В мире все более заметной становится тенденция к популяризации энергоэффективных инженерных решений и технологий. Рассосредоточенная энергетика обеспечивает более экономное управление потоками энергии, сокращая потери на передачу и распределение. Поэтому использование возобновляемых источников энергии – первоочередная задача современной энергетики, в том числе и теплоэнергетики. Одним из самых распространненых вариантов использования возобновляемой энергии стало применение тепловых насосов.
Тепловые насосы.
Тепловой насос – эффективное оборудование для отопления и холодоснабжения зданий. Принцип работы заключается в использовании энергии окружающей среды (грунт, вода, воздух, излишки тепла систем канализации, вентиляции и промышленных процессов). Главные задачи теплонасосных установок – сохранение первичной энергии (преимущественно относится к ископаемым органическим видам топлива – нефть, газ, уголь) и снижению эксплуатационных затрат конечного потребителя на обогрев и кондиционирование помещений. [2]
Основной показатель, характеризующий энергоэффективность тепловых насосов, как и для любой другой холодильной техники – коэффициент COP (от английского «coefficient of performance» – коэффициент преобразования, коэффициент эффективности). Его расчет ведется по следующей формуле:
COP = Q/ Э
где COP – искомый коэффициент преобразования (единица измерения – о.е., относительная единица); Q – вырабатываемая тепловая энергия (кВт), Э – потребляемая электрическая энергия (кВт). Коэффициент эффективности теплового насоса, зависит от множества факторов, однако производители оборудования приводят характерные показатели для двух точек:
— B0/W35 – поверхностная система отопления на основе теплых полов, теплых стен и потолков;
— B0/W50 – радиаторная система отопления.
Точки взяты в соответствии с европейским стандаром EN 255, описывающим методы и особенности определения тепловых насосов.
Для большинства тепловых насосов европейского производства характерны следующие показатели коэффициента преобразования:
— от 2,7 до 3,3 о.е. для радиаторных систем отопления;
— от 4,5 до 6,0 для систем отопления на основе «теплого пола».
Преимущества тепловых насосов.
Основные преимущества тепловых насосов вытекают из принципа их работы и высоких коэффициентов трансформации. Это:
- Экономичность. Достигается за счет минимальных эксплуатационных расходов и низкой стоимости техобслуживания. При установке тепловых насосов отсутствуют затраты на подведение газопровода, выделение большой электрической мощности или емкости для хранения топлива.
- Экологичность. Достигается за счет отсутствия выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и использования безопасных фреонов, не разрушающих озон.
- Перспективность. Достигается за счет независимости от цен на органические энергоносители (природный или сжиженный газ, твердотопливные энергоносители).
- Безопасность. Оборудование работает без процесса сжигания топлива, который является потенциальным источником возникновения пожара.
- Инновационность. Большое разнообразие схем применения тепловых насосов позволяет использовать их для различных систем отопления, горячего водоснабжения, подогрева бассейна, вентиляции, тротуаров, для кондиционирования помещений.
- Простота управления. Современные системы управления тепловыми насосами позволяют осуществлять управление оборудованием не только из помещения котельной, но и удаленно – посредством 3G или Internetсвязи.
- Надежность. Большая история развития данного направления гарантирует качество и надежность тепловых насосов.
АЗС441 ОАО «Лукойл» (720 км трассы М-4 «Дон», вблиз поселка Верхний Мамон Воронежской области).
На данном автозаправочном комплексе, проектирование которого было начато летом 2013 года, было принято решение поставить современные инженерные системы, отвечающие самым высоким требованиям комфорта и энергосбережения.
Среди инновационных инженерных систем, которые были использованы при строительстве данной АЗС, были:
- Геотермальный тепловой насос
- Система отопления с использованием «теплого пола» и радиаторов для отопления, фанкойлы для отопления и кондиционирования
- Приточно-вытяжная вентиляция с рекуператором высокой эффективности.
Все эти системы были спроектированы и установлены в здании операторной АЗС. Остановимся на подробном рассмотрении энергоэффективной котельной с геотермальным тепловым насосом.
Проектирование.
Для операторной АЗС была использована классическая принципиальная схема, разработанная Вячеславом Афониным, ведущим проектировщиком компании ЭКО-ПРОЕКТ в совместно с инженерами производителя тепловых насосов.
Самый сложный этап проектирования – разработка схемы расположения геотермальных скважин на генеральном плане застройки, его согласование с остальными наружными инженерными сетями. Основные проблемы, которые могут появиться на данном этапе разработки документации – недостаточность размеров участка, выделяемого под скважинное поле и проработка узлов пересечения трубопроводов с гликолесодержащими жидкостями (который чаще всего используется в качестве теплоносителя в геотермальных зондах для отбора низкопотенциального тепла) с сетями электроснабжения, водоснабжения, канализации.
Принципиальная схема котельной с тепловым насосом Stiebel Eltron WPF 66 G, разработанная для АЗС № 441 ОАО «Лукойл»:
Количество скважин определяется расчетами, основные из которых – мощность теплового насоса (подбирается на основе расчетов нагрузок в разделах ОВ, ВК) и максимальная глубина скважины, бурение которой возможно на участке строительства.
Если с проведение тепловых расчетов не является проблемой для большинства проектировщиков инженерных коммуникаций, то с разработкой и наличием инженерно-геологических исследований часто возникают сложности. В большинстве случаев, Заказчик предоставляет отчеты о пробных скважинах до 8 (реже до 12) метров. При разработке же скважинного поля предпочтительно закладывать более глубокие скважины (не только для уменьшения количества скважин и площади геотермального поля, но и для исключения «паразитных» участков – для первых 15 метров скважин характерны сезонные изменения температуры грунта, что негативно сказывается на , который, как мы уже говорили выше, зависит от двух параметров, один из которых – температура источника низкопотенциального тепла – геотермальных скважин в данном случае. Существует несколько методик расчета общей протяженности скважин, холодопроизводительность которых (поток энергии, отбираем теплоносителем – гликолем).
Самая распространенная методика – на основе статистических данных удельного отбора тепла от погонного метра скважин. По нашим данным, закладывая 50-55 Вт отбора тепла с каждого метра геотермальной скважины, обеспечивается стабильная работа геотермальных тепловых насосов.
Геотермальный тепловой насос Stiebel Eltron WPF 66 G, который был подобран для обеспечения нужд тепло- и холодоснабжения АЗС ОАО «Лукойл», имеет номинальные характеристики, приведенные в Таблице 1.
Характеристики
|
|
Тепловая мощность, кВт
|
B0/W35
|
69,0
|
|
Потребление электроэнергии, кВт
|
14,4
|
|
COP, о.е.
|
4,8
|
|
Тепловая мощность, кВт
|
B0/W50
|
65,5
|
|
Потребление электроэнергии, кВт
|
19,7
|
|
COP, о.е.
|
3,3
|
|
Вес, кг
|
655
|
|
Фреон
|
R410A
|
|
Пусковой ток, А
|
78,5
|
Так как тепловой насос StiebelEltronWPF 66 G в разрабатываемом проекте будет работать в основном с низкотемпературными системами отопления (типа «теплый пол»), то отбор тепла от грунта будет составлять:
Qгр = Q - Э = 69,7 - 14,4 = 53,3 кВт, (2)
Для обеспечения такой нагрузки требуется обеспечить следующую суммарную протяженность скважин:
L = (Qгрунта*1000)/55 = 53300/55 = 969 м, (3)
При разработке документации было принято решение задать максимальную глубину скважины 60 метрами. Количество скважин в геотермальном поле в этом случае будет 16 штук.
Существуют более надежные методы определения минимальной необходимой суммарной глубины скважин.
Так, при наличии паспорта скважины на воду, в котором указаны мощность различных слоев грунта, плотность, влажность, теплопроводность и некоторые другие параметры, является возможным провести моделирование отбора низкопотенциального тепла вертикальным геотермальным зондом.
Этот процесс описывается следующим уравнением, которое определяет суммарную глубину скважин:
L = (qуд* Rga+Qгрунт*(Rb+km*Rgm+Rgd*kHL)) / (tгр-tант-∆t), (4)
где используются следующие символы: qуд – усредненная за год величина теплового потока, Вт; Rga – линейное термическое сопротивление грунта, м∙°C/Вт; Rb – линейное термическое сопротивление скважины, м∙°C/Вт. km – коэффициент, усредняющий пиковую тепловую нагрузку; – линейное термическое сопротивление грунта в течение расчетного месяца, м∙°C/Вт; Rgm – линейное термическое сопротивление грунта в течение расчетного дня, м∙°C/Вт; kHL – коэффициент, учитывающий тепловые потери, который принимают равным 1,04; tант – температура теплоносителя в скважине, °С; ∆t – поправка, учитывающая влияние на теплообмен соседних скважин, если расстояние между ними менее 6 метров, °С. [4]
Самый точный метод – бурение пробной скважины и проведение испытания под названием «тепловой отклик», использование которого позволяет получить фактические данные об удельном теплосъеме на реальной скважине на месте строительства, и рассчитать необходимое количество и глубину скважин.
Однако ввиду относительно высокой стоимости проведения испытания «теплового отклика», а также зачастую с отсутствием скважин на воду поблизости к месту строительства подбор глубины и количества скважин осуществляется первым способом – на основе статистических данных по удельному отбору низкопотенциального тепла с погонного метра скважины.
Буровые работы.
Работы по монтажу геотермальных тепловых насосов начинаются с определения местоположения и бурения скважин.
На этом этапе работ в проект были внесены существенные изменения – ожидаемая глубина скважин в 60 метров не подтвердилась. Максимальная глубина скважина составила 35 метров, соответственно количество скважин увеличилось с 16 до 30 штук. Для отбора низкопотенциального тепла были использованы геотермальные зонды UPONOR (материал изготовления – полиэтилен PE100, диаметр 40*2,4 мм). Для увеличения отдачи низкопотенциального тепла грунта скважины заполняются бентонитовой смесью, которая исключает воздушные пробки между грунтом и геотермальным зондом.
В качестве системы сбора и распределения теплоносителя в геотермальных скважинах впервые в России был использован геотермальный колодец UPONORGround 1300. Одна из особенностей колодца – усиленные стенки и люк, которые позволяют выдерживать нагрузку до 40 тонн. Это позволяет устанавливать колодец в зонах парковки и погрузки-разгрузки.
Вторая особенность распределительного колодца UPONOR – балансировочные вентили с расходомерами, позволяющие регулировать расход в геотермальных зондах в диапазоне 5…50 литров в минуту. Это означает, что их пропускной способности будет достаточно для подключения увеличенного количества скважин.
Полная заводская сборка распределительного колодца существенно упрощает и ускоряет процесс монтажа контура источника тепла – горизонтальные участки геотермальных зондов достаточно соединить с выходами распределительной гребенки с помощью электросварной муфты. Кроме того, минимизация работ, проводимых в распределительном колодце, обеспечивает высокую степень гидроизоляции.
Монтаж котельной.
После завершения работ по внешнему контуру (скважинное поле и распределительный колодец) были начаты работы внутри котельной. В целом, они не отличаются от монтажа классической котельной с газовым или электрическим котлом. На рисунке 3.1 представлена фотография с раннего этапа монтажа котельной.
Одна из ключевых особенностей данной котельной – геотермальный тепловой насос StiebelEltronWPF 66 G работает не только на системы отопления и приготовления горячей воды, но и для кондиционирования помещений.
Эта возможность обеспечивается четырьмя трехходовыми клапанами StiebelEltronHUV 80. Электроприводы клапанов, управляемыеконтроллером тепловых насосов, при потребности помещений в кондиционировании (определяется датчиком температуры и влажности в определенном помещении) меняют местами контура источника низкопотенциального тепла и отопления. В этом случае охлажденный теплоноситель из геотермальных зондов поступает к потребителю – системе охлаждения.
Так как при работе режима охлаждения контура источника низкопотенциального тепла и отопления меняются местами, то для ограничения использования гликолесодержащих жидкостей между буферной емкостью (теплоаккумулятор системы отопления, уменьшающий частоту включения компрессора теплового насоса) и тепловым насосом устанавливается промежуточный разделительный теплообменник. На фотографии 3.2 представлен теплообменник AlfaLaval, исполняющий эти функции в котельной АЗС ОАО «Лукойл».
Теплоноситель из буферной емкости Stiebel Eltron SBP 1500 E Cool (нагретый до +60 ˚С в зимнее время и охлажденный до +7 ˚С в летнее время) распределяется по отопительным приборам («теплые полы», радиаторы, фанкойлы) с помощью насосных групп MEIBESс циркуляционными насосами с частотным регулированием, которые управляются контроллером теплового насоса StiebelEltronWPMWII. Фотография распределительной гребенки с насосными группами MEIBESпредставлено на рисунке 3.3.
В проекте были использованы расширительные баки Reflexлинейки NG в контурах источника низкопотенциального тепла, контуре отопления тепловых насосов (до теплообменника AlfaLaval), в контуре отопительных приборов (после теплообменника AlfaLaval). В системе водоснабжения (емкостной бойлер StiebelEltronSBB751 WP) был использован расширительный бак Refixлинейки DT5. Особенность данного бака – наличие проточной арматуры FlowJet. Арматура включает в себя запорные и сливные краны, а также обеспечивает постоянную циркуляцию воды в расширительном баке без ее застоя. На рисунке 3.4 представлена фотография смонтированных в котельных АЗС ОАО «Лукойл» расширительных баков Reflexи Refix.
Пуско-наладочные работы.
По окончании монтажных работ были проведены гидравлические испытания, после чеговсе трубопроводы были утеплены трубной теплоизоляцией K-FlexST. Фотографии геотермального теплового насоса Stiebel Eltron WPF 66 G и емкостного бойлера StiebelEltronSBB 1001 WPпредставлены на рисунках 4.1 и 4.2.
Управление тепловым пунктом полностью автоматизировано. Все управление производится контроллером Stiebel Eltron WPMWII, который собирает сигналы с различных датчиков температуры (в бойлере горячей воды, в буферной емкости, уличный датчик температуры и другие) и двух комнатных термостатов – StiebelEltronFE7 и Stiebel Eltron FEK, которые позволяют регулировать температуру в помещениях, следят за влажностью, управляют насосными группами MEIBES.
Сервисные работы по тепловому пункту максимально упрощены за счет использования модуля дистанционного управления Stiebel Eltron COMBOX GSM, который позволяет устранять абсолютное большинство неисправностей, не покидая офиса сервисного центра.
Экономика проекта.
Любой проект не будет иметь смысла, если он не будет иметь окупаемости (справедливости ради стоит отметить, что для проектов с установками возобновляемой энергетики могут быть актуальными еще и социально-экологические показатели).
Так, окупаемость индивидуальной котельной с тепловым насосом обеспечивается низкими эксплуатационными затратами (в сравнении с классическими котлами на органическом топливе и электричестве). Это достигается за счет высокого коэффициента преобразования теплового насоса. Кроме того, наличие погодозависимой автоматики позволяет снизить температуру нагрева в то время, когда в этом нет необходимости.
В осенний и весенний периоды не требуется высокая мощность для отопления. Отопительная мощность «теплых полов», радиаторов и фанкойлов снижается за счет нагрева теплоносителя в буферной емкости StiebelEltronSBP 1500 ECool до невысоких температур. Снижение температуры нагрева позволяет тепловым насосам работать с большим коэффициентом эффективности , снижая тем самым эксплуатационные затраты.
Расчетный срок окупаемости составляет всего 4 года. Это означает, что инвестиции в тепловые насосы в течение нескольких лет позволят получать прибыль за счет эксплуатации высокотехнологичного энергосберегающего оборудования.
Заключение.
Существует большое количество факторов, которые сдерживают развитие технологий возобновляемой энергетики, в том числе и тепловых насосов. Это объем первоначальных затрат на оборудование и работы, сложность в монтаже (особенно изготовление геотермальных скважин), и низкая степень информированности конечного заказчика.
Однако большинство решений по внедрению тепловых насосов – вне зависимости от источника тепла (воздушные, водяные, геотермальные тепловые насосы), мощности и функциональности – являются для нас уже типовыми решениями. Подтверждение тому – более сотни объектов по всей стране: от Санкт-Петербурга до Сочи, от Москвы до Байкала. Это позволяет с каждым годом увеличивать темпы внедрения тепловых насосов и увеличивать число клиентов.
ЛИТЕРАТУРА
- Баранов Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ. 2012. – 384 стр.: ил. ISBN 978-5-383-00651-1.
- Burkhard Sanner. Ground Source Heat Pumps. Belgium, Brussel. EGEC – European Geothermal Energy Council a.s.b.l. 2009. – 16 стр.: ил.
- «Планирование и установка. Тепловые насосы StiebelEltron». Каталог проектировщика. LLCStiebelEltronRUS, 2010.
- ASHRAE. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. 2007 HVAC Applications. Chapter 32, 33. 2007.