккумулятора с элементами 1-14-12-1, которая обеспечивает теплоснабжение для отопления;

в) ГВС 3-4-5-15-3.

Переход от аккумулирования к разрядке и обратно осуществляется управлением регулирующими вентилям 2 и 13. Эти подсистемы обеспечивают функционирование системы отопления 9-10-11-8-9 и системы ГВС 7-16-15-6-7.

Рис. 2 Схема теплоснабжения жилого дома:

1 – грунтовый аккумулятор; 2 – регулирующие вентили; 3 – солнечные коллекторы; 4 – ёмкость теплосистемы ГВС; 5 – насос теплосистемы ГВС; 6 – ёмкость системы ГВС; 7 – система ГВС; 8 – ёмкость системы отопления; 9 – система отопления; 10 – насос системы отопления; 11 – тепловой насос системы отопления; 12 – насос системы аккумулирования – разрядки; 13 – регулирующие вентили; 14 – ёмкость системы аккумулирования – разрядки; 15 – тепловой насос системы ГВС; 16 – насос системы ГВС.

Для максимального извлечения полученной СК теплоты необходимо стремиться получить температуру промежуточного теплоносителя равной температуре окружающего воздуха. Тогда минимизируются потери энергии в СК и его КПД определяется оптической проницаемостью защитного стекла (ηс.к = 0,826). Такой режим легко достигается для систем прямого ГВС. Естественно, что наиболее неблагоприятным является декабрь, когда необходимо задействовать 1837 м2 площади СК. Среднегодовое значение части энергии, подводимой к ТН ГВС = 14,7 кВт, что почти в 4 раза меньше необходимой.

Однако ГВС неравномерно на протяжении суток (см. рис. 3).

Рис. 3 График суточного потребления ГВ (в процентном соотношении к среднесуточному расходу в час).

Объём регулирующей ёмкости в данном случае должен составлять 10,2 м3, как правило его распределяют между 2-мя или 3-мя ёмкостями.

Организация отопления делится на 2 подцикла – сначала грунтовое аккумулирование теплоты на протяжении 6-ти тёплых месяцев, затем её извлечение в отопительный сезон с повышением температуры до необходимой тепловыми насосами.

Наиболее эффективный способ отопления - это система «теплый пол» с температурой теплоносителя 25 - 35 °С. Для обеспечения конечной температуры теплоносителя ок. 30 0С достаточно на выходе с теплового насоса иметь 35 0С. тепло вода снабжение жилой дом

Первый цикл – грунтовое аккумулирование теплоты. Исходная температура грунтового массива порядка 10 оС. Конечная температура основной области аккумулирования может быть ограничена 40 0С. Температурный напор аккумулирования – разрядки около ±7 °С и характер изменения близкий к линейному, тогда площадь СК для отопления должна быть 1422 м2. С учётом ГВС при максимальной нагрузке площадь СК должна быть 1808 м2.

После проведения расчётов по методикам, подтверждённым эмпирически оказалось, что расход энергии для отопления почти в 10 раз меньше необходимого. Общая энергоэффективность отопления и ГВС теплоавтономного дома предполагает уменьшение потребления энергии в 6 раз.

Более того дом является теплоавтономным, т. е. не требует затрат тепловой энергии извне и представляет собой энергогенерирующий объект. Излишки тепловой энергии в пиковых загрузках могут передаваться следующим (по теплосети) потребителям, имеющим недостаток тепловой энергии.

Технико–экономический анализ показывает, что средний срок окупаемости 3,96 года (стабильность – кризис), т. е. через 4 года этот проект будет давать ежегодную прибыль 880 тыс. грн. на период действия «зелёного тарифа» (ок. 10 лет) в ценах 2008 года.