От централизованного теплоснабжения - к тепловым насосам - Статья

Сразу скажем, что заголовок этой статьи пока отражает не столько успешную деятельность в указанном направлении, сколько намерение реализовать первый проект с тепловыми насосами, которые бы обеспечили все потребности существующего городского дома в тепловой энергии. Сейчас эти здания иногда отключают от центральной котельной, установив в них местные газовые котлы, а это - путь в никуда, потому что здание, отсоединенное от тепловой сети, в перспективе станет самым уязвимым узлом городской инфраструктуры после того, как газ исчезнет из газопроводов. И, если в новом строительстве усадебных жилых домов с тепловыми насосами за последние годы у нас наметился некоторый сдвиг, то в городском строительстве никакие существенные сдвиги в этом вопросе пока не замечены, в то время как львиная доля природного газа сжигается у нас с целью теплоснабжения городских зданий. горячий водоснабжение тепловой насос 1) задача теплоснабжения от теплового насоса наполовину уже решена [1-5], поскольку горячее водоснабжение (ГВС) в нем обеспечивается работой теплового насоса, и именно для этого здания разработан рабочий проект модернизации системы теплоснабжения с возможностью его отключения от тепловой сети. Тогда на плоской кровле были установлены калориферы из отслужившего свой век центрального кондиционера, и они были единственным источником тепла, которое при помощи теплового насоса «вода - вода» преобразовывалось в теплоту, использующуюся в системе ГВС в летний период.

Сразу скажем, что заголовок этой статьи пока отражает не столько успешную деятельность в указанном направлении, сколько намерение реализовать первый проект с тепловыми насосами, которые бы обеспечили все потребности существующего городского дома в тепловой энергии.

Нельзя утверждать, что заголовок статьи отвечает общей тенденции развития систем теплоснабжения, потому что централизованное теплоснабжение (ЦТ) от ТЭЦ физически остается самым энергетически эффективным способом использования энергии топлива. Вместе с тем, опыт реконструкции системы теплоснабжения существующего здания, присоединенного к тепловой сети, с возможностью полного от нее отключения при использовании тепловых насосов был бы крайне важен по двум причинам.

Во-первых, значительная часть зданий подключена не к ТЭЦ, а к районным котельным, а эффективность такого теплоснабжения остается крайне низкой. Сейчас эти здания иногда отключают от центральной котельной, установив в них местные газовые котлы, а это - путь в никуда, потому что здание, отсоединенное от тепловой сети, в перспективе станет самым уязвимым узлом городской инфраструктуры после того, как газ исчезнет из газопроводов. Кроме того, при увеличении количества газовых котлов в конкретном районе общее потребление газа увеличивается, а этого допускать не следовало бы, если исходить не из интересов отдельных потребителей, а из интересов общества в целом. В то же время, использование теплового насоса в отключенном от центральной котельной доме, с одной стороны, способствовало бы сокращению потребления газа, а с другой стороны, создавало бы ячейку будущей энергетически эффективной системы, основанной на использовании теплоты окружающей среды.

Во-вторых, давно уже пора переходить от слов об эффективности тепловых насосов к реализации конкретных проектов. И, если в новом строительстве усадебных жилых домов с тепловыми насосами за последние годы у нас наметился некоторый сдвиг, то в городском строительстве никакие существенные сдвиги в этом вопросе пока не замечены, в то время как львиная доля природного газа сжигается у нас с целью теплоснабжения городских зданий. горячий водоснабжение тепловой насос

О реализуемом проекте

В здании общежития аспирантов КИЕВЗНИИЭП (рис. 1) задача теплоснабжения от теплового насоса наполовину уже решена [1-5], поскольку горячее водоснабжение (ГВС) в нем обеспечивается работой теплового насоса, и именно для этого здания разработан рабочий проект модернизации системы теплоснабжения с возможностью его отключения от тепловой сети.

Напомним читателю, что тепловой насос в этом здании работает [1] с 1998 г. Тогда на плоской кровле были установлены калориферы из отслужившего свой век центрального кондиционера, и они были единственным источником тепла, которое при помощи теплового насоса «вода - вода» преобразовывалось в теплоту, использующуюся в системе ГВС в летний период.

В 2006 г. система ГВС здания была дополнена новыми источниками тепла. В подвале были установлены сточно-гликолевые теплообменники, в которых отнималось тепло сточных вод канализационной системы, и грунтовые теплообменники, отбирающие тепло из расположенного непосредственно под пятном дома грунтового массива [2, 3]. На рис. 2 показан внешний вид этих теплообменников.

Позднее были проведены исследования [4, 5], которые позволили оценить значения тепловых потоков от этих теплообменников, что дает возможность осознанно тиражировать их не только на этом, но и на других зданиях.

Несмотря на то, что задача снабжения жителей общежития горячей водой практически решена, попытки решить подобным образом проблему отопления натолкнулись на чрезмерно высокий уровень тепловых потерь существующего здания. Достаточно посмотреть на его внешний вид (рис. 1), чтобы понять, что обогреть такой дом тепловым насосом совершенно немыслимо. Сплошное ленточное остекление, выполненное в старых конструкциях, именуемых попросту «столяркой», обеспечивает слабую теплозащиту и способствует избыточной инфильтрации, а термическое сопротивление кирпичных стен толщиной 51 см, облицованных керамической плиткой, в три раза меньше нормативных значений, регламентированных действующими нормами. Поэтому реконструкция системы отопления предполагает обязательное выполнение работ по утеплению старого здания.

На рис. 3 показан вид изнутри на наружную стену комнаты до реконструкции и после того, как эта реконструкция завершится.

Из рисунка 3 видно, что тепловые потери комнаты уменьшатся в результате комплексного воздействия следующих факторов: уменьшение площади окна до нормативной величины (1/6 часть площади пола);

увеличение термического сопротивления стены;

увеличение термического сопротивления и плотности притворов окна;

применение теплой форточки.

Применение теплой форточки позволяет уменьшить вентиляционную составляющую тепловых потерь помещения примерно в 7 раз, и это на 45% уменьшает тепловую мощность самого теплового насоса и всех связанных с его испарителем приемников тепловой энергии (рис. 4).

В результате утепления здания и сокращения тепловых потерь на вентиляцию, расчетная тепловая мощность Q отопительной системы уменьшилась от Q1=192 до Q2=51, 3 КВТ. Столь существенное уменьшение тепловой мощности позволяет не реконструировать существующую систему отопления с радиаторами, работающими до реконструкции с расчетными температурами 9070 ОС и температурным напором ?t1=64, 5 ОС. Рассчитаем новый температурный напор ?t2, исходя из соотношения: Q1/Q2=(?t1/?t2)n, где n - экспонента радиатора, равная 1, 4.

Подставив в формулу известные значения Q1, Q2 и ?t1, находим ?t2=25, 1 ОС.

Таким образом, при температуре помещений 20 ОС средняя температура теплоносителя в существующей системе отопления хорошо утепленного дома должна быть 45 ОС, а расчетные температуры теплоносителя в системе должны быть 47 - 43 ОС. Это хорошие температуры для пикового режима работы любого теплового насоса, и они значительно ниже предельных для одноступенчатых тепловых насосов температур 55 или 60 ОС.

Схема теплоснабжения здания от тепловых насосов представлена на рис. 5.

Основным источником тепла для существующих фасадных отопительных систем 6 и 7 служит тепловой насос 1, развивающий в пиковом режиме тепловую мощность 51, 3 КВТ при температурах охлажденной в испарителе жидкости - 2 ОС и подогретой в конденсаторе воды до 47 ОС. При этом коэффициент преобразования теплового насоса в этом режиме будет находиться на уровне 3, 4 3, 6. Предполагается, что в режиме переходного периода температура охлажденной в испарителе жидкости поднимется до 5 ОС, а температура воды на выходе из конденсатора опустится до 40 ОС, и в этом режиме коэффициент преобразования теплового насоса достигнет 4, 4 при среднем за отопительный период значении около 3, 9.

Тепловой насос 1 будет использовать теплоту от четырех низкотемпературных источников.

Теплота грунта отнимется от него грунтовыми теплообменниками 4. Как видно из рис. 2, часть теплообменников уже установлена. В действующей системе установлены 60 U-образных петель из полиэтиленовых трубок наружным диаметром 16 мм общей длиной 360 м. Как показали исследования [5], в характерных для пикового режима температурных условиях теплоотдача 1 м такой трубы составила 26 Вт. Дополнительно будут установлены еще 90 U-образных петель, и общая длина трубок достигнет 900 м.

Кроме теплоты грунта, предполагается использовать теплоту вытяжного воздуха существующей гравитационной системы вентиляции здания. Для этого в специально смонтированной на чердаке камере будут установлены охладители вытяжного воздуха 8, через оребренные трубки которых будет циркулировать охлажденный в испарителе теплового насоса 1 гликоль. В этот же гликолевый контур будут включены и охладители фановых труб 9, на внутренней поверхности которых будут конденсироваться пары из влажного воздуха, удаляемого системой вентилирования канализационных трубопроводов. Теплота конденсации этих паров также будет использована для отопления здания.

Еще одним источником тепла для теплового насоса 1 будут солнечные коллекторы 10. Предполагается использование вакуумных коллекторов отечественного производства, о которых уже сообщалось в работе [6]. Такие коллекторы могут работать, используя не только прямое, но и рассеянное солнечное излучение. Вместе с тем, солнечные коллекторы зимой будут работать в течение относительно непродолжительного времени.

Сточно-гликолевые теплообменники 5, предназначенные, главным образом, для работы в системе ГВС, смогут при необходимости работать и на систему отопления в период, когда для подогрева бытовой воды будет использоваться непиковая электроэнергия в часы действия льготного на нее тарифа.

Основным источником тепла для системы ГВС 19 служит тепловой насос 11, развивающий тепловую мощность 27, 1 КВТ при температурах охлажденной в испарителе жидкости 3 ОС и подогретой в конденсаторе воды до 50 ОС с коэффициентом преобразования 3, 6^3, 7. Мощность теплового насоса соответствует средней мощности потребления тепла системой ГВС с учетом устранения максимальных нагрузок посредством использования существующих баков-накопителей 15 (рис. 6).

Насос конденсатора 13 подает в баки-накопители подогретую в конденсаторе теплового насоса воду в объеме, соответствующем мощности теплового насоса, а из холодного водопровода 20 поступает в эти баки вода в объеме потребления. В результате большая часть объема баков будет заполнена холодной водой к концу периода пикового водоразбора, в то время как перед началом этого периода баки будут наполнены горячей водой.

Тепловой насос 11 будет использовать теплоту, главным образом, из сточно-гликолевых теплообменников 5. В летний период источником тепла для теплового насоса останутся существующие приемники теплоты наружного воздуха (рис. 7), составленные из калориферов центрального кондиционера. Опыт их использования показал высокую эффективность такого устройства при температурах наружного воздуха 15 ОС и выше.

Солнечные коллекторы 10 предполагается использовать для восприятия теплоты, которая в летний период может непосредственно, без теплового насоса, подаваться в систему ГВС.

Для этого проектом предусмотрен водоподогреватель 18, в котором подогретый в солнечных коллекторах водный раствор пропиленгликоля передает тепло воде, используемой в системе ГВС. При переменной облачности или наличии только рассеянного солнечного излучения в летний период солнечные коллекторы могут использоваться совместно с тепловым насосом 11.

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

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

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

Электрические котлы и клапана, установленные на линиях подачи теплоносителя к ним, будут при необходимости автоматически включаться в работу в 23 ч., когда начнется действие льготного тарифа на электрическую энергию, и выключаться в 6 ч. утра, когда действие льготного тарифа заканчивается. Необходимость работы электрических котлов должна определяться персоналом с учетом соотношения обычного и льготного тарифов, которое может меняться в соответствии с тарифной политикой государства.

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

В таблице показаны основные технические показатели проекта.

Удельный расход энергии на отопление, равный 13, 7 КВТЧ/(м2.год) на первый взгляд выглядит чрезмерно низким, поскольку он несколько ниже принятого в Европе норматива, характерного для пассивных домов. На самом деле, здание общежития после его реконструкции, хотя и будет иметь многие признаки пассивного дома, все же таковым не является, поскольку оно отапливается тепловым насосом, в то время как пассивные дома обогреваются, в основном, за счет внутренних тепловыделений.

Чрезмерно низкое значение удельного расхода энергии, затрачиваемой на отопление, объясняется тем, что энергия эта - электрическая, а для того, чтобы сопоставить реконструированное здание общежития с другими энергоэффективными сооружениями, нужно умножить проектное значение удельных энергозатрат на среднюю величину коэффициента преобразования, т.е. на 3, 9. Полученный результат - 53, 4 КВТ.ч/(м2.год), если он будет подтвержден при реализации проекта, позволит отнести реконструированное здание к числу самых эффективных гражданских сооружений с активной системой отопления.

1.Первый опыт горячего водоснабжения от теплового насоса. «Энергосбережение в зданиях», № 7 (№ 3, 1998).

2.Теплопункт с кондиционированием. «Энергосбережение в зданиях», № 26 (№ 3, 2005).

3.Этапы модернизации теплоснабжения жилого дома. «Энергосбережение в зданиях», № 29 (№ 2, 2006).

4.Подарок от теплового насоса. «Энергосбережение в зданиях», № 31 (№ 4, 2006).

5.Исследование работы теплового насоса, использующего теплоту канализационных стоков и грунта. «Энергосбережение в зданиях», № 34 (№ 3, 2007).

6.Плоские и вакуумные солнечные коллекторы. «Энергосбережение в зданиях», № 44 (№ 1, 2009).

Размещено на .ru