Тепловые насосы. Схемные решения, примеры применения тепловых насосов

Содержание страницы

1. Отопление и горячее водоснабжение (ГВС) малоэтажных частных домов

1.1. Схемы применения тепловых насосов (ТН) в малоэтажных частных домах

И в мировой, и в российской практике теплонасосных установок (ТНУ) находят наибольшее применение в жилищно-коммунальном комплексе преимущественно для отопления и горячего водоснабжения.

Внедрение теплоснабжения на базе ТНУ необходимо, в первую очередь, в негазифицированных населенных пунктах для исключения применения электрокотельных. Применение ТНУ в системах автономного теплоснабжения перспективно практически на всей территории России, но необходимо понимать, выработка тепла осуществляется со значительным потреблением электроэнергии, хотя и в разы меньшим, чем при прямом электроотоплении.

Отдельным направлением может стать применение ТНУ в районах завоза дизельного топлива, где оно может использоваться на привод компрессора ТНУ. Кроме того, теплонасосные системы обеспечивают также и хладоснабжение, это является дополнительным преимуществом.

Тепловой насос (ТН) как источник тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения (ГВС) небольших частных домов могут применяться не только как более дешевая альтернатива электроотоплению, но иногда обосновывается причинами экологического характера (отсутствие выбросов в месте установки). Кроме того, применение ТН не требует переделки внутренней водяной системы отопления.

Схемы теплоснабжения с тепловым насосом, применяемые для теплоснабжения домов, можно разделить с точки зрения включения пикового подогревателя на последовательные и параллельные.

При последовательной схеме вода, нагретая тепловым насосом – при температурах наружного воздуха, при которых ее температуры достаточно для покрытия нагрузки — поступает в радиаторы. При более холодной погоде включается пиковый источник. При параллельной схеме с пиковым электрообогревателем вода, нагретая тепловым насосом, подается в радиаторы на протяжении всего отопительного периода, а, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в отапливаемых помещениях требуется генерация недостающего тепла. В качестве его источника может быть использован газовый котел, котел на жидком топливе, электрокотел, нагреватель конвективного или инфракрасного типа, что также влечет дополнительные затраты.

Высокую энергетическую эффективность обеспечивает комбинирование теплового насоса с системой отопления «Теплый пол». В такой системе тепловой насос работает на протяжении всего отопительного периода. Однако в ней, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в помещениях требуется дополнительная генерация тепла. согласно сНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» средняя температура для полов помещений с постоянным пребыванием людей не должна превышать 26ºс.

Низкотемпературная система отопления «теплый пол» позволяет получить тепловой поток 50-150 Вт/м2, при температуре теплоносителя 35-55 ºс. При этом имеют место ограничения, накладываемые на элементы интерьера: есть требования к толщине и теплопроводности напольного покрытия, не допускается применение ковровых покрытий; необходима дистанция между стенами и границей укладки труб; требуется план расстановки мебели, изменение которого в дальнейшем не желательно. В общем случае максимальная площадь укладки «теплого пола» составляет 60-70% отапливаемой площади.

Кроме компрессионных тепловых насосов, уже нашедших широкое применение в теплоснабжении, возможно использование тепловых насосов абсорбционного типа, в которых функцию компрессора на электрическом приводе выполняет т.н. «тепловой компрессор», работающий за счет сжигания топлива. В последнее время производители тепловых насосов малой мощности готовят к выпуску модели абсорбционных, а также адсорбционных тепловых насосов на базе микропористого алюмосиликатного минерала «цеолит». Они имеют более высокие капитальные вложения.

Преимуществом абсорбционных и адсорбционных тепловых насосов является то, что они могут работать на более дешевой, по сравнению с электрической, энергии сжигания топлива. В тепловых насосах этого типа отсутствует электрический компрессор, электрическая мощность требуется лишь для циркуляции теплоносителя в отопительной системе и системе сбора низкопотенциального тепла. Абсорбционные и адсорбционные тепловые насосы требуют меньшей холодопроизводительности, чем компрессионные — это позволяет использовать менее глубокие скважины, что дает экономию на дорогостоящих работах по бурению.

Если сравнивать ТНУ с различными системами использования низкопотенциального тепла, то можно отметить следующее.

Наиболее распространенный – воздушный ТН. Наглядный пример – огромное количество кондиционеров с функцией обогрева помещения, такой тип очень распространен на территориях с теплым климатом (в т.ч. в сшА и европе). Монтаж не требует рытья траншей, бурения скважин для укладки первичного контура, трубопроводов и насосов. стоимость ТНУ и работ по монтажу и устройству внутренних систем не высока. Внутренние системы для ТНУ «воздух-воздух» наиболее просты: наружный блок соединяется фреонопроводами непосредственно с внутренними блоками. Это распространенное решение для местных систем охлаждения отдельных помещений – квартир и офисов, оно же реализуется и для зданий, включая и режим отопления. Для водяной системы отопления потребуются теплообменник нагрева воды.

При проектировании системы отопления на основе ТНУ необходимо учесть реальные параметры теплоносителя, а при уже реализованной системе отопления потребуется проверка ее работы при параметрах ТНУ и возможная модернизация. Для южных районов ТНУ «воздух-воздух» могут обеспечить экономичный вариант как отопления зимой, так и охлаждения летом. Некоторые современные ТНУ работают при температурах вплоть до минус 25 °С и ниже, но с определенным снижением эффективности. Требуются экономические расчеты, и может быть рекомендовано применение дополнительного источника тепла для пиковых нагрузок (бивалентная схема).

Для средней полосы применение дополнительного источника тепла для пиковых нагрузок рекомендуется как по экономическим показателям (выбор ТНУ производится не на максимальную нагрузку, а на несколько меньшую, с учетом работы дополнительного теплоисточника), так и для обеспечения надежности теплоснабжения.

Для домов с круглогодичным использованием в центральном регионе России может быть эффективнее применение геотермальных ТНУ, использующих в качестве первичного источника тепла землю или воду. если есть большой земельный участок, то возможна укладка в землю горизонтального коллектора, если места мало – нужны скважины и термозонды. Возможна укладка коллектора на дно близлежащего к дому водоема. Все вышеперечисленные варианты относятся к типу закрытых систем. В таких системах внешние первичные источники тепла не используются во внутренних контурах системы. стоимость системы с геотермальными ТНУ складывается из стоимости собственно ТНУ «вода-вода», оборудования системы отопления (теплые полы/радиаторы/фанкойлы) и системы сбора низкопотенциального тепла (скважины или горизонтальный коллектор).

Теоретически возможен открытый вариант типа «вода – вода», без зондов и коллектора, с забором воды из водоема, прокачивания через теплообменник ТНУ и сброса в тот же водоем. Необходимы расчеты по затратам на трубопроводы, насосы, теплообменники, электроэнергию – для конкретных условий с учетом взаимного расположения водоема и здания. Близким вариантом является размещение в водоеме теплообменника.

1.2. Ограничения внедрения ТНУ

Несмотря на целый ряд привлекательных факторов, использование ТНУ для автономного отопления и горячего водоснабжения объектов малоэтажной застройки по сравнению с традиционными системами автономного теплоснабжения (индивидуальными газовыми и электрическими котлами) ТНУ имеют ряд ограничений, для преодоления которых требуются определенные условия, а зачастую и дополнительные капитальные затраты.

Основными ограничениями внедрения тепловых насосов применительно к сектору индивидуального жилья, но не ограничиваясь им, являются следующие.

  1. Высокие удельные капитальные вложения. Рынок теплонасосной техники в России в основном представлен ТН зарубежного производства (Германия, Австрия, сшА), и они достаточно дороги. Кроме стоимости основного оборудования, его монтажа и наладки, для наиболее распространенных в области теплоснабжения грунтовых ТНУ требуются буровые работы на глубине 50-100 м, которые также являются дорогостоящими. Более экономичным решением являются ТНУ с горизонтальным коллектором, но оно требует свободного земельного участка значительной площади, выбывающего из хозяйственного оборота.
  2. Ограничения по температуре на выходе из теплового насоса. Максимальная температура, которую может обеспечить греющий контур геотермальных тепловых насосов, как правило, составляет 55 °С, у отдельных моделей — 60-65 °С. Для того, чтобы тепловой насос мог работать в течение всего отопительного периода и максимально реализовать свой энергосберегающий потенциал, необходимо использование низкотемпературных систем отопления – системы отопления с максимальными температурами в прямой и обратной линиях не выше 70 и 50 °С соответственно. Однако для низкотемпературных систем требуется увеличенная площадь отопительных приборов по сравнению с традиционными системами отопления, рассчитанными на температурный график 95/70 °С. Это влечет дополнительные затраты.
  3. Неоднородность теплового потенциала грунта в региональном разрезе. Потенциал грунта как источника тепла для южных регионов существенно выше, чем для северных. Так, температура грунта на глубине 50-100 м в условиях Пятигорска составляет 15-16 ºс, для Москвы 10-11 ºс, а для Архангельска 4-5 ºс. Чем выше температура грунта, тем выше коэффициент трансформации, тем меньше электроэнергии тратит тепловой насос на выработку одного и того же количества тепла. Отметим, что экономическая эффективность применения тепловых насосов на цели теплоснабжения существенно зависит от климатических условий региона в целом, причем факторы, влияющие на эффективность использования тепловых насосов, имеют разную направленность.

Тепловой потенциал грунта и, соответственно, коэффициент трансформации растет с севера на юг, но продолжительность отопительного периода и число часов использования ТНУ, а значит и реализация их энергосберегающего потенциала, с севера на юг уменьшается.

Утилизация теплоты грунтового массива связана и с технологическими трудностями. В случае размещения в грунтовом массиве вертикальных или горизонтальных теплообменников из-за сравнительно низких теплофизических свойств грунта приходится значительно развивать теплообменные поверхности, что приводит к высоким капитальным затратам (до 40 % от стоимости всей теплонасосной системы теплоснабжения). При утилизация теплоты грунта через грунтовые воды технические решения зависят от гидрогеологической обстановки района застройки. По этой причине в каждом конкретном объекте окончательное техническое решение принимается на основе инженерных изысканий.

  1. Учет фактора охлаждения грунта при эксплуатации ТНУ. Потребление тепловой энергии к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. На севере этот фактор выражен сильнее, чем на юге. Потребление тепловой энергии в течение каждого последующего отопительного сезона вызывает дальнейшее охлаждение грунта (этот процесс описан в разделах выше). снижение температуры грунта имеет экспоненциальный характер, и примерно через пять лет эксплуатации его температура выходит на квазистационарный уровень, пониженный относительно естественного на 1-2 и более. При проектировании систем теплоснабжения необходим учет такого охлаждения грунта, что делает ее еще более затратной.

1.3. Примеры внедрения

Примеры внедрения ТНУ для индивидуальной застройки подтверждают необходимость преодоления названных выше противоречий и позволяют сделать ряд выводов.

Обобщающий опыт внедрения первых в России грунтовых ТНУ в Ярославской области показал, что для перехода на низкотемпературный вариант отопления надо проводить мероприятия по повышению теплозащиты зданий до экономически целесообразного уровня, не более, чем в 1,5-2,0 раза, соответственно снижая их удельную годовую потребность в энергоресурсах (на примере коттеджа) до 50 кВтч на 1 м2 отапливаемой площади, вместо 90–120 кВтч/м2 по традиционным вариантам теплоснабжения.

Таблица 1. Проектные технико-экономические показатели системы энергообеспечения коттеджа с отапливаемой площадью 390 м2 (на примере участка строительства в Ярославской области)

Наименование показателя Единицы измерения 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, в т.ч. кВт 38,2 38,2
– горячего водоснабжения; 2,8 2,8
– отопления, в т.ч. за счет 35,4 35,4
– теплогенерации: ТН+пиковый электродогрев (45/30ос) 24,2 24,2
– возвращаемого тепла вентвыбросов 11,2 11,2
Количество скважинных теплообменников, каждый 100 м шт. 2
Теплопроизводительность, в т.ч. МВт-ч/год (Гкал/год) 102,1 (87,8) 102,1 (87,8)
– на отопление: ТН+электродогрев+утилизация вентвыбросов 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, тыс. EURO 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 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)
  • использования первичной энергии (или КПД котла)
(0,9) 3,9

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

– природ. газ при цене 38/80 EURO за 1000 м3

260/390

408/858

760/1130

– 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 5,9
27 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

С позиции надежности грунтовой системы теплосбора и увеличения срока её службы, за счет предотвращения длительного промерзания и недопустимого уровня температурных деформаций петель скважинного теплообменника (СТО), как показала практика, рекомендуется снижение нагрузки на грунт путем применения дополнительных энергоисточников, например, техногенного происхождения, в частности, тепловых выбросов от устанавливаемого в коттедже агрегата приточновытяжной вентиляции (АПВВ).

Для этого АПВВ оборудуется теплоутилизатором в линии удаляемого воздуха, и тогда схема энергообеспечения представляет собой сочетание воздушного и водяного отопления. Как показывают расчеты, в этом случае затраты на вентиляционный контур и оборудование для использования тепла вентиляционных выбросов примерно равны затратам на дополнительный СТО длиной 100 м, который бы потребовался по варианту использования только тепла грунта.

Для улучшения экономических показателей рекомендуется в летний период использовать холод, аккумулированный в СТО за отопительный сезон при извлечении тепла грунта, на прямое охлаждение помещений от скважин, без кондиционеров, затрачивающих на производство холода электроэнергию. В этом случае сетью охлаждения может служить та же внутрипольная распределительная система трубок, что и для отопления.

Предложенная с учетом этого фактора технологическая схема энергообеспечения показана условно на рисунке 1.

схема тепло- и холодоснабжения от теплообменников в мелких скважинах

Рис. 1. Технологическая схема тепло- и холодоснабжения от теплообменников в мелких скважинах

Приведенные на схеме два варианта охлаждения, напрямую от скважин и через реверсивный ТН, переключаемый в теплый период года в режим холодильной машины, могут в комплексе обеспечить необходимую охлаждающую нагрузку, включая самые жаркие регионы. Однако, как показал опыт, применительно к регионам с умеренным климатом можно ограничиться низким уровнем охлаждения (через скважины), с учетом того обстоятельства, что полученная в практике использования СТО температура в охлаждаемых жилых помещениях — около 14 °С является достаточно комфортной (вместо 6 °С – ТН в режиме холодильника, режим 2 на второй части рисунка).

Принимая во внимание, что при этом не потребуются дополнительные затраты электроэнергии на привод ТН для охлаждения помещений в климатических условиях средней полосы России, в т.ч. в Ярославской области, при внедрении грунтовых ТНУ рекомендуется режим охлаждения 1 на рисунке 16.

В малоэтажных жилых зданиях, расположенных в пригородах Вены (Австрия), теплонасосная система была применена в целях снижения общей стоимости проектов теплоснабжения зданий: более высокие капитальные затраты окупаются за счет снижения эксплуатационных расходов. В качестве источника низкопотенциальной теплоты используется наружный воздух. В каждой квартире в техническом помещении установлен один тепловой насос с емкостным накопителем объемом 295 л. В системе отопления используется низкотемпературный теплый пол. Рядом со зданием установлены теплообменники «воздух – жидкость» (также по одному на каждую квартиру).

Тепловой насос обеспечивает отопление и горячее водоснабжение. В тепловой насос интегрирован электрический водонагреватель мощностью 6 кВт. В нормальном режиме эксплуатации он не используется. В климатических условиях пригорода Вены теплонасосная система работает достаточно эффективно: коэффициент преобразования в этом случае равен примерно 4.

В ряде зданий для приготовления горячей воды предусмотрены солнечные водогрейные коллекторы, а некоторые из зданий оборудованы, помимо этих коллекторов, фотоэлектрическими панелями для выработки электрической энергии.

Итак, мы видим, что опыт эксплуатации таких систем показывает, что наибольшие преимущества тепловые насосы демонстрируют в случае, когда они работают в составе комплексной системы теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования. Пример расчета теплового насоса для индивидуального малоэтажного дома приведен в приложении.

Учитывая темпы малоэтажного строительства в субъектах Федерации, прогнозы роста тарифов на электроэнергию и газ и прогнозируемый темп инфляции от Минэкономразвития России, можно оценить спрос на установку тепловых насосов на цели теплоснабжения жилых зданий. По оценкам экспертов, на перспективу до 2030 г. в стране в целом может быть востребовано порядка 3,4-4,4 ГВт теплонасосной мощности, что составляет 9-11 % от вводимой тепловой мощности малоэтажной застройки. Их установка позволит экономить топливо в количестве около 3,8 млн т у. т. в год.

2. Тепло- и холодоснабжение общественных, офисных и промышленных зданий

Проект отопления школы в д. Филиппово Ярославской области на базе ТНУ был реализован в 1998 г. Первоначально планировалось теплоснабжение от угольной котельной, однако доставка угля от ближайшей железнодорожной станции (38 км) оказалась затруднительной.

В связи с этим было решено перевести теплоснабжение на электрические котлы, однако сельские электрические сети не имели возможности выделить более 100 кВт, что было недостаточно. Выходом из положения стало применение тепловых насосов, использующих низкопотенциальную теплоту грунта.

Отапливаемая площадь здания – 2000 м2, тепловая нагрузка отопления и горячего водоснабжения – 130 кВт. Тепловая мощность тепловых насосов (8 шт.) отечественного производства – 80 кВт. система сбора теплоты грунта – 8 вертикальных теплообменников глубиной по 35 м. суммарная электрическая мощность установленного оборудования с учетом электрических доводчиков 76 кВт, что на 42 % меньше, чем в случае применения электрокотлов.

В 2004 г. при реконструкции ранее неотапливаемого склада таможенного терминала в Московской области был применен тепловой насос, работающий как в режиме отопления, так и охлаждения. Объем помещения 6000 м3. В помещении круглогодично поддерживается температура +5 — +10 °С. Нагрузка отопления – 91 кВт, кондиционирования – 55 кВт. Применен один тепловой насос (зарубежного производства) тепловой мощностью 76 кВт, пять вертикальных грунтовых теплообменников глубиной по 50 м.

В качестве еще одного наглядного примера возьмем многофункциональное, преимущественно офисное здание, расположенное недалеко от Московской кольцевой автодороги. Несмотря на имеющуюся возможность подключения к газовым сетям, заказчик посчитал, что это ему экономически невыгодно. Было принято решение делать автономное теплоснабжение всего здания на тепловых насосах.

В результате были использованы различные интересные с инженерной точки зрения решения. В частности, в здании практически отсутствуют отопительные приборы. Вместо этого используется система поверхностного отопления и охлаждения. В полу, стенах и потолке проложены змеевики, по которым движется теплоноситель. Температура теплоносителя в таких системах может быть снижена, и, как следствие, эффективность тепловых насосов увеличивается.

В теплонасосной системе использовались грунтовые теплообменники: двойные U-образные трубы диаметром 32 мм при толщине стенки 3 мм. Материал труб – полиэтилен низкого давления. Общая протяженность теплообменников 33 000 м.

Вследствие извлечения тепла из грунта происходит понижение его температуры. если температура грунта к началу нового отопительного сезона не успевает восстановиться, то к следующей зиме грунт имеет температуру ниже естественной. Такая тенденция к понижению температуры грунта будет сохраняться в течение всего срока эксплуатации системы, хотя после 5 лет работы дальнейшее понижение температуры грунта становится практически незаметным: грунт выходит на новый температурный режим.

Как известно, изменение температуры грунта сказывается на работе грунтовых теплообменников и теплонасосной системы в целом, и если система была спроектирована неправильно, без учета описанного эффекта, то результатом такой ошибки может стать недостаток мощности теплонасосного оборудования по причине изменения режима его работы. Более того, поскольку скважин для грунтовых теплообменников требовалось большое количество (более 300) на довольно ограниченной площади, необходимо было выяснить их взаимное тепловое влияние. Этот фактор также очень важен.

Грунтовые теплообменники, расположенные в центре поля, окружены другими теплообменниками, поэтому приток тепла из грунта к ним происходит только снизу, тогда как к расположенным по краям поля теплообменникам тепло поступает и в горизонтальном направлении. В результате эффективность центральных теплообменников оказывается ниже, чем тех, что расположены по периметру, а периметральных, в свою очередь, ниже, чем она могла бы быть, если бы теплообменник был только один. Игнорирование взаимного влияния ведет к тем же последствиям — снижению эффективности системы.

Для восстановления температуры грунта, а также с целью снижения затрат энергии на кондиционирование в данном проекте было предложено использовать пассивное холодоснабжение в теплый период года. Поскольку в здании используется архитектурное решение, представляющее собой панорамное остекление, то даже в климатических условиях Московской области нагрузка на охлаждение превысила нагрузку на теплоснабжение (2 170 и 1 535 кВт соответственно). Поскольку есть большое поле скважин, в которых за зимний период накапливается холод, возникает мысль использовать его в летний период для охлаждения помещений – причем в данном случае холод получается практически бесплатным.

Таким образом, одна и та же система в зимний период отапливает помещения, а в летний период охлаждает. Более того, получается двойной положительный эффект: одновременно обеспечивается охлаждение помещений здания и восстанавливается температурный потенциал грунта, чтобы к очередному отопительному сезону он пришел не остывшим, а даже, возможно, несколько подогретым относительно природного уровня.

3. Кольцевые системы с ТНУ

Одним из наиболее эффективных схемных решений, обеспечивающим одновременное решение ряда проблемных вопросов применения ТНУ, является использование кольцевых систем.

К таким проблемным вопросам относятся:

  • Затраты на подвод или отвод из цикла ТНУ низкопотенциального тепла (например, создание геотермального контура).
  • Необходимость обеспечения переменных нагрузок – максимальная нагрузка отопления на 50-100 % выше среднесезонной, а максимальная нагрузка ГВс – в 2-5 раз выше среднесуточной.
  • Несовпадение графика требуемых нагрузок и возможностей подвода или отвода из цикла ТНУ – для систем кондиционирования требуется холод в дневные солнечные часы, когда возможности наружных блоков кондиционеров минимальны.

Наглядным примером решения данных вопросов для одного здания и применения кольцевых систем является здание «Ирис Конгресс отеля» в Москве. Гостиница (см.рис. 2) была построена в 1991 г. как часть расположенной рядом клиники академика с.Н.Федорова по проекту французской фирмы, с поставкой западного оборудования. В начале 90-х гг. здание не эксплуатировалось, после чего инженерные системы пришлось восстанавливать. Тепловые насосы оказались очень надежным оборудованием — почти всем из трехсот удалось вернуть жизнь и сейчас схема функционирует практически в изначальном виде.

Гостиница ИРИс в Москве

Рис. 2. Гостиница ИРИс в Москве

«Ирис Конгресс Отель» (после недавней реконструкции отель перейдет в состав международной отельной сети «Холидей инн») расположен на самом севере столицы, недалеко от международного аэропорта «шереметьево». Это восьмиэтажное здание, в котором 195 номеров, два ресторана, бар, фитнес-центр с тренажерным залом, бассейном и саунами, бизнес-центр, 10 залов для конференций и банкетов. система теплохладоснабжения отеля построена следующим образом. В каждом из помещений, где предусматривается кондиционирование воздуха, или рядом с ним, устанавливается тепловой насос, мощность которого подбирается в соответствии с параметрами помещения, его назначением, характеристиками необходимой приточно-вытяжной вентиляции, возможным количеством присутствующих людей, установленным в нем оборудованием и другими факторами.

Все тепловые насосы реверсивные, т.е. предназначены и для охлаждения, и для нагрева воздуха. Все они связаны общим водяным контуром – трубами, в которых циркулирует вода. Вода является одновременно источником и приемником теплоты для всех тепловых насосов. Температура в контуре может изменяться в пределах от 18 до 32 °С.

Работа ТНУ в составе кольцевой схемы

Рис. 3. Работа ТНУ в составе кольцевой схемы

В зависимости от нагрузки (назначения помещения, количества присутствующих в данный момент людей, работающего оборудования, времени года, времени суток) в разных помещениях может требоваться либо нагрев, либо охлаждение воздуха. соответственно, водяной контур отдает или получает тепловую энергию от локальных установок.

Если количество тепловых насосов, работающих в режиме нагрева воздуха, равно количеству тепловых насосов, работающих в режиме охлаждения, то система не требует поступления теплоты извне или удаления теплоты наружу, и затраты энергии заключаются лишь в работе циркуляционного насоса водяного контура и в работе приводов тепловых насосов. Так происходит в основном в переходные периоды (весна, осень).

Зимой число тепловых насосов, работающих в режиме нагрева воздуха, возрастает, и больше теплоты забирается из водяного контура. В этом случае требуется ее восполнение, для чего к контуру подключен дополнительный нагреватель. Для подогрева воды подойдет любой источник теплоты: водогрейный котел, теплоноситель теплосети (причем не потребуется мощного устройства, т.к. компенсируется только временный дефицит тепла).

Работа ТНУ в составе кольцевой схемы

Рис. 4. Работа ТНУ в составе кольцевой схемы

Кольцевой контур и городские системы водо- и теплоснабжения

Рис. 5. Кольцевой контур и городские системы водо- и теплоснабжения: 1 – градирня, 2 – ТНУ «вода-воздух» в помещениях, 3 – система ХВс здания, 4 – система ГВс здания, 5 – ТНУ «вода-вода» для системы ГВс, 6 – городской водопровод, 7 – циркуляционный насос водяного контура, 8 – тепловой пункт здания, 9 – первый этаж – помещения общего назначения, 10 – городская теплосеть, 11 – солнечная сторона, 12 – теневая сторона.

Летом, наоборот, в системе возрастает число тепловых насосов, охлаждающих воздух, и большее количество теплоты поступает в водяной контур. Чтобы температура воды не превысила установленный предел, ее необходимо охлаждать — подойдет градирня любого типа, а при потребности в ГВС и использовании для этого теплового насоса вода-воздух также потребуется только компенсация небаланса. сама кольцевая водяная система является аккумулятором, т.к. позволяет в рамках рекомендуемого диапазона температур обеспечивать переменные нагрузки. В состав водяного контура может входить также дополнительный низкотемпературный бак-накопитель. Увеличенный объема бака снижает требуемые мощности как градирни, так и дополнительного нагревателя.

В баке могут быть размещены электрические тэны, что экономит пространство, а их использование будет экономичным при наличии ночного тарифа. Трубы водяного контура кольцевых теплонасосных систем, проходящие внутри зданий, не нуждаются в теплоизоляции.

В такой системе автоматически реализуется эффект пофасадного регулирования, т.к. весной и осенью в солнечные дни часто возникает ситуация, когда солнечная сторона здания значительно прогревается, и в помещениях этой стороны требуется охлаждение воздуха, а с теневой стороны здания помещения необходимо обогревать.

При работе теплового насоса кольцевой системы происходит перенос теплоты из помещений фасада, перегретых солнцем, в помещения теневой стороны. В эти же периоды дневная температура наружного воздуха может значительно превосходить ночную температуру. В этом случае в течение дня в водяном контуре кольцевых теплонасосных систем происходит накопление теплоты, которая затем может быть потрачена в ночное время.

Эффективность работы системы определяется возможностью поддержания теплового баланса за счет различия режимов работы ТНУ. Идеальный вариант – отсутствие потребления тепла от внешнего источника и необходимости отведения тепла в окружающую среду (т.е. работы градирни). На практике для условий средней полосы подогрев контура может потребоваться зимой, при стабильно низких температурах наружного воздуха, при этом необходимо отметить, что для поддержания температуры воды в контуре на уровне 15-30 °С наиболее экономичным является использование обратной воды из теплосети, с дополнительным охлаждением ее на 5-15 °С. стоит отметить, что кольцевые системы – наиболее активно применяемый вариант использования ТНУ многофункциональных зданий (в США — свыше 80 % от общего числа при новом строительстве и реконструкции). сравнение стоимости различных систем показано на рис.6.

сравнение стоимости различных климатических систем

Рис. 6. Сравнение стоимости различных климатических систем

Преимущества данной схемы повышаются пропорционально масштабированию системы, т.к. растет ее аккумулирующая способность и снижается необходимость пиковых источников, а объединение разнотипных потребителей выравнивает графики потребления.

Так, в конкурсе EHPA описан вариант кольцевой системы с каналом общей длиной 4,5 км для группы зданий промышленной зоны города Гилзе, Нидерланды. Источником низопотенциального тепла служат грунтовые воды, имеющие постоянную температуру 10 °С, т.е. прохладные летом и относительно теплые зимой. Реализован кольцевой канал общей длиной 4,5 км, соединенный с дополнительными хранилищами тепла и холода, расположенными на глубине до 80 м. В каждом здании находится теплообменник ТНУ, соединенный с системой.

Другим вариантом применения кольцевой схемы может быть ее использование в существующих зданиях для повышения комфортности. сегодня в домах даже класса «бизнес» в ряде случаев не только не устанавливается система центрального кондиционирования, но и не предусмотрена в проектах возможность установки сплит-систем без нарушения существующих строительных конструкций.

В результате здания хаотично обрастают десятками и сотнями внешних блоков сплит-систем. Это портит фасад, является экономически невыгодным, а порой и небезопасным. Были предложения на стадии проектирования закладывать прокладку кольцевого контура для тепловых насосов, что не требует больших затрат и не приводит к удорожанию квадратного метра новостройки. В дальнейшем, если жители желают иметь у себя в квартире цивилизованное кондиционирование и воздушное отопление, они самостоятельно делают выбор и покупают (или арендуют) необходимое количество тепловых насосов, которые необходимо только подключить к уже проложенным коммуникациям, и система начинает работать. Такой подход может стать решением проблемы изуродованных сплит-системами фасадов.

Собственно система отопления, особенно при независимом подключении к теплосети, уже является кольцевым водяным контуром. И для установки в квартире ТНУ «воздух-вода» требуется всего два технических действия и одно организационное:

  1. Подключить ТН к системе отопления по водяному контуру.
  2. Обеспечить в летнее время циркуляцию теплоносителя в системе отопления.
  3. Оформить необходимые документы для экономических расчетов.

Естественно, что последние шаги могут включать несколько действий, но они не являются невыполнимыми.

Тот же вариант может быть использован для повышения качества теплоснабжения существующих зданий при невозможности увеличения температуры теплоносителя, что часто имеет место для старых котельных и зданий, расположенных в конце тепломагистрали. Так, при расчетных параметрах 95-70 °С для них фактические значения составляют, например 70-50 °С. Электроотопление и решения, обычно предлагаемые для нового строительства и капремонта (увеличение поверхности нагрева отопительных приборов, напольное отопление), могут быть в этом случае технически и\или экономически нереализуемы.

Просто увеличение расхода сетевой воды также не даст эффекта при прежней температуре теплоносителя и поверхности отопительных приборов.

Включение ТНУ в линию обратной сетевой воды позволяет при сохранении расхода воды и снижения Т2 увеличить используемый температурный перепад с упомянутых, например 70-50=20 °С до 70-30=40 °С, т.е. нарастить подачу тепла в 2 раза и обеспечить требуемое качество теплоснабжения без изменения гидравлического режима теплосети и потерь для остальных абонентов. При этом возможна установка ТНУ «вода-вода» в тепловом пункте, но более привлекательным является решение для отдельных квартир и помещений с ТНУ «вода-воздух» по аналогии с кольцевой схемой.

Пример: детский сад или квартира с проблемой «недотопа». Установка в самой большой комнате напольной ТНУ «вода-воздух» мощностью 3-10 кВт с подключением ее к обратной линии системы отопления требует минимума времени и затрат. шум от нее в дневное время не является проблемой. По окончании необходимости установка легко отключается и может быть применена в другом месте. В летнее время она же используется для охлаждения воздуха, т.е. работает аналогично мобильному кондиционеру, но без проблем с воздуховодами.

Для внедрения подобных систем сохраняется организационная проблема – оформление распределения выгоды между теплоснабжающей организацией и потребителем. Иначе теплоснабжающая организация не получает нового потребителя (если он отказывается от реализации проекта или принимает решение об автономном теплоснабжении), а потребитель вынужденно имеет повышенные эксплуатационные расходы.

4. Утилизация низкопотенциального тепла неочищенных сточных вод

4.1. Москва

В 2004 г. впервые в России введена в эксплуатацию экспериментальная автоматизированная теплонасосная установка (АТНУ), утилизирующая теплоту неочищенных сточных вод, предназначенная для подогрева водопроводной воды перед котлами районной тепловой станции (РТс) № 3 г. Зеленограда.

Установка создана на территории Восточной коммунальной зоны г. Зеленограда. В качестве низкопотенциального источника теплоты используются неочищенные бытовые сточные воды, аккумулируемые в приёмном резервуаре главной канализационно-насосной станции (ГКНс) производственного управления «Зленоградводоканал», расположенной в полукилометре от территории РТС-3.

Неочищенные сточные воды из приёмного резервуара, расположенного под грабельным отделением ГКНС, имеющие температуру +20 °С, по трём ветвям подаются фекальными насосами через трубопроводы напорной канализации в теплообменник-утилизатор, где отдают теплоту промежуточному теплоносителю (воде), охлаждаясь до температуры +15,4 °С, а затем по возвращаются в резервуар. суммарный расход сточных вод 400 м3 в час.

Контур циркуляции неочищенных сточных вод спроектирован с учётом практики эксплуатации напорных трубопроводов систем канализации, скорость потока в каналах теплообменника-утилизатора обеспечивает отсутствие образования отложений на теплообменных поверхностях.

Промежуточный теплоноситель с температурой +8 °С подаётся в теплообменник-утилизатор циркуляционными насосами, расположенными в здании ТТУ (теплонасосный тепловой узел), и возвращается в ТТУ с температурой +13 °С. Промежуточный теплоноситель циркулирует между ТТУ и теплообменником-утилизатором по теплоизолированным трубопроводам, длина трассы 657 м. Нагретый промежуточный теплоноситель подаётся в тепловые насосы, где охлаждается до температуры +8 °С, отдавая теплоту хладону парокомпрессионного контура, и вновь направляется в теплообменник-утилизатор. Техническое решение по утилизации теплоты неочищенных сточных вод защищено свидетельством Российской федерации на полезную модель № 20575.

Тепловые насосы проектной тепловой мощностью 2,07 МВт (парокомпрессионные, импортного производства) состоят из теплообменника-испарителя, где происходит охлаждение внешнего теплоносителя за счёт испарения хладона, трёх компрессоров, где происходит сжатие испарённого хладона, трёх теплообменников-конденсаторов, где происходит нагрев подпиточной воды котлов РТС-3 за счёт конденсации хладона, и терморегулирующих вентилей, обеспечивающих заданный режим работы ТН.

Из цеха водоподготовки РТС-3, из водовода подачи водопроводной воды в ТТУ подаётся подпиточная вода. Температура воды в течение года колеблется от 5 до 20 °C. Для поддержания постоянного режима работы ТН вода подаётся к трёхходовому регулирующему клапану прямого действия, соединяющему подающий трубопровод с байпасом подачи нагретой воды после ТН. Трёхходовой клапан за счёт подмеса нагретой воды автоматически поддерживает постоянную температуру на входе в конденсаторы ТН на уровне 23 °С.

Далее, циркуляционным насосом вода подаётся в конденсаторы тепловых насосов, где нагревается хладоном до температуры 30 °С и возвращается в цех водоподготовки в тот же водовод подачи воды из водопровода, что позволяет исключить влияние работы подпиточных насосов цеха водоподготовки на режим работы ТН. Расчётная тепловая мощность, передаваемая в цех водоподготовки, составляет 2000 кВт. Расход подаваемой нагретой воды колеблется в пределах от 177,9 до 70 м3 в час. Изменение расхода осуществляется автоматически в зависимости от температуры воды в водопроводе за счёт работы трёхходового клапана байпасной линии.

В ТНУ установлен счётчик тепловой энергии, регистрирующий тепловую мощность и количество теплоты, получаемой из системы сбора низкопотенциальной теплоты, и тепловую мощность и количество теплоты, передаваемой в цех водоподготовки.

Установка работает в постоянном автоматическом режиме. При кратковременной остановке подпиточных насосов в цехе водоподготовки (временно нет потребности в тепловой энергии АТНУ) ТН автоматически выключаются по достижении температуры на выходе из ТН более 30 °С, и установка переходит в режим холостого хода, при этом циркуляционные насосы и автоматика продолжают работать. После пуска подпиточных насосов и снижения температуры на выходе из ТН ниже 30 °С, ТН вновь автоматически включаются.

Годовой ресурс работы установки – 8256 часов в соответствии с нормативами работы теплофикационных установок. В период остановки систем РТс-3 на профилактические и ремонтные работы АТНУ останавливается, производится профилактический осмотр и, при необходимости, ремонт оборудования и систем АТНУ.

Изначально АТНУ проектировалась для подогрева подпиточной воды РТС при ее работе на открытую систему теплоснабжения города, но в настоящее время в связи с постепенным переходом системы теплоснабжения города на закрытую схему расход подпиточной воды неуклонно снижается. Так, расчетный расход подаваемой воды теперь составляет лишь порядка 50 м3/ч вместо проектных 127 м3/ч. По этой причине в период 2011-2012 гг. АТНУ существенную часть времени либо простаивала, либо работала с неполной нагрузкой.

По этим причинам в 2013 г. произведена реконструкция АТНУ. Внесены изменения в технологическую схему, допускающие работу тепловых насосов как в параллельном, так и последовательном режимах, что позволяет повысить температуру подогрева водопроводной воды до 40 °С в цехе водоподготовки и загрузить АТНУ на полную мощность.

4.2. Набережные Челны

В 2011 г. на канализационной насосной станции (КНс-3) ЗАО «ЧелНыВОДОКАНАл» введен в эксплуатацию первый в Республике Татарстан тепловой насос, работающий на сточных водах.

Тепловой насос действует следующим образом. В «стакан» КНС, где собираются стоки, помещен коллектор в виде двух барабанов полиэтиленовой трубы диаметром 40 мм и длиной 500 м со специальным раствором внутри (монопропиленгликолем) – так называемый контур низкопотенциального тепла.

Вещество постоянно циркулирует внутри этого контура и переносит тепловую энергию стоков в тепловой насос, где происходит повышение температуры теплоносителя до значения, достаточного для обогрева помещений.

В качестве основного оборудования было принято решение использовать тепловой насос одной из шведских компаний (рис. 7), т.к. такое оборудование уже работало в Вологде и имело положительные отзывы. Немаловажным было также и то, что официальное представительство компании в России находится в Нижнем Новгороде, а офис по гарантийному и сервисному обслуживанию оборудования — в Ижевске. Такая территориальная близость является большим плюсом.

Электрическая мощность, потребляемая тепловым насосом, составляет 11 кВт, а максимальная тепловая, передаваемая в систему отопления, — 0,038 Гкал/ч. (при коэффициенте преобразования энергии 4). Температура теплоносителя в системе отопления – 60 °C, но также предусмотрен дополнительный электрический нагреватель, который при необходимости позволяет догреть воду до 70 °C. Температура воды в системе ГВс установлена на уровне 45 °C.

Тепловой насос, работающий на сточных водах

Рис. 7. Тепловой насос, работающий на сточных водах

Принципиальная схема теплового узла КНс-3 представлена на рис. 8.

схема теплового узла КНс-3

Рис. 8. Принципиальная схема теплового узла КНС-3: АБК – административно-бытовой комплекс, 1,7 – бак расширительный, 2 – бак буферный (V=500 л), 3 – дополнительный электрокотел (N=15 кВт), 4 – тепловой насос, 5 – бак (V=800 л), 6 – запитка сетевой водой, 8 – коллектор с рассолом

Инструкцией по эксплуатации срок службы теплового насоса не установлен, но по аналогии применения холодильного оборудования предполагается, что он будет не менее 20-25 лет. Выгоды от внедрения теплового насоса очевидны. с помощью нового оборудования расход электроэнергии уменьшился примерно в 4 раза. В 2010 г. на КНС-3 на отопление и ГВС было затрачено 244 тыс. кВт-ч электроэнергии, а после установки теплового насоса — около 56 тыс. кВт-ч в год.

Есть еще одно существенное преимущество теплового насоса – он практически не нуждается в обслуживании, следовательно, нет никаких затрат на его эксплуатацию. Нужно также отметить и то, что при установке насоса не понадобилось менять систему отопления – остались те же батареи и трубы. Но вместе с тем надо признать, что подобное оборудование необходимо применять с системой отопления, обеспечивающей максимальное использование его возможностей, т.е. должны быть минимальные потери и хороший теплосъем.

Стоимость теплового насоса составила 840 тыс. руб. По нашим оценкам, он должен окупиться за 2,5 года. Так, общий размер платежей за электроэнергию по этой станции за прошедший отопительный сезон снизился более чем на 300 тыс. руб. В 2012 г. еще на двух канализационных станциях предприятия установлено подобное оборудование. Аналогичные проекты были реализованы в Перми (на базе отечественного оборудования) и Вологде, где на аналогичной станции с июля 2010 г. работает тепловой насос зарубежного производства. По отзывам работников КНС в Вологде, благодаря реконструкции системы отопления им стало очень комфортно работать зимой на станции, плюс к этому на КНС появилась горячая вода. Все это говорит о применимости и целесообразности подобных проектов.

5. Утилизация тепла шахтных вод

5.1. Шахта «Осинниковская»

В 2001 году на шахте «Осинниковская» ОАО УК «Кузнецкуголь» в Кемеровской области впервые в России пущена в эксплуатацию опытно-промышленная технология утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод. В технологическую схему включен тепловой насос, мощностью 130 кВт. Работа технологической схемы утилизации тепла шахтной воды, по проектным данным, позволяет получить около 60 м3/сутки горячей воды, с температурой 45°С на нужды горячего водоснабжения административных зданий.

Годовой экономический эффект составляет 268 тысяч рублей, срок окупаемости капитальных вложений около двух лет. Испытания технологической схемы показали превышение фактической производительности над проектной в 1,5 раза, что увеличит экономический эффект и снизит срок окупаемости проекта до одного года. Установка дает 100 м3 в сутки горячей воды. Затрачивая 1 кВт-ч электроэнергии, технологическая схема позволяет получать около 4 кВт-ч эквивалентной тепловой энергии. стоимость выработки 1 Гкал тепла получена в 3 раза ниже в сравнении с шахтной котельной при сроке окупаемости проекта меньше 2 лет. Технология позволяет в летнее время года полностью отключить шахтную котельную, тем самым исключить вредные выбросы в атмосферу.

Вся угольная промышленность характеризуется наличием возобновляемых источников энергии, к которым относится теплота шахтных вод, вентиляционных выбросов, хозбытовых стоков и породных отвалов. Предприятиями отрасли ежегодно сбрасывается в открытые водоемы около 2,4 млрд куб. м шахтных вод, из которых около 50 % являются нейтральными, и температура по некоторым доходит до 25 °С. с этими водами в окружающую среду сбрасывается более 50 млн ГДж низкопотенциальной теплоты, которая может быть при благоприятных условиях утилизирована. Отведение грунтовых вод для предотвращения затопления шахт при добыче угля является обычной практикой. Например, в ОАО “УК “Прокопьевскуголь” каждое из 9 угледобывающих предприятий (шахт) ежегодно откачивает на поверхность и сбрасывает в естественные водоемы от 400 до 7000 тыс. м3 шахтной воды с температурой от 10 до 16 °С.

5.2. Город Новошахтинск

Схема теплоснабжения Новошахтинска на период 2013-2028 гг. утверждена Постановлением администрации города Новошахтинска от 19.03.2014 г. № 310, где предусмотрена как вариант перспективного развития схемы теплоснабжения города «оптимизация установленных мощностей существующих котельных и строительство новых мощностей, включающих тепловые насосы, использующих дешевую энергию шахтных или грунтовых вод».

Проект включает в себя модернизацию 10 существующих котельных с оборудованием их тепловыми насосами и газопоршневыми установками (строительство новых блочно-модульных котельных схемой теплоснабжения также предусмотрено).

Стоит отметить, что решение по вводу новых мощностей на базе тепловых насосов, использующих дешевую энергию шахтных вод, действительно для Новошахтинска является достаточно интересным и перспективным. Напомним, что в 2011 г. проект фирмы ООО «Теплонасосные системы – Новошахтинск» вошел в перечень типовых проектов Координационного совета Президиума Генерального совета Всероссийской политической партии «единая Россия» по вопросам энергосбережения и повышения энергетической эффективности.

Поскольку практически в каждом городе, где закрыты шахты, они чаще всего закрывались методом затопления, то целесообразно применять тепловые насосы, использующие низкопотенциальную тепловую энергию шахтных вод, сочетая их с когенерационными установками для выработки дешевой электроэнергии для работы теплового насоса и собственных нужд. В Новошахтинске объем шахтной воды превышает 11 млн м3, она имеет температуру от 18 до 23 °С, что сопоставимо по теплотворной способности со 150 тыс. т нефти в год.

Пилотная теплонасосная станция (ТНС) в г. Новошахтинске снабжает тепловой энергией 5 социально значимых объектов: центральная городская больница № 1 (10 корпусов); детская городская больница (4 корпуса); школа № 27; профтехучилище № 58 (5 корпусов); детский сад № 34 «Мишутка». строительство теплонасосной станции позволило закрыть 7 старых подвальных неэффективных угольных котельных.

В ТНС установлены:

  • два тепловых насоса единичной тепловой мощностью 0,384 МВт, обеспечивающие на выходе температуру теплоносителя равную 65 °С;
  • два газовых котла, которые включаются в работу для покрытия пиковых нагрузок и могут выступать в качестве резервного источника.

Для того чтобы обеспечить объекты тепловой энергии за счет частных инвестиций были проложены 3,5 км тепловых сетей, 3 км сетей ГВС и внутрикорпусные сети ГВС протяженностью 2,4 км.

Суть технологии работы ТНС такая. Бурится скважина в затопленную шахту, из которой подается вода объемом 100 м3/ч, температурой 18-23 °С. Авторы разработки (которая является инновационной и защищена патентом) отмечают, что важным моментом является проведение исследований и точное попадание в шахтную выработку, где температура воды соответствует «заказываемым» тепловым насосом. ТНС обеспечивает тепловой энергией Центральный район города в количестве 11,4 тыс. Гкал в год, что составляет 8% от общегородского потребления тепловой энергии.

При планировании проекта предполагалось, что после окупаемости инвестиций тариф на тепловую энергию должен снизиться и перестать существенно зависеть от цен на углеводородное топливо. Так, на момент реализации проекта прогнозная оценка тарифа на тепловую энергию составляла: в 2011 г. – 1562 руб./Гкал; в 2015 г. – 2443 руб./Гкал; в 2016 г. – 1954 руб./Гкал.

На практике в 2014 г. величина экономически обоснованного тарифа для компании ООО «ТсН-Н» составляла 2726,39 руб./Гкал (без НДс) и не менялась в течение года. К сожалению, из приведенных данных в опубликованной части схемы теплоснабжения нельзя четко понять какая все-таки электроэнергия используется для работы теплового насоса: от внешних источников (т.е. из общей сети) или же от собственного когенерационного источника (на базе газопоршневых установок), т.к. стоимость потребляемой электроэнергии напрямую влияет на формирование тарифа на тепловую энергию от ТНС.

6. Применение мощных и высокотемпературных тепловых насосов

Преимущества мощных ТН по сравнению с маломощными заключаются в следующем:

  • более низкие удельные капиталовложения (на 1 кВт тепловой мощности);
  • меньшая занимаемая площадь по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов;
  • более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов (например, изоэнтропный КПД компрессора) и теплового насоса в целом.

В нашей стране наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы с винтовыми компрессорами производят в Новосибирске (ЗАО «Энергия») тепловой мощностью 500 – 3000 кВт (большая мощность достигается за счет объединения блоков по 500 кВт), с центробежными компрессорами – в Казани (НПО «Казанькомпрессормаш») тепловой мощностью до 8,5–11,5 МВт. Подробнее об отечественных ТН большой мощности – в приложении.

В мире наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы имеют тепловую мощность до 30 МВт с двухступенчатыми центробежными компрессорами. В настоящее время с использованием ТНУ в стокгольме работает крупнейшая ТНС в мире – Ропстен (входящая в состав тригенерационной станции Värtaverket) с общим отпуском теплоты 250 МВт и холодопроизводительностью 125 МВт. ТНС состоит из трех частей – это Ропстен–1,2, имеющие в своем составе 6 ТНУ с теплоотпуском 150 МВт и Ропстен–3, состоящая из 4 ТНУ с общим отпуском тепловой энергии 100 МВт. КПЭ для ТНУ, использующихся на станции, в среднем составляет 3,5 в течение года. В качестве источника теплоты используется морская вода, в зимний период температура которой опускается до 2–4 °С. В Хельсинки и Осло работают тепловые насосы на сточных водах. В летний период они производят одновременно тепловую энергию для горячего водоснабжения и холод для кондиционирования крупных торговых и бизнес-центров.

Применение тепловых насосов большой мощности наиболее эффективно в крупных городах, где большие тепловые и холодильные нагрузки в течение длительного периода и где остро стоит проблема утилизации отходов, в том числе и тепловых, таких как сточные воды.

Примеры внедрения мощных теплонасосных установок:

  • Тюмень, Велижанский водозабор. Для отопления поселка с 1996 г. используются два насоса НТ-3000 общей мощностью 3700 кВт. Источник тепла – вода с температурой 7-9 °С;
  • в г. Горно-Алтайске для отопления здания ЦСУ с 1995 г. используется насос НКТ-300 мощностью 270 кВт. Источником тепла служит грунтовая вода (7-9 °С);
  • в Новосибирске для горячего водоснабжения Академгородка в летнее время (на ТЭЦ в Речкуновке) с 1998 г. используется насос НТ-1000 мощностью 1000 кВт. В качестве источника тепловой энергии служит вода Новосибирского водохранилища (5-22 °С);
  • с января 1999 г. в системе отопления на Новосибирской ТЭЦ-4 в опытной промышленной эксплуатации находится тепловой насос АБТН-2000 тепловой мощностью 2000 кВт. В качестве источника тепловой энергии используется отработанный в турбине пар.

На ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» проведены испытания ТНУ, использующей в качестве рабочего тела отработанный пар. Все объекты работают в штатном режиме и обеспечивают заданные параметры при плановом периодическом техническом обслуживании, что позволяет сделать вывод о практической целесообразности подобных решений.

7. Юг России

В южных регионах России (в Краснодарском и ставропольском краях, Республике Крым) особенно целесообразно внедрение теплонасосных установок большой мощности.

Особенность объектов внедрения – потребность как в тепловой, так и холодильной энергии для обеспечения комфортных условий в различные периоды года.

Одним из примеров реализованных проектов является энергоцентр гостиницы «Гамма» (пос. Ольгинка Туапсинского района), где 2008 г. запущена в эксплуатацию ТНУ мощностью 1 МВт. Это позволило решить вопросы отопления, ГВС и кондиционирования 6 корпусов гостиницы (20,4 тыс. м2, 350 номеров) без подвода газовой магистрали. Данный проект является одним из крупнейших на территории России с использованием теплонасосной технологии.

Основным источником низкопотенциальной тепловой энергии (НПТ) служат грунтовые воды (система съема НПТ состоит из двух скважин, расположенных в зоне высотного здания). Резервным источником НПТ является окружающий воздух (система съема НПТ состоит из восьми драйкулеров, расположенных на крыше теплового пункта). В энергоцентре установлены восемь тепловых насосов зарубежного производства, работающих по независимой друг от друга схеме. Все оборудование энергоцентра размещено на площади около 50 м2.

За время эксплуатации энергоцентра энергозатраты комплекса только по электричеству снизились примерно в 15 раз. система ТНУ проектировалась для работы со средним коэффициентом преобразования COP=5,0 (по паспорту). Однако, поскольку в проекте были применены аккумуляторы тепла/холода, а в летний период работы использовался режим «пассивного» кондиционирования, т.е. без включения в работу ТНУ (при небольших суточных нагрузках осуществлялось охлаждение воздуха только за счет циркуляции теплоносителей скважинного и других контуров системы), это позволило существенно сократить потребление электроэнергии; для потребления объектом 1 МВт·ч тепловой/холодильной энергии затрачивалось от 75 до 90 кВт-ч сетевой электроэнергии.

Другой пример многофункциональный комплекс торговый центр «Квартал» (ул. Навагинская, Центральный район, г. Сочи): 2014 год, мощность 1,4 МВт, источник НПТ — грунтовая вода из скважин.

Многофункциональный комплекс органично вписался в сложившуюся архитектурную концепцию привокзальной площади и стал её украшением, отражающим прогрессивное начало в олимпийской странице жизни города Сочи.

В инженерных решениях по многофункциональному комплексу также сохранена преемственность, но с инновационным духом времени. Особенность участка размещения комплекса состоит в том, что он имеет высокий уровень грунтовых вод, что первоначально воспрепятствовало строительству на этом месте большого многоэтажного здания. Грунтовые воды из скважины использовались в своё время для целей кондиционирования помещений бывшей на этом месте гостиницы путём охлаждения конденсаторов холодильных машин.

Сочинская компания предложила заказчику строительства комплекса концепцию тепло/холодоснабжения на базе современной технологии тепловых насосов схемы «вода-вода», использующую в качестве источника низкопотенциального тепла (НПТ) грунтовую воду из скважин на территории комплекса. После сравнительного технико-экономического анализа предложенного варианта с традиционными технологиями (подключение к городской теплосети, строительство котельной, установка чиллеров схемы «воздух-вода» и др.) заказчик принял решение по использованию технологии теплового насоса схемы «вода-вода» для целей отопления, кондиционирования и ГВС зданий комплекса.

Пробурены скважины с расчётным дебитом воды для работы теплонасосных установок. скважины подачи грунтовой воды выполнены в подземном варианте, то есть на поверхность земли они выходят как традиционные канализационные люки, а всё оборудование находится в подземных боксах. Инженерная концепция предполагает применение в каждом здании индивидуального ИТП с группой тепловых насосов для выработки тепла/холода на нужды отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения.

ИТП располагаются на кровле зданий (рис.9), что экономит коммерческие площади комплекса. Подача грунтовой воды из скважин к каждому ИТП по вертикальным стоякам от общего коллектора, проложенного под землёй на территории комплекса и связывающего все скважины в один контур НПТ.

Фото ИТП торгового центра на сочинской привокзальной площади ИТП

Рис. 9. Фото ИТП торгового центра на сочинской привокзальной площади

Общая мощность тепловых насосов составляет 1,4 МВт, в блок-модулях смонтировано по два-три тепловых насоса по 100 кВт, при этом расчётное потребление электроэнергии не превышает 350 кВт при 100 % нагрузках, но, как показывает опыт эксплуатации аналогичных установок (отель «Гамма» в Туапсинском районе, п. Ольгинка) среднегодовое часовое потребление электроэнергии составит не более 180 кВт.

Стоимость выработки 1 Гкал тепла/холода с помощью теплового насоса схемы «вода-вода» при существующем тарифе на электроэнергию составляет сумму, конкурентную стоимости тепла индивидуальной газовой котельной, но в три раза дешевле, чем покупка тепла у муниципального унитарного предприятия «сочитеплоэнерго» и в два раза дешевле, чем выработка тепла/холода традиционными устройствами типа сплит-систем, мультизональных VRV-систем или чиллеров схемы «воздух-вода».

Также положительным фактором принятой технологии является её полная экологическая безопасность, так как нет продуктов сгорания и выхлопов в окружающую среду.

Необходимость слива технической воды после тепловых насосов в городской коллектор ливневой канализации потребовала полной реконструкции системы ливневых труб вдоль улиц Навагинская и Островского, что было выполнено заказчиком строительства за свой счёт и что обеспечило их работоспособность даже в самые напряжённые периоды проливных дождей в 2015 году.

Грунтовая вода после теплового насоса не претерпевает каких-либо химических, биологических, механических изменений и используется на технологические нужды комплекса – полив насаждений, уборку территории, мытье окон и остекления фасадов зданий, обеспечивает работу декоративных фонтанов, в противопожарных и других целях.

Стоимость эксплуатации тепловых насосов значительно меньше, чем стоимость эксплуатации газовой котельной, а также круглогодичный режим загрузки тепловых насосов на выработку как тепла, так и холода, определяют срок окупаемости капитальных затрат на строительство системы не более трёх лет.

Туристический центр 3*** «Арт Ап сити» на 156 номеров (п. Красная поляна, Адлерский район, г. Сочи): 2013 год, мощность 1,3 МВт, источник НПТ – грунтовая вода из скважин.

скважина ТНУ

Рис. 10. Фото скважины ТНУ

Туристический центр «Арт Ап сити» состоит из пяти трёхэтажных корпусов общей площадью 17 тыс. м2. В декабре 2013 года завершено строительство и сдана в эксплуатацию теплонасосная установка (ТНУ) схемы «вода-вода» для обеспечения отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения объекта, входящего в программу олимпийского строительства. Общая тепловая мощность составляет 1,3 МВт. Теплонасосная установка состоит из пяти блок-модулей по 200-300 кВт мощности, установленных возле каждого корпуса гостиницы для автономного снабжения тепловой/холодильной энергией.

В блок-модулях смонтировано по два-три тепловых насоса по 100 кВт тепловой мощности каждый. Управление ТНУ автоматическое через индивидуальный контроллер теплового насоса. Подача низкопотенциальной энергии – тепла грунтовой воды из двух скважин – на территории комплекса осуществляется посредством технического водопровода, подходящего к блок-модулям. санаторий «Белая Русь» (п. Майский, Туапсинский район, Краснодарский край): 1994 год, мощность 3,5 МВт, источник НПТ – вода Чёрного моря.

Гостиница 3*** «Парк отель» (ул. Береговая, город Краснодар): 2012 год, мощность 350 кВт, тепловые насосы фирмы Mammoth (сшА), источник НПТ – грунтовая вода из скважин.

Школа в селе Арчедино-Чернушинское Волгоградской области

Компании Mitsubishi Electric использовала тепловые насосы Zubadan типа «воздух-воздух». Нижний предел диапазона рабочих температур насоса по данным изготовителя: –25 °С, кратковременный предел: –28 °С (теплопроизводительность падает при этом примерно на 20%). По мнению проектировщиков, в реальности насос продолжает работу до –36 °С, хотя коэффициент преобразования снижается. В Чернушке такие морозы – редкость. Вплоть до –25 °С тепловой насос работает в штатном режиме с высоким COP (чуть выше 3) и почти без обмерзания наружных блоков.

При обычной для Волгограда зимней температуре от –10 до 0 °С насос в состоянии выдавать воздух с температурой до +40 °С, а самое главное – при перерыве в энергоснабжении оборудование не пострадает даже в очень суровый мороз, и при подаче электричества школа быстро прогреется вновь. Тепловой насос использует озонобезопасный фреон R410A, имеет весьма низкий уровень звукового давления – всего 53 дБ. Кроме того, максимальная длина магистрали (75 м) позволяет разместить наружные блоки подальше от детских ушей. Все это стало возможно благодаря двухступенчатому компрессору, системе промежуточного охлаждения паров хладагента, а также мощной системе автоматического регулирования параметров. Немаловажно и то, что тепловой насос, в отличие от газовой котельной, не подлежит регистрации в надзорных органах.

Помимо этой школы ТНУ оснащены ещё 14 объектов в Волгоградской области.

8. Примеры применения ТНУ на транспорте

Применение ТНУ в различных сферах может не только иметь локальный технический и экономический эффект, но и служить дополнительным мотивом к развитию собственно теплонасосных технологий.

В первую очередь, применение ТНУ возможно аналогично известным решениям – отопления, кондиционирования. В качестве примера стоит привести ряд реализованных проектов, в т.ч. на объектах ОАО РЖД.

8.1. Перевод на теплоснабжение с мазутных и угольных котельных на ТНУ отдельных изолированных объектов

На узловой железнодорожной станции Волгограда был реализован проект по переводу теплоснабжения одного из объектов инфраструктуры Приволжской железной дороги – филиала ОАО «РЖД» с дизельной котельной на тепловые насосы. Основной идеей такого переоснащения было снижение эксплуатационных расходов и уменьшение себестоимости выработки тепловой энергии для предприятия, а также снижение выбросов вредных веществ в окружающую среду.

В проекте в качестве основных источников тепловой энергии применены тепловые насосы типа «воздух-воздух» и «воздух-вода» серии Ecodan производства японской компании Mitsubishi Electric. Тепловые насосы серии Ecodan –инновационные инженерные системы, которые в холодный период года отапливают помещения и нагревают горячую воду, а в теплый период охлаждают помещения, позволяя осуществлять своего рода «климат-контроль».

Инициатором и заказчиком проекта выступил департамент технической политики ОАО «РЖД», осуществляющий в компании реализацию мероприятий программы ресурсосбережения и внедрения новых технических средств и технологий, обеспечивающих повышение энергетической эффективности подразделений ОАО «РЖД». Работа по переводу теплоснабжения некоторых объектов Приволжской железной дороги на тепловые насосы «воздух-воздух» и «воздух-вода» была поручена волгоградской компании ООО «ТеплоТехМонтаж».

В результате модернизации заказчик получил повышение эффективности теплоснабжения и круглогодичное использование системы отопления и ГВс, а в летний период появилась возможность охлаждать помещения. При этом существенно снизились эксплуатационные затраты на техническое обслуживание и ремонт системы. Дизельная котельная была предназначена для теплоснабжения и горячего водоснабжения служебно-технических помещений на железнодорожной станции

Приволжской железной дороги (административное здание, пункт технического обслуживания оборудования, здание компрессорной и помещения операторов). Установленная мощность котельной 1,2 Гкал/ч., присоединенная тепловая нагрузка 0,39 Гкал/ч. (отопление и ГВс), годовое потребление тепловой энергии 645 Гкал.

В котельной было установлено 2 паровых котла марки е-1/9, работающих в водогрейном режиме. Износ основного и вспомогательного оборудования котельной к 2014 году составлял 100 %, и после модернизации котельной было принято решение о ее закрытии с последующим демонтажем и утилизацией изношенного оборудования.

После проведения комплексных мероприятий по повышению теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций указанных объектов подрядчик установил тепловые насосы с общей производительностью 0,206 Гкал/ч. тепловой энергии (240 кВт). При этом потребление электроэнергии за отопительный период при сезонном коэффициенте энергоэффективности тепловых насосов SCOP=3,5 должно составить не более 210 тыс. кВт-ч.

Инвестиционные затраты по проекту составили 12 млн руб. срок реализации 3 месяца (4-й квартал 2014 года). Годовой экономический эффект, планируемый к получению заказчиком в будущем, формируется за счет снижения эксплуатационных расходов и затрат на топливо и должен составить не менее 9,5 млн руб. в год, что позволит окупить инвестиционные затраты примерно за 1,5 года.

В качестве резервной системы энергоснабжения на период аномальных отрицательных температур на объекте установлены традиционные электрические котлы, которые ни в декабре, ни в январе еще ни разу не включались, даже при понижении температуры наружного воздуха до -28 °С, так как было достаточно работы тепловых насосов.

По итогам эксплуатации за указанный период (31 день) потребление электрической энергии составило 36,7 тыс. кВт-ч на сумму 110,01 тыс. руб., что ниже месячного фонда оплаты груда работников ликвидированной котельной.

Средняя температура за период с 19 декабря 2014 года по 19 января 2015 года в регионе составила -5,2 °С, температура в помещениях поддерживалась в диапазоне +20…+24 °С. На основании данных месяца эксплуатации можно с высокой степенью точности предположить, что при средней температуре наружного воздуха -2,2 °С за отопительный период (для климатической зоны Волгограда) общее потребление электроэнергии составит не более 200 тыс. кВт-ч, что подтверждает предварительные расчеты.

Данный проект является первым реализованным на Приволжской железной дороге, но не единственным в программе ресурсосбережения ОАО «РЖД», где широко используются различные системы теплоснабжения объектов с использованием альтернативных источников энергии. В Волгоградской области в настоящее время эксплуатируется уже более 50 объектов с установленными тепловыми насосами Ecodan в комплекте с наружными блоками серии Zubadan суммарной тепловой мощностью свыше 3 МВт.

8.2. Энергоэффективная система тепло- и холодоснабжения вокзала

На вокзале Анапы была внедрена современная энергоэффективная система отопления, холодоснабжения и горячего водоснабжения. Благодаря проведенным работам, удалось достичь поставленных целей: сделать вокзал независимым от внешнего источника тепловой энергии и рационально управлять энергетическими ресурсами.

В комплекс данной системы входят тепловые насосы, предназначенные для нагрева и охлаждения воды, каскадные теплонасосные установки внутреннего размещения и шесть реверсируемых установок, разработанных и поставленных с участием группы компаний «Инсолар».

8.3. Климатические системы для железнодорожных вагонов

Воздушная климатическая система включает в себя турбокомпрессор, теплообменник, контроллер, вентиляторы, преобразователь частоты, воздухопроводы, клапаны, заслонки, глушители, помещенные в корпус раму с обшивкой.

Воздушная климатическая система (ВКс) для железнодорожных вагонов

Рис. 11. Воздушная климатическая система (ВКС) для железнодорожных вагонов

Летом воздух, сжатый компрессором, охлаждается в теплообменнике. Охлажденный воздух расширяется в турбине, в результате чего его температура понижается до +5…+10 °C. Полученный холодный воздух подается в помещение. Горячий воздух после выхода из теплообменника выбрасывается в атмосферу.

Для повышения энергетической и экономической эффективности от применения ВКС может быть создан дополнительный контур утилизации теплоты в единой системе охлаждения, отопления и нагрева воды (например, для подогрева воды для бытовых нужд). При этом суммарный коэффициент мощности (полезного использования электроэнергии) достигает 3,0–3,5. Зимой воздух нагревается в теплообменнике, после чего подается в помещение. Переохлажденный в турбине воздух отводится в окружающую среду.

Пассажирские вагоны с системой водяного отопления можно считать «классикой» для климатических условий России и протяжённости маршрутов движения. Однако с развитием скоростного движения в межрегиональном сообщении протяженностью до 700 км пригодным оказывается и пассажирский вагон с воздушной системой отопления как более простой в эксплуатации, малоинерционной, обладающей меньшей массой. В 1999 г. МВРЗ им. Войтовича по разработке ОАО ПКБВ «Магистраль» построил опытный скоростной вагон межобластного назначения модели 9510. Вагон был оборудован воздушной системой обеспечения климата (СОК), включавшей в себя:

  • климатическую установку (для охлаждения и обогрева) типа КУ 7175, на базе воздушной холодильной машины;
  • частотный преобразователь;
  • высоковольтный электрокалорифер (3 кВ) номинальной мощностью 30 кВт;
  • воздушные каналы забора, раздачи и рециркуляции воздуха;
  • цифровой блок автоматического управления СОК.

При работе системы в режиме отопления наружный воздух предварительно нагревается в КУ, работающей в теплонасосном режиме, затем, смешиваясь с рециркуляционным воздухом, после окончательного нагрева в высоковольтном электрокалорифере поступает в разделительный узел и через нижние раздаточные воздуховоды – в пассажирский салон вагона. Предусмотрено автоматическое регулирование теплопроизводительности электрокомпрессора КУ за счёт ступенчатого изменения частоты вращения, а также ступенчатого регулирования мощности высоковольтного электрокалорифера (шесть ступеней) посредством переключения групп высоковольтными контакторами.

При работе системы в режиме охлаждения наружный воздух охлаждался в КУ и, смешиваясь с рециркуляционным, подавался в салон вагона через потолочный воздуховод. Режим вентиляции отличался от режима охлаждения тем, что свежий воздух подавался в салон не компрессорами КУ, а дополнительными вентиляторами, минуя цикл воздушной холодильной машины. Все электропотребители вагона были запитаны от многоканального высоковольтного преобразователя с общей выходной мощностью 65 кВт.

Проведенные испытания опытного вагона выявили ряд существенных недостатков в работе оборудования климатической системы, потребовавших её коренной модернизации. В первую очередь климатическая установка КУ 7175 была заменена на кондиционер УКВ-31 фирмы «Остров»; установлено два высоковольтных электрокалорифера мощностью по 20 кВт каждый; распределительный узел с ручными заслонками «зима – лето» устанавливается непосредственно после УКВ, обеспечив прохождение воздуха через высоковольтные электрокалориферы только в режиме отопления; установлены подоконные панели со встроенными каналами вентиляции, через которые воздух подаётся в оконную зону и нижнюю часть салона. Испытания вагона с модернизированной системой сОК показали её работоспособность, подтвердили высокие динамические качества воздушной системы отопления и равномерность распределения температур воздуха по салону с нижней раздачей.

8.4. Система геотермического (геотермального) обогрева стрелочных переводов

На станции Дача Долгорукова Октябрьской железной дороги реализован пилотный проект по внедрению системы геотермического обогрева двух стрелочных переводов.

Стрелочное хозяйство железных дорог России насчитывает около 300 тысяч стрелочных переводов. Климат же таков, что на протяжении значительной части года на земляном полотне станций и промышленных предприятий лежит снежный покров. В ряде регионов земля покрыта снегом свыше 8 месяцев. Работа стрелок существенно осложняется в зимний период, когда во время снегопадов и метелей снег препятствует нормальной работе стрелочных переводов.

Проблема повышения надежности работы стрелочных переводов в зимний период весьма актуальна. Для обеспечения надёжной работы стрелочных переводов в зимнее время используются различные способы и системы: тепловой обогрев (электрический, газовый, геотермальный, индукционный); пневмоочистка (удаление снега за счёт использования пневмоочистительных снегоуборочных машин, автоматическая пневмообдувка и шланговая обдувка), а также уборка снега ручными средствами.

В 2011 г. на станции Дача Долгорукова (ПЧ-14) Октябрьской железной дороги внедрен пилотный проект системы геотермального обогрева стрелочных переводов Triple-S производства Германии (рисунок 12). Это инновационная система обогрева стрелочных переводов, использующая геотермическую технологию на базе тепловых насосов в совокупности с новейшими устройствами управления. Она обеспечивает снижение энергозатрат на 60 % по сравнению с классическими системами обогрева.

система геотермического обогрева стрелочного перевода

Рис. 12. Cистема геотермического обогрева стрелочного перевода система включает в себя 3 основных компонента:

  • экологичный естественный источник тепла (тепло земли);
  • блок теплового насоса;
  • теплообменник (нагреватель, крепящийся к шейке рельса).

Управление системой осуществлялось с помощью метеостанции с набором сенсоров в сочетании с температурными датчиками, установленными на рельсах.

Установленная на двух стрелочных переводах система показала во время отопительного сезона 2011/2012 годов бесперебойную работу.

В период отопительного сезона потребление электроэнергии системой «Triple S» в 22,4 раза меньше, чем потребление энергии электрической системой. Глубина расположения теплообменника – 10 метров. Интеллектуальная система управления и регулирования обеспечивает подачу тепла к стрелочному переводу по мере надобности, благодаря чему установка не находится постоянно во включенном состоянии.

В случае снегопада геотермическая система также обеспечивает высокую эксплуатационную готовность стрелочных переводов, достигающую 99,9 %. систему геотермального обогрева эффективно применять на больших группах стрелочных переводов. К одной геотермической системе обогрева можно подключать до восьми стрелочных переводов, расположенных в радиусе до 250 м.

Система оборудована метеостанцией, с помощью которой определяются температура окружающей среды и погодные условия, в зависимости от чего автоматически устанавливается режим обогрева рельса. За время опытной эксплуатации системы была достигнута разность температур между обогреваемым и необогреваемым рельсом в 70 °С Цельсия при температуре окружающей среды от нуля до минус 30 °С. Потребляемая мощность системы составляет в среднем около 20 кВт, что в 2–3 раза меньше мощности существующей системы электрообогрева стрелок типа СЭИТ-04.

8.5. Утилизация тепла, отводимого от технологического оборудования

В настоящее время на сети железных дорог эксплуатируется 137 сортировочных горок, в том числе 110 механизированных с компрессорными станциями. Особенность применения тепловых насосов на горочных комплексах заключается в возможности использования ТН в качестве способа охлаждения компрессора взамен традиционного, где воду охлаждают в градирнях 3 (см. рисунок ниже), преобразования полученной низкопотенциальной тепловой энергии в высокопотенциальную и ее использовании в системе отопления здания сортировочной горки. Недостатком традиционной схемы охлаждения является то, что из градирни 3 рассеивается тепловая энергия в окружающую среду, что обусловлено принципом ее действия. Эта энергия как раз и представляет собой источник снижения потребления энергоресурсов и экономии эксплуатационных затрат на теплоснабжение зданий сортировочных горок, если ее использовать с помощью теплового насоса.

Еще одним существенным минусом такой схемы является отсутствие должной подготовки воды, подаваемой в систему охлаждения компрессора при помощи циркуляционного насоса 2. Кроме того, циркулирующая в системе охлаждения вода постоянно загрязняется в градирне.

На рис. 13 показана запатентованная принципиальная схема совмещения гидравлической системы ТН с системой теплоснабжения здания и контуром охлаждения компрессоров, позволяющая избежать названных недостатков традиционного способа охлаждения.

Принцип работы предлагаемой к рассмотрению схемы заключается в следующем (рис.13). Оборотная вода системы охлаждения перед пуском в работу компрессора 1 (или группы компрессоров) проходит соответствующую очистку и обработку в блоке системы водоподготовки 5. Подача воды в блок осуществляется открытием задвижки 4 при закрытом регулирующем клапане 7. После заполнения системы охлаждения компрессора оборотной водой задвижка 4 закрывается.

схема совмещения гидравлической системы ТН с контуром охлаждения компрессоров сортировочной горки

Рис. 13. Принципиальная схема совмещения гидравлической системы ТН с контуром охлаждения компрессоров сортировочной горки: 1 – компрессор, 2,9 – циркуляционный насос, 3 – градирня, 4,6 – задвижка, 5 – блок системы водоподготовки, 7 – регулирующий клапан, 8 – тепловой насос, 10 – буферный накопитель

Далее, при помощи циркуляционного насоса 2 (или группы циркуляционных насосов) уже подготовленная вода подается в систему охлаждения, после чего происходит ее разделение на два потока. Первый поток по системе трубопроводов идет в тепловой насос 8, где отдает свое тепло фреону в испарителе, далее – в градирню 3, а второй по системе трубопроводов подается сразу в градирню 3. Затем оба потока соединяются, и уже охлажденная вода снова подается к работающему компрессору для отвода тепла.

В случае неудовлетворения сетевой воды нормам качества (возможное загрязнение второго потока в градирни), она может повторно пройти очистку и обработку в блоке системы водоподготовки 5.

Что касается работы теплового насоса 8, то процесс преобразования тепловой энергии в высокопотенциальную происходит по классической схеме, результатом чего является нагрев воды системы отопления здания в конденсаторе с последующей подачей ее с помощью циркуляционного насоса 9 (или группы циркуляционных насосов) в буферный накопитель 10 и затем обратно в систему.

На основе технико-экономического анализа сделан вывод о сроке окупаемости 7,9 года.

9. Примеры применения тепловых насосов

В Республике Беларусь, имеющей ограниченные запасы собственных топливных ресурсов, применение тепловых насосов отнесено к приоритетным направлениям энергосбережения. Тепловые насосы установлены на нескольких десятках промышленных предприятиях, объектах жилищно-коммунального хозяйства и отдыха.

Как правило, это опытно-промышленные системы теплоснабжения с парокомпрессионными тепловыми насосами, отличающимися типом, теплопроизводительностью, видом рабочего агента, источниками низкопотенциальной теплоты и теплопотребляющими процессами.

В таблице 2 приведены общие данные о некоторых внедренных системах. Как видно из таблицы, спектр промышленного применения ТНУ достаточно широк: от водосбросов канализации и очистных сооружений, до станций метро и вторичных энергоресурсов промышленных предприятий.

Таблица 2. Примеры применения ТН в Республике Беларусь

Объекты применения тепловых насосов Источник низко-потенциальной теплоты Тепло-потребитель Тип компрессоров Вид рабочих агентов Схема отбора теплоты
Сооружения речного водозабора Речная вода Отопление, вентиляция и ГВС Винтовые R134а с промежуточным

теплоносителем

Водонасосные станции II-го подъема Водопроводная вода Отопление Поршневой R22 с промежуточным

теплоносителем

спиральный R407с с непосредственным

отбором

Канализационные насосные станции Городские сточные воды Отопление и вентиляция спиральные R407с с промежуточным

теплоносителем

Грунтовые воды, городские сточные воды Винтовые R134а с непосредственным

отбором и с промежуточным теплоносителем

Сооружение очистки городских сточных вод Очищенные сточные воды Отопление, вентиляция и ГВС Винтовые R134а с непосредственным

отбором

Станции метро Вытяжной воздух Отопление и охлаждение спиральные R22 с непосредственным отбором
Воздух тоннеля метро Отопление Поршневые R22
Промышленные предприятия Условно чистые сточные воды Горячее водоснабжение спиральный R22 с промежуточным

теплоносителем

Оборотная вода Поршневой R22 с непосредственным

отбором

Винтовые R134а
Трансформаторные подстанции Трансформаторное масло Отопление, вентиляция и ГВс спиральный R407с с промежуточным

теплоносителем

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *