Тепловые насосы

Тепловой насос (11) будет  использовать теплоту из сточно-гликолевых теплообменников (5). В летний период источником тепла для теплового  насоса останутся существующие приемники  теплоты наружного воздуха, составленные из калориферов центрального кондиционера. Опыт их использования показал высокую эффективность такого устройства при температурах наружного воздуха 15 °С и выше.

Солнечные коллекторы (10) предполагается использовать вместо теплового  насоса в летний период для системы горячего водоснабжения. Для этого проектом предусмотрен водоподогреватель (18), в котором подогретый в солнечных коллекторах водный раствор пропиленгликоля передает тепло воде, используемой в системе горячего водоснабжения. При переменной облачности или наличии только рассеянного солнечного излучения солнечные коллекторы могут работать совместно с тепловым насосом (11).

Электрические котлы (17) предназначены для использования  исключительно в ночное время  с оплатой за электроэнергию по льготному тарифу. Предполагается, что в зимний период эти котлы будут активно применяться для накопления горячей воды ночью, и температура в баках-накопителях может при этом повышаться до 90 °С. Для того чтобы не допустить попадания воды с такой высокой температурой в систему горячего водоснабжения, предусмотрена возможность ее смешения с холодной водой, для этой цели предусмотрен автоматизированный трехходовой клапан, который показан на схеме между (20) и (15).

Проектом предусмотрена возможность работы схемы в полностью автоматическом режиме. В частности, погодное регулирование каждой фасадной отопительной системы будет обеспечено позиционными регуляторами, установленными на байпасных линиях. При необходимости уменьшить потребление тепла байпасная линия на нужный промежуток времени откроется, циркуляция воды в системе в это время практически прекратится, температура в обратном трубопроводе возрастет, и тепловой насос на это время автоматически отключится.

Солнечные коллекторы включатся  в работу после того, как температура, зафиксированная датчиком, установленным в точке, всегда доступной солнечным лучам, превысит температуру воздуха в тени на 10 °С. При этом электрические клапаны, установленные на трубопроводах, подающих гликоль к солнечным коллекторам, автоматически откроются.

 

Расчетные значения тепловой мощности и производительности систем потребления тепловой энергии

Система Тепловая  мощность Электриче-  ская мощ-  ность*, кВт Затраты электро-  энергии в год общая,  кВт удельная,  Вт/м2 общие,  МВт•ч удельные,  кВт•ч/м2 Отопление 51,3 21,6 16,4 32,5 13,7 Горячее  водоснаб-  жение 27,1  (ср.) - 9,3 40,7 17,2 Итого 78,4 - 27,1** 73,2 30,9

* Не учитывается  резервный источник и потребление  электроэнергии в ночные часы. ** С учетом  мощности вспомогательного оборудования.

 

Электрические котлы  и клапаны, установленные на линиях подачи теплоносителя к ним, будут  при надобности автоматически включаться в работу с 23:00 до 6:00 – во время  действия льготного тарифа на электрическую  энергию. Необходимость работы электрических котлов должна определяться персоналом с учетом соотношения обычного и льготного тарифов, которое может меняться в соответствии с тарифной политикой государства.

На случай аварийной  ситуации с отопительным тепловым насосом  предусмотрена возможность использования электрического котла в качестве резервного источника тепла.

В таблице показаны основные технические показатели проекта. Удельный расход энергии на отопление равен 13,7 кВт•ч/м² в год и, на первый взгляд, кажется чрезмерно низким, даже немного ниже принятого в Европе норматива, характерного для пассивных домов. На самом деле здание общежития после его реконструкции хотя и будет иметь некоторые характеристики пассивного дома, все же таковым не является, поскольку отапливается тепловым насосом, в то время как пассивные дома обогреваются в основном за счет внутренних тепловыделений.

Чрезмерно низкое значение удельного расхода энергии, затрачиваемой  на отопление, объясняется тем, что  энергия эта – электрическая. Для того чтобы сопоставить реконструированное здание общежития с другими энергоэффективными сооружениями, следует умножить проектное значение удельных энергозатрат на среднюю величину коэффициента преобразования, т. е. на 3,9. Полученный результат – 53,4 кВт•ч/м² в год.

Если проектное значение удельных затрат энергии будет подтверждено при реализации проекта, то это позволит отнести реконструированное здание к числу самых эффективных гражданских сооружений с активной системой отопления.

 

5.2. Использование  тепловых насосов для повышения энергоэффективности теплоснабжения потребителей

В 2009 г. в Наро-Фоминском районе Московской обл. начато строительство уникального жилого комплекса «Первомайское», состоящего из пяти трехэтажных монолитных жилых домов, которые снабжаются теплом и горячей водой полностью за счет использования теплоты местного грунта.

«Первоначально мы планировали подвести газ и поставить газовую котельную, однако, расчеты показали нецелесообразность ведения трубопровода из соседнего района, где находилась газовая магистраль. Общая длина труб составила более 8 км. Кроме того, маршрут трубопровода проходил бы по частным землям. Главной альтернативой газовой магистрали явилось использование теплоты грунта с помощью системы геозондов и теплового насоса. Стоимость установки данной системы, по сравнению со стоимостью подведения газа к объекту, давала экономию в целых 12 раз! При этом эксплуатационные затраты при использовании тепловых насосов на 10-15% ниже, чем при сжигании газа. Это и стало главной причиной принятия решения в пользу использования нетрадиционного источника энергии.

Сейчас на территории комплекса размещены 800 геозондов, расположенные через каждые 5 м в специальных скважинах. Чтобы пробурить эти скважины мы использовали, в том числе, собственную буровую технику, позволяющую работать в труднодоступных местах, на небольшой по площади территории.

При применении нашей системы потери тепловой энергии отсутствуют. Кроме того, при наличии многотарифной системы электроснабжения эксплуатационные затраты на отопление и горячее водоснабжение можно снизить в 2,5 раза за счет использования ночного тарифа и аккумулирования тепла в буферных емкостях».

О.А. Резников, член совета директоров  
группы компаний «Современные Строительные Технологии».

 

Опыт применения теплонасосной станции для отопления объектов Велижанского водозабора

Тепловые нагрузки составляют (без горячего водоснабжения) на промышленные нужды - 2,65 Гкал/ч, на жилье и соцкультбыт - 0,79 Гкал/ч, всего 3,44 Гкал/ч.

До 1996 г. теплоснабжение объектов осуществлялось от котельной, работающей на дизельном топливе. В котельной были установлены 4 котла мощностью по 3,5 Гкал/ч, из них 2 резервных. Таким образом, рабочая мощность котельной составляла 7 Гкал/ч. В связи с резким подорожанием дизельного топлива было принято решение о приобретении и монтаже теплонасосной станции.

Теплонасосная станция  представляет собой автономный источник теплоснабжения, использующий в качестве низкопотенциального источника  тепла воду из скважин Велижанского водозабора. Низкопотенциальное тепло воды водозабора (5 °С, расход не менее 500 м³/ч) с помощью теплового насоса получается теплоноситель для систем отопления (65 °С) и горячего водоснабжения (55 °С). Оборудование теплонасосной станции позволяет регулировать как температуру прямой воды отопления, так и количество передаваемого ей тепла.

Оборудование теплонасосной  станции достаточно энергоемкое: установленная  мощность компрессора составляет 630 кВт при напряжении 10 кВ. Потребляемая мощность одной установки (по паспорту) в номинальном режиме при теплопроизводительности 2,8 Гкал/ч составляет 720 кВт, не считая сетевых насосов и другого вспомогательного оборудования.

Годовой экономический  эффект составляет 154000 руб./год. При  стоимости приобретенного оборудования теплонасосной станции 1,8 млн руб. (без стоимости строительных и монтажных работ) срок окупаемости составит 11,7 лет (по данным 1996 г.).

Практически в каждом муниципальном образовании имеются  те или иные проблемы с теплоснабжением  потребителей. Довольно часто при  строительстве новых домов встает вопрос об источниках теплоснабжения для постройки, т.к. подключение к теплоснабжающим организациям может быть невозможно из-за дефицита тепловой мощности, дорого из-за строительства протяженных тепловых сетей. Отопление некоторых населенных пунктов осуществляется посредством использования дорогого завозного дизельного топлива и мазута. В этом случае должны рассматриваться проекты установки теплового насоса в конкуренции с другими технологическими решениями и проектами по теплоснабжению.

В энергодефицитных регионах по электрической мощности, с одной стороны, внедрение тепловых насосов должно рассматриваться только как перспективное направление, т.к. при переход с централизованного отопления на тепловые насосы (даже при наличии в непосредственной близости источника низкотемпературного тепла) может вызвать рост нагрузки на энергосистему, в связи с потреблением теплового насоса электроэнергии. С другой стороны, может снизить электрическую нагрузку, используемую потребителями на электроотопление. К вопросу внедрения тепловых насосов в таких муниципальных образованиях надо подходить очень серьезно.

5.3. Особенности внедрения геотермальных технологий для малоэтажного строительства в России на примере Ярославской области

Успешное экономическое  развитие регионов России, создание благоприятных конкурентных условий для бизнеса, повышение жизненного уровня населения, реализация национального проекта "Доступное и комфортное жилье – гражданам России" во многом зависят от использования современных энергоресурсосберегающих и экологически эффективных технологий на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). С учетом проблем энергетической и экологической безопасности, ежегодного роста цен на энергоносители и других факторов, эти технологии все шире внедряются в мировую практику и позволяют обеспечить высокий уровень замещения ископаемого топлива, экологическую чистоту и независимые от поставщиков топлива схемы энергообеспечения.

Энергетические ресурсы  ВИЭ практически неисчерпаемы и, как правило, многократно превышают потребности регионов. Среди ВИЭ в России - по ресурсной базе, доступности почти в любом регионе и в любое время года и суток – наиболее привлекательным выглядит использование геотермальной энергии, в т.ч. -представленной малыми глубинами залегания (до 100-200 м), в виде низкопотенциального тепла верхних слоев грунта. Так, оцененные, на примере Ярославской области, приповерхностные геотермальные ресурсы, только до глубины 100м, составляют примерно 2,0 – 2,5 млн. т у. т. в год, то есть не менее 30 – 40% всей теплопотребности региона ежегодно.

Наиболее распространенной в мире геотермальной технологией, в особенности- для малоэтажных  объектов, является использование тепла  приповерхностного грунта с помощью  мелких скважинных теплообменников (СТО) и тепловых насосов. Как показала мировая практика и первый отечественный опыт, в т. ч.-приобретенный в Ярославской области на пилотной установке для теплоснабжения школы в д.Филиппово, низкопотенциальное тепло грунта можно эффективно трансформировать с помощью тепловых насосов (ТН) до температурного уровня, необходимого потребителю, включая жилой, промышленный сектор и объекты другого назначения. Поэтому общее число установленных в мире грунтовых тепловых насосов, в пересчете на среднюю тепловую мощность 12 кВт, перевалило за миллион. Различные варианты этой технологии (схема на рисунке 1) могут обеспечить нагрузки отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, технологического холодоснабжения и горячего водоснабжения потребителей. Способность СТО к аккумулированию в грунте тепла и холода от дополнительных энергоисточников позволяет удачно сочетать тепло Земли с другими видами ВИЭ из окружающей природной среды (прямым использованием солнечной энергии, энергией ветра и др.) и стоками тепла техногенного происхождения.

Рис. 5. Способы поставки и монтажа скважинных теплообменников (фото из журналов "Geothermische Energie") и схема теплоснабжения коттеджа с использованием низкопотенциального тепла приповерхностного грунта.

Использование грунтовых теплонасосных установок (ТНУ) в центральных регионах России будет проходить в геолого-климатических условиях, существенно отличающихся от среднеевропейских: ниже температуры грунта (например до глубины 100 м, 5-8 ⁰С вместо10-15 ⁰С), продолжительнее, в 1,5-2,0 раза, отопительные сезоны. В связи с этим при реализации рассматриваемой технологии потребуется увеличение количества или длины СТО для одной и той же отапливаемой площади, что ведет к повышению первоначальных затрат на строительство систем сбора тепла грунта и росту сроков окупаемости грунтовых ТНУ. Следовательно, для коммерчески приемлемого внедрения подобных проектов в средней полосе России нужен поиск дополнительных механизмов улучшения технико-экономических показателей, в т. ч.- на основе комплексной оптимизации геолого-экономических, архитектурно-строительных и инженерных решений с применением снижающих теплопотери материалов и оборудования.

Как указывается в  монографии, обобщающей опыт внедрения  первых грунтовых ТНУ в России, в т. ч. - в Ярославской области, для перехода на низкотемпературный вариант отопления надо проводить повышение теплозащиты зданий до экономически целесообразного уровня, не более, чем в 1,5-2,0 раза, соответственно снижая их удельную теплопотребность.

С учетом этих рекомендаций и предложенного, для предварительной оценки эффективности грунтовых ТНУ, упрощенного метода графического построения годовых графиков тепловых нагрузок ТН с электроприводом , в разработанной на основе метода схеме энергообеспечения коттеджа расчетный среднесезонный рабочий коэффициент ТНУ составляет около 4-х единиц, то есть на 1кВт-ч электроэнергии, затрачиваемой на привод ТН, можно получить 4 кВт-ч тепловой энергии. Для сравнения, в европейских странах при принятии решения о внедрении подобных проектов руководствуются расчетными величинами коэффициента не менее 3,0-3,5 единиц.

За счет механизмов и  подходов, рассмотренных в п.3, годовая  потребность в энергоресурсах на примере коттеджа снижается до 50 кВт-ч на 1м² отапливаемой площади (Табл.), вместо 90 - 120 кВт-ч/м² по традиционным вариантам теплоснабжения.

Проектные технико-экономические  показатели

системы энергообеспечения  коттеджа с отапливаемой площадью 390 м²

(на  примере участка строительства  в Ярославской обл.)

Наименование показателя	Единицы измерения	Величина  показателя для варианта системы
		Котел на  природном газе	Грунтовый тепловой  насос
Количество  проживающих	чел.	5	5
Расчетная температура  наружного воздуха	оС	-31	-31
Продолжительность отопительного сезона	сутки	221	221
Расчетная нагрузка теплоснабжения,		38,2	38,2
в т.ч. - горячего водоснабжения;		2,8	2,8
отопления,	кВт	35,4	35,4
в т.ч.- за счет теплогенерации: тепловой насос (ТН) + пиковый электродогрев (режим 45/30 оС)		24,2	24,2
- за счет  возвращаемого тепла вент. выбросов		11,2	11,2
Количество  скважинных теплообменников при  длине каждого 100 м	шт.	-	2
Теплопроизводительность,	МВт-ч/год (Гкал/год)	102,1 (87,8)	102,1 (87,8)
в т.ч. - на отопление: ТН + электродогрев + теплоутилизация  вент. выбросов		88,3	60,5 (ТН) + 27,8
- на горячее  водоснабжение		13,8	13,8
Холодопроизводительность (холод от скважин летом)	МВт-ч/год	-	12,8
Инвестиции,		42,5	45,0
в т.ч. - система  сбора тепла грунта		-	11,6
- ТН с принадлежностями		-	9,3
- газовый котлоагрегат		8,5	-
- баки-аккумуляторы с электродогревателями	тыс. EURO	3,7	3,7
- газопровод  к коттеджу		10,3	-
- распред. трубопроводы  с отопительными приборами		4,0	4,0
- агрегат приточно-вытяжной  вентиляции (АПВВ) с теплоутилизатором  (ТУ)		4,5	4,5
- СМР и пусконаладка (20% от стоимости оборудования)		6,2	6,5
- проектные  работы (12% от инвестиций)		5,3	5,4
Среднесезонные  коэффициенты:
- преобразования  в ТН (внутрипольное отопление)	-		3,9
- использования  первичной энергии (или КПД  котла)		(0,9)	1,2
Расходы на эксплуатацию в 2007/2010 г.,	EURO/год	788/1392	804/1182
в т.ч. - эл. энергия  при цене за 1 кВт-ч: 0,04/0,06 EURO		260/390	760/1130
- природ. газ  при цене 38/80 EURO за 1000 м3		408/858	-
- сервисное  обслуживание		120/144	44/52
Себестоимость производимой энергии	руб./Гкал	314/555	320/470
Экономия топлива  относительно газового котла без  установленного АПВВ с ТУ / с установкой	т у.т./год %	3,8 27	5,9 42/21
Снижение выбросов СО2 на 1 коттедж	т/год	5,7	9,0
Снижение себестоимости 1 Гкал, приведённой к варианту " тепло+холод от скважин"	%	-	35
Снижение срока  окупаемости относительно газового котла при ценах на энергоносители в 2010 г., по вариантам: " тепло + холод  от скважин" /" только тепло"	%	-	25/10