Теплонасосная система

Теплонасосные системы теплохладоснабжения (ТСТ) — системы инженерного обеспечения зданий и сооружений различного назначения, базирующиеся на применении теплонасосного оборудования и тепловых насосов.

Общие положения

В общем случае теплонасосная система теплохладоснабжения включает в себя четыре основных элемента:

• потребителя тепловой энергии (систему отопления, горячего водоснабжения и пр.);
• потребителя холода (систему кондиционирования, холодоснабжения и пр.);
• тепловой насос;
• систему сбора низкопотенциального тепла.

В наиболее распространенном варианте ТСТ, как правило, состоят из системы сбора низкопотенциального тепла, собственно тепловых насосов и традиционных источников тепловой энергии для покрытия пиковых нагрузок. В некоторых случаях применяются аккумуляторы тепловой энергии. Такие схемы, как правило, применяются для систем горячего водоснабжения с целью выравнивания суточной неравномерности потребления горячей воды.

Системы сбора низкопотенциального тепла представляют собой различные теплообменные аппараты, утилизирующие ВЭР и НВИЭ и включённые в единый с испарителями тепловых насосов контур, по которому циркулирует теплоноситель. Если по режимным параметрам температура в этом контуре может быть ниже 0°С, то в качестве теплоносителя используются антифризы, например, на основе водных растворов этиленгликоля. Система должна постоянно обеспечивать испарители тепловых насосов низкопотенциальной тепловой энергией. В связи с этим в системе целесообразно комбинировать различные виды низкопотенциальных источников теплоты.

Геотермальные ТСТ, использующие тепло поверхностных слоёв Земли

Анализ возможных областей применения в экономике России технологий, использующих нетрадиционные источники энергии, показывает, что в России наиболее перспективной областью их внедрения являются системы жизнеобеспечения зданий. При этом весьма эффективным направлением внедрения рассматриваемых технологий в практику отечественного строительства представляется широкое применение теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ), использующих в качестве повсеместно доступного источника тепла низкого потенциала грунт поверхностных слоев Земли.

В отличие от «прямого» использования высокопотенциального тепла (гидротермальные ресурсы), использование низкопотенциального тепла Земли посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно. В настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Низкопотенциальное тепло Земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений многими способами: для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, обогрева дорожек в зимнее время года, для предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п. В англоязычной технической литературе такие системы обозначаются как «GHP» — «geothermal heat pumps», геотермальные тепловые насосы.

Климатические характеристики стран Центральной и Северной Европы, которые вместе с США и Канадой являются главными районами использования низкопотенциального тепла Земли, определяют главным образом потребность в отоплении; охлаждение воздуха даже в летний период требуется относительно редко. Поэтому, в отличие от США, тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления. В США тепловые насосы чаще используются в системах воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, что позволяет как подогревать, так и охлаждать наружный воздух. В европейских странах тепловые насосы обычно применяются в системах водяного отопления. Поскольку эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35-40 оC).

Большинство тепловых насосов в Европе, предназначенных для использования низкопотенциального тепла Земли, оборудовано компрессорами с электрическим приводом.

При эксплуатации грунтового теплообменника может возникнуть ситуация, когда за время отопительного сезона температура грунта вблизи грунтового теплообменника понижается, а в летний период грунт не успевает прогреться до начальной температуры — происходит понижение его температурного потенциала. Потребление энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает еще большее понижение температуры грунта, и его температурный потенциал еще больше снижается. Это заставляет при проектировании систем использования низкопотенциального тепла Земли рассматривать проблему «устойчивости» (sustainability) таких систем. Часто энергетические ресурсы для снижения периода окупаемости оборудования эксплуатируются очень интенсивно, что может привести к их быстрому истощению. Поэтому необходимо поддерживать такой уровень производства энергии, который бы позволил эксплуатировать источник энергетических ресурсов длительное время. Эта способность систем поддерживать требуемый уровень производства тепловой энергии длительное время называется «устойчивостью» (sustainability). Для систем использования низкопотенциального тепла Земли дано следующее определение устойчивости :

«Для каждой системы использования низкопотенциального тепла Земли и для каждого режима работы этой системы существует некоторый максимальный уровень производства энергии; производство энергии ниже этого уровня можно поддерживать длительное время (100—300 лет)».

Проведенные в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» исследования показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее снижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал еще больше отличается от естественного. И так далее. Однако огибающие теплового влияния многолетней эксплуатации системы теплосбора на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, то есть, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры. Таким образом, при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения представляется необходимым учет падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров температур грунтового массива, ожидаемых на 5-й год эксплуатации ТСТ

Практическе замечания по проектированию ТСТ

При проектировании зданий и сооружений с применением энергосберегающих технологий, в том числе с применением тепловых насосов, использующих теплоту вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и нетрадиционных источников энергии (НВИЭ), необходимо рассматривать объект как единое целое. На ранних стадиях проектирования необходимо добиваться согласованности технических решений по архитектуре, конструкции и инженерным системам с целью выбора оптимальных схем внедрения энергосберегающих технологий, обеспечивающих минимальные сроки окупаемости дополнительных капитальных затрат.

Теплонасосные системы теплоснабжения проектируются для каждого конкретного объекта в зависимости от энергетических нагрузок, почвенно-климатических условий района строительства и стоимости энергоносителей. Использование теплоты окружающего воздуха и солнечной энергии в качестве единственных источников низкопотенциальной теплоты малоэффективно, но в сочетании с другими, более стабильными, источниками (например, теплотой грунта) вполне возможно.

Грунт в районе Москвы характеризуется расположением на глубинах 50 ÷ 60 м известняков, что ограничивает глубину бурения термоскважин. На глубинах утилизации теплоты (от 5 до 50 м), как правило, расположены пески, суглинки, глины. Водонасыщенность нормальная. Эти грунты позволяют утилизировать теплоту грунта. Однако при проектировании конкретных объектов необходимо проанализировать более подробные геологические данные по участку застройки и, при необходимости (как правило, для крупных объектов), произвести разведочное бурение.

Решение об использовании энергосберегающих теплонасосных систем целесообразно принимать на стадии разработки и утверждения задания на проектирование.

Предпосылками для применения таких систем могут служить следующие обстоятельства:

• удалённость от систем централизованного теплоснабжения;
• ограничение в использовании электроэнергии для прямого нагрева при теплоснабжении;
• наличие вторичных энергетических ресурсов (вентиляционных выбросов, сбросной теплоты технологических процессов, серых канализационных стоков и т. п.);
• наличие холодильной нагрузки;
• относительно низкий температурный потенциал тепловых нагрузок (напольное отопление, вентиляция, подогрев воды в бассейнах и т. п.)
• большой объём требований технических условий на подключение к внешним источникам теплоснабжения.

Этапы проектирования обязательно должны содержать стадию ТЭО.

На этой стадии наряду с архитектурой должны быть достаточно глубоко проработаны инженерные разделы, согласованы различные инженерные системы между собой и с теплонасосной системой теплоснабжения в части использования вторичных энергетических ресурсов и покрытия различных тепловых нагрузок с учётом графиков их изменения во времени.

ТСТ, как правило, состоят из системы сбора низкопотенциального тепла, собственно тепловых насосов и традиционных источников тепловой энергии для покрытия пиковых нагрузок. В некоторых случаях применяются аккумуляторы тепловой энергии. Такие схемы, как правило, применяются для систем горячего водоснабжения с целью выравнивания суточной неравномерности потребления горячей воды.

Системы сбора низкопотенциального тепла представляют собой различные теплообменные аппараты, утилизирующие ВЭР и НВИЭ и включённые в единый с испарителями тепловых насосов контур, по которому циркулирует теплоноситель. Если по режимным параметрам температура в этом контуре может быть ниже 0°С, то в качестве теплоносителя используются антифризы, например, на основе водных растворов этиленгликоля. Система должна постоянно обеспечивать испарители тепловых насосов низкопотенциальной тепловой энергией. В связи с этим в системе целесообразно комбинировать различные виды низкопотенциальных источников теплоты.

Тепловые насосы, как наиболее дорогое оборудование, подбираются по мощности на величину базовых нагрузок по графику их изменения. Это обеспечивает максимальное использование тепловых насосов и более стабильный режим их работы. Для обеспечения надёжности работы системы в схеме предусматривается несколько агрегатов, за исключением случаев, когда надёжность агрегатов обеспечивается их внутренним устройством.

В качестве дополнительных традиционных источников тепловой энергии, предназначенных для покрытия пиковых нагрузок, целесообразно применять нагреватели, легко поддающиеся автоматизации работы, например, электрические или газовые. Нагреватели могут устанавливаться по отношению к тепловым насосам как параллельно (со смешиванием потоков теплоносителя), так и последовательно (догревание теплоносителя).

На стадии ТЭО необходимо рассмотреть комплекс традиционных мероприятий по энергосбережению: • рациональные архитектурно-планировочные решения по конфигурации зданий и сооружений и расположению их на местности; • применение энергосберегающих ограждающих конструкций; • использование энергосберегающей системы вентиляции, в том числе с возможностью рекуперативного подогрева приточного воздуха вытяжным; • создание рациональной системы отопления с применением автоматизированных узлов управления и учёта тепловой энергии; • установка экономичных устройств водоразбора в системе горячего водоснабжения с применением регуляторов давления; • применение энергоэкономичных светильников и других электроприборов, устройств частотного регулирования электрических машин и т. п. Целесообразно рассмотреть 2−3 варианта схем ТСТ для выбора наиболее оптимального решения. Принципиальные схемы ТСТ выбираются на основе тепловых и технико-экономических расчётов.

Согласно действующим нормативным документам (например, СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», п.п. 6.13 и 8.2, МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях, нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению», п. 4.2.4) применение новых технологий теплоснабжения (в том числе с применением тепловых насосов), связанных, как правило, со значительными капитальными вложениями, требует предварительного технико-экономического обоснования. На стадии разработки ТЭО для объектов с теплонасосными системами теплоснабжения должны быть проработаны следующие вопросы: • определены основные архитектурно-планировочные решения; • определены расчетные тепловые, холодильные и электрические нагрузки объекта с учётом всех внутренних бытовых и технологических тепловыделений; • рассмотрены возможные мероприятия по снижению энергетических нагрузок традиционными способами; • определена структура потребления энергии (тепловой и электрической); • определены суточные и годовые графики потребления тепловой и электрической энергии; • проработана схема традиционного (централизованного или автономного) теплоснабжения и определены затраты на её создание (с учётом выполнения требований выставленных технических условий); • определен энергетический потенциал вторичных энергетических ресурсов объекта (мощность и график их поступления); • определён энергетический потенциал доступных нетрадиционных возобновляемых источников энергии и потребная мощность для покрытия тепловых нагрузок здания; • выбрана принципиальная схема системы энергоснабжения с помощью тепловых насосов и выполнена предварительная проектная проработка; • рассчитаны капитальные затраты, связанные с созданием ТСТ, с учётом технических условий на подключение к внешним энергетическим источникам; • рассчитаны годовые эксплуатационные затраты по традиционному варианту теплоснабжения и варианту с тепловыми насосами; • рассчитан срок окупаемости ТСТ.

В случае если срок окупаемости приемлем и к реализации принят вариант ТСТ, следующие этапы проектирования выполняются в соответствии с существующими нормами с обязательным расчётным обоснованием выбора структуры и технических характеристик применяемого оборудования.