Теплонасосные установки. Установка теплонасоса для отопления частного дома: правила монтажа систем вода-вода, воздух-вода и грунт-вода

Основное отличие теплового насоса от всех остальных источников тепла заключается в его исключительной возможности использовать возобновляемую низкотемпературную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды. Порядка 80% от выдаваемой мощности тепловой насос фактически «выкачивает» из окружающей среды, используя рассеянную энергию Солнца.

Как работает тепловой насос

Холодильник, всем известно, переносит тепло из внутренней камеры на радиатор и мы пользуемся холодом внутри холодильника. Тепловой насос - это холодильник «наоборот». Он переносит рассеянное тепло из окружающей среды в наш дом.

Теплоноситель (в роли которого выступают вода или рассол), взявший несколько градусов из окружающей среды, проходит через теплообменник теплового насоса, называемый испарителем, и отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом, который, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре 5°С. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник - конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

Преимущества теплового насоса

• - Экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД (от 300% до 800%) и позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3-8 кВт тепловой энергии, или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе.
• - Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования как для окружающей среды так и для людей, находящихся в помещении. Применение тепловых насосов - это сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу. Тепловые насосы установки, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,2-2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива.
• - Безопасность. Нет открытого пламени, нет сажи, нет выхлопа, нет запаха солярки, исключены утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для топлива.
• - Надежность. Минимум подвижных частей. Высокий ресурс работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15-25 лет.
• - Комфорт. Тепловой насос работает бесшумно (не громче холодильника), а погодозависимая автоматика и мультизональный климатический контроль создают комфорт и уют в помещениях.
• - Гибкость. Тепловой насос совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях.
• - Универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической или тепловой).
• - Широкий диапазон мощностей (от долей до десятков тысяч кВт).

Применение тепловых насосов

Область применения тепловых насосов поистине безгранична. Все вышеуказанные преимущества этого оборудования позволяют легко решать вопросы теплоснабжения городского комплекса и объектов, расположенных вдали от коммуникаций, - будь то фермерское хозяйство, коттеджный поселок или АЗС на трассе. В целом тепловой насос универсален и применим как в гражданском и промышленном, так и в частном строительстве.

На сегодняшний день тепловые насосы широко применяются во всем мире. Количество тепловых насосов, работающих в США, Японии и Европе, исчисляется десятками миллионов штук.

Производство тепловых насосов в каждой стране прежде всего ориентировано на удовлетворение потребностей внутреннего рынка. В США и Японии наибольшее применение получили теплонасосные установки (ТНУ) класса «воздух-воздух» для отопления и летнего кондиционирования воздуха. В Европе - ТНУ класса «вода-вода» и «вода-воздух». В США исследованиями и производством тепловых насосов занимаются более шестидесяти фирм. В Японии ежегодный выпуск ТНУ превышает 500 тысяч единиц. В Германии ежегодно вводится более 5 тысяч установок. В странах Скандинавии эксплуатируются в основном крупные ТНУ. В Швеции уже к 2000 году эксплуатировалось более 110 тысяч теплонасосных станций (ТНС), 100 из которых имели мощность около 100 МВт и выше. Наиболее мощная ТНС (320 МВт) работает в Стокгольме.

Популярность тепловых насосов в Западной Европе, США и странах Юго-Восточной Азии во многом обусловлена мягкими климатическими условиями в этих регионах (с плюсовой средней температурой зимой), высокими ценами на топливо и наличием целевых государственных программ поддержки этого направления климатического рынка.

Ситуация с тепловыми насосами в нашей стране принципиально иная, и на то есть свои причины. Во-первых, особенности российского климата с низкими температурами в зимнее время предъявляют особые требования к параметрам тепловых насосов и условиям их установки. В частности, при возрастании мощности теплового насоса встает проблема теплосъема, так как теплоотдача сред (водоем, грунт, воздух) ограничена и достаточно мала.

Кроме того, в России искусственно занижены цены на газ, поэтому об ощутимых экономических выгодах от использования такого рода оборудования говорить не приходится, особенно при отсутствии культуры потребления и экономии электроэнергии. У нас нет государственной поддержки программы энергозамещения, не было и нет отечественных производителей тепловых насосов.

Вместе с тем, потребности России в таком оборудовании огромны, и востребованной представляется вся «линейка» тепловых насосов мощностью 5, 10, 25, 100 и 1000 кВт. Так, в средней полосе России для отопления дома площадью 100 м2 необходимо иметь тепловую мощность в 5-10 кВт, а насоса с тепловой мощностью 100 кВт достаточно для отопления типовых школ, больниц и административных зданий. Тепловые насосы мощностью 1000 кВт удобны для задач возврата тепловых отходов, использования горячих источников. По оценкам специалистов, стоимость установки теплового насоса в российских условиях оценивается примерно от 300 долларов США за 1 кВт тепловой мощности при сроке окупаемости оборудования от двух до четырех лет, что в первую очередь зависит от цен на топливо и климатических условий конкретного региона.

Введение в эксплуатацию порядка 100 тысяч тепловых насосов суммарной тепловой мощностью в 2 гВт позволит дать тепло 10 миллионам человек при среднем сроке службы теплового насоса в 15 лет. Объем продаж такого оборудования может составить более полумиллиарда долларов в год.

Д.т.н. В.Е. Беляев, главный конструктор ОМКБ Горизонт,
д.т.н. А.С. Косой, заместитель главного конструктора промышленных ГТУ,
главный конструктор проектов,
к.т.н. Ю.Н. Соколов, начальник сектора тепловых насосов ОМКБ Горизонт,
ФГУП «ММПП «Салют», г. Москва

Использование теплонасосных установок (ТНУ) для энергетики, промышленности и предприятий ЖКХ является одним из наиболее перспективных направлений энергосберегающих и экологически чистых энерготехнологий.

Достаточно серьезный анализ состояния и перспектив развития работ в указанной области был сделан на заседании подсекции «Теплофикация и централизованное теплоснабжение» НТС ОАО РАО «ЕЭС России» 15.09.2004 г. .

Необходимость создания и внедрения ТНУ нового поколения связана с:

♦ огромным отставанием Российской Федерации и стран СНГ в области практического внедрения ТНУ, всевозрастающими потребностями крупных городов, удаленных населенных пунктов, промышленности и предприятий ЖКХ в разработке и использовании дешевой и экологически чистой тепловой энергии (ТЭ);

♦ наличием мощных источников низкопотенциального тепла (грунтовые воды, реки и озера, тепловые выбросы предприятий, зданий и сооружений);

♦ всевозрастающими ограничениями в использовании для теплогенерирующих установок природного газа (ПГ);

♦ возможностями использования прогрессивных конверсионных технологий, накопленных в авиадвигателестроении.

В условиях рыночных отношений важнейшими технико-экономическими показателями эффективности энергогенерирующих установок являются себестоимость и рентабельность производимой энергии (с учетом экологических требований) и, как следствие, - минимизация сроков окупаемости энергоустановок.

Основными критериями выполнения этих требований являются:

♦ достижение максимально возможного в энергоустановке коэффициента использования топлива (КИТ) (отношение полезной энергии к энергии топлива);

♦ предельно возможное снижение капитальных затрат и сроков сооружения энергоустановки.

Вышеназванные критерии были учтены при реализации ТНУ нового поколения.

Впервые для практической реализации крупномасштабных ТНУ в качестве рабочего тела предложено использовать водяной пар (R718). Сама идея использования водяного пара для ТНУ не нова (более того, она была использована В. Томсоном при демонстрации работоспособности первой такой реальной машины еще в 1852 г. - прим. авт.). Однако, из-за весьма значительных удельных объемов водяного пара при низких температурах (по сравнению с традиционными хладонами), создание реального компрессора на водяном паре для использования в парокомпрессионных ТНУ до сих пор осуществлено не было.

Основными преимуществами использования водяного пара в качестве рабочего тела для ТНУ по сравнению с традиционными хладонами (фреоны, бутан, пропан, аммиак и др.) являются:

1. Экологическая чистота, безопасность и простота технологического обслуживания, доступность и низкая стоимость рабочего тела;

2. Высокие теплофизические свойства, благодаря которым наиболее дорогие элементы ТНУ (конденсатор и испаритель) становятся компактными и дешевыми;

3. Существенно более высокие температуры теплоносителя к потребителю (до 100 ОС и выше) по сравнению с 70-80 ОС для фреонов;

4. Возможность реализации каскадной схемы повышения температуры от низкопотенциального источника к теплопотребителю (по циклу Лоренца ) с увеличением коэффициента преобразования в ТНУ (kТНУ) по сравнению с традиционными в 1,5-2 раза;

5. Возможность генерирования в ТНУ химически очищенной воды (дистиллята);

6. Возможность использования компрессора и конденсатора ТНУ для:

♦ отсоса водяного пара с выхода теплофикационных турбин с передачей бросового тепла теплопотребителю, приводящего дополнительно к повышению вакуума на выходе из турбины, увеличению ее генерируемой мощности, снижению расхода циркуляционной воды, затрат на ее перекачку и тепловых выбросов в атмосферу ;

♦ отсоса низкопотенциального водяного пара (бросового) из энерготехнологических устано-

вок химического производства, сушильных и др. с передачей бросовой теплоты к теплопотреби-телю;

♦ создания высокоэффективных эжектирую-щих устройств для конденсаторов паровых турбин, отсоса многокомпонентных смесей и т.д.

Принципиальная схема работы ТНУ на водяном паре и ее конструктивные особенности

На рис. 1 показана принципиальная схема работы ТНУ при использовании в качестве рабочего тела водяного пара (R718).

Особенностью предлагаемой схемы является возможность организации отбора теплоты низкотемпературного источника в испарителе за счет непосредственного испарения части подаваемой в него воды (без теплообменных поверхностей), а также возможность передачи теплоты в теплосеть в конденсаторе ТНУ как при наличии теплообменных поверхностей, так и без них (смесительного типа). Выбор типа конструкции определяется привязкой ТНУ к конкретному источнику низкопотенциального источника и требованиями теплопотребителя по использованию поступающего к нему теплоносителя.

Для практической реализации крупномасштабной ТНУ на водяном паре предложено использовать серийно выпускаемый авиационный осевой компрессор АЛ-21, имеющий следующие важные особенности при его использовании для работы на водяном паре:

♦ большую объемную производительность (до 210 тыс. м3/ч) при числе оборотов ротора компрессора около 8 тыс. об/мин;

♦ наличие 10 регулируемых ступеней, позволяющих обеспечить эффективную работу компрессора в различных режимах;

♦ возможность осуществления впрыска воды в компрессор для улучшения эффективности работы, в том числе снижения потребляемой мощности .

Кроме того, для повышения надежности работы и снижения эксплуатационных затрат было принято решение заменить подшипники качения на подшипники скольжения, использовав при этом вместо традиционной масляной системы систему смазки и охлаждения на воде.

Для изучения газодинамических характеристик компрессора при работе на водяном паре в широком диапазоне определяющих параметров, отработки элементов конструкции и демонстрации надежности работы компрессора в условиях натурных испытаний, был создал на полигон-электростанции ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» крупномасштабный испытательный стенд (замкнутого типа, диаметр трубопроводов 800 мм, длина около 50 м ).

В результате проведения испытаний были получены следующие важные результаты:

♦ подтверждена возможность эффективной и устойчивой работы компрессора на водяном паре при n=8000-8800 об/мин с объемным расходом водяного пара до 210 тыс. м3/ч.

♦ продемонстрирована возможность достижения глубокого вакуума на входе в компрессор (0,008 ата);

♦ экспериментально полученный коэффициент сжатия в компрессоре πκ=5 в 1,5 раза превысил требуемое значение для ТНУ с коэффициентом преобразования 7-8;

♦ отработана надежная конструкция подшипников скольжения компрессора на воде.

В зависимости от условий эксплуатации ТНУ предлагается 2 типа ее компоновки : вертикальная (ТНУ в одном агрегате) и горизонтальная.

Для ряда модификаций предлагаемой вертикальной компоновки ТНУ возможна замена трубчатого конденсатора на конденсатор оросительного типа. В этом случае конденсат рабочего тела ТНУ смешивается с теплоносителем (водой) к потребителю. Стоимость ТНУ при этом снижается примерно на 20%.

В качестве привода компрессора ТНУ может быть использован:

♦ встроенный турбопривод мощностью до 2 МВт (для ТНУ производительностью до 15 МВт);

♦ выносные высокооборотные турбоприводы (для ТНУ производительностью до 30 МВт);

♦ газотурбинные двигатели с утилизацией ТЭ с выхода;

♦ электропривод.

В табл. 1 приведены характеристики ТНУ на водяном паре (R718) и фреоне 142.

При использовании в качестве низкопотенциального источника теплоты с температурой 5-25 ОС по технико-экономическим соображениям в качестве рабочего тела ТНУ выбран фреон 142.

Сопоставительный анализ показывает, что для ТНУ на водяном паре капитальные затраты в между водяным теплоносителем и рабочим телом (фреоном).

диапазоне температур низкопотенциального источника:

♦ 25-40 ОС - в 1,3-2 раза ниже, чем для традиционных отечественных ТНУ на фреоне и в 2-3 раза ниже, чем для зарубежных ТНУ;

♦ 40-55 ОС - в 2-2,5 раза ниже, чем для традиционных отечественных ТНУ на фреоне и в 2,5-4 раза ниже, чем для зарубежных ТНУ.

Таблица 1. Характеристики ТНУ на водяном паре и фреоне.

*- при работе на фреоне испаритель и конденсатор ТНУ выполняются с теплообменными поверхностями

**-Т- турбопривод; Г- газотурбинный (газопоршневой); Э - электропривод.

В работе в условиях реальной эксплуатации ТНУ на ТЭЦ была продемонстрирована возможность эффективной передачи в теплосеть сбросной теплоты из паровой турбины с коэффициентом преобразования ТНУ равным 5-6. В предложенной в и показанной на рис. 2 схеме коэффициент преобразования ТНУ будет существенно выше за счет исключения испарителя ТНУ и, соответственно, отсутствия температурного перепада между низкотемпературным источником и рабочим паром на входе в компрессор.

В настоящее время создание высокоэффективных и экологически чистых теплогенерирующих энергоустановок на базе ТНУ является крайне актуальной задачей .

В описаны результаты внедрения ТНУ различного типа для нужд теплоснабжения, промышленных предприятий и ЖКХ.

В на основе реальных испытаний ТНУ на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» предложены 2 конкретные схемы передачи сбросной теплоты в градирни с помощью ТНУ в теплосеть (прямая передача в обратную тепломагистраль и для нагрева подпиточной сетевой воды).

В проанализированы пути создания высокоэффективных компрессионных ТНУ на водяном паре при использовании в качестве низкопотенциального источника теплоты в диапазоне температур от 30 до 65 ОС с газотурбинным приводом компрессора и утилизацией теплоты уходящих газов из ГТУ. Результаты технико-экономического анализа показали, что в зависимости от условий, себестоимость генерируемой теплоты ТНУ может в несколько раз быть ниже (а КИТ в несколько раз выше), чем при традиционной выработке теплоты на ТЭЦ.

В проведен анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения (ГВС). Показано, что эта эффективность существенно зависит от действующих тарифов на энергоносители и температуры используемой низкопотенциальной теплоты, поэтому к проблеме использования ТНУ необходимо подходить взвешенно, с учетом всех конкретных условий.

ТНУ в качестве альтернативного источника ГВС потребителей централизованного теплоснабжения в отопительный период

В настоящей работе, на основе накопленного опыта, анализируется возможность и технико-экономические показатели более углубленного по сравнению с использования ТНУ для ГВС, в частности, практически 100% вытеснения теплоты от традиционных ТЭЦ на эти цели в отопительный период.

Для примера рассмотрена возможность реализации такого подхода для наиболее крупного Московского региона РФ при использовании в качестве бросовой теплоты двух источников:

♦ теплоты естественных природных водных источников: Москва-реки, озер, водоемов и других со средней температурой около 10 ОС;

♦ сбросной теплоты канализационных стоков и других источников;

♦ сбросной теплоты в градирни (с выхода паровых турбин ТЭЦ в отопительный период в режиме вентиляционного пропуска с температурой пара на выходе 30-35 ОС). Суммарная величина этой теплоты составляет около 2,5 тыс. МВт.

В настоящее время на нужды ГВС Московского региона расходуется около 5 тыс. МВт ТЭ (примерно 0,5 кВт на 1 чел.). Основное количество теплоты для ГВС поступает от ТЭЦ по системе централизованного теплоснабжения и осуществляется на ЦТП московской городской теплосети. Нагрев воды на ГВС (от ~10 ОС до 60 ОС) осуществляется, как правило, в 2-х последовательно включенных теплообменниках 7 и 8 (рис. 3) сначала от теплоты сетевой воды в обратной тепломагистрали и затем от теплоты сетевой воды в прямой тепломагистрали. При этом на нужды ГВС расходуется ~650-680 т у.т./ч ПГ.

Реализация схемы расширенного (комплексного) использования вышеуказанных источников бросовой теплоты для ГВС с помощью системы двух ТНУ (на фреоне и водяном паре, рис. 4) позволяет в отопительный период практически 100% скомпенсировать около 5 тыс. МВт теплоты (соответственно, сэкономить огромное количество ПГ, уменьшить тепловые и вредные выбросы в атмосферу).

Естественно, при наличии действующих ТЭЦ в неотопительный период времени с помощью ТНУ передавать теплоту нецелесообразно, поскольку ТЭЦ из-за отсутствия тепловой нагрузки вынуждены переходить в конденсационный режим работы со сбросом в градирни большого количества теплоты сожженного топлива (до 50%).

Теплонасосная установка ТНУ-1 с рабочим телом на фреоне (R142) может обеспечить нагрев воды от ~10 ОС на входе в испаритель 10 до ~35 ОС на выходе из него, используя в качестве низкотемпературного природного источника воду с температурой около 10 ОС с kТНУ около 5,5. При использовании в качестве низкотемпературного источника сбросной воды промышленных предприятий или ЖКХ ее температура может значительно превышать 10 ОС. В этом случае kТНУ будет еще выше.

Таким образом, ТНУ-1 может с большой эффективностью обеспечить 50% нагрев воды для ГВС суммарной величиной передаваемой теплоты до 2,5 тыс. МВт и выше. Масштабы внедрения таких ТНУ достаточно велики. При средней единичной тепловой мощности ТНУ-1 около 10 МВт только для Московского региона потребовалось бы около 250 таких ТНУ.

При kТНУ=5,5 на привод компрессоров ТНУ необходимо затратить около 450 МВт электрической или механической мощности (при приводе, например, от ГТУ). Теплонасосные установки ТНУ-1 должны устанавливаться вблизи от тепло-потребителя (на ЦТП городской теплосети).

Теплонасосные установки ТНУ-2 устанавливаются на ТЭЦ (рис. 4) и используют в отопительный период в качестве низкотемпературного источника пар с выхода теплофикационных турбин (вентиляционный пропуск части низкого давления (ЧНД)). При этом, как уже отмечалось выше, пар с температурой 30-35 ОС поступает непосредственно в компрессор 13 (рис. 2, испаритель ТНУ отсутствует) и после его сжатия подается в конденсатор 14 теплонасосной установки ТНУ-2 на нагрев воды из обратной сетевой магистрали.

Конструктивно пар может отбираться, например, через предохранительный (сбросной) клапан ЧНД паровой турбины 1. Компрессор 13, создавая существенно более низкое давление на выходе из ЧНД турбины 1 (чем при отсутствии ТНУ-2), соответственно, снижает температуру конденсации (насыщения) пара и «отключает» конденсатор турбины 3.

На рис. 4 схематично показан случай, когда бросовая теплота передается конденсатором 14 в обратную тепломагистраль до ПСВ 4. В этом случае даже при передаче всей бросовой теплоты с выхода ЧНД турбины в обратную тепломагистраль температура перед ПСВ увеличится всего на ~5 ОС, незначительно повысив при этом давление греющего пара из отбора турбины на ПСВ 4.

Более эффективно передать сначала часть сбросной теплоты на нагрев подпиточной сетевой воды (вместо ее традиционного нагрева отборным паром из турбины), а затем уже остаток сбросной теплоты отдать в обратную тепломагистраль (на рис. 4 этот вариант не показан).

Важным результатом предлагаемого подхода является возможность вытеснения с помощью дополнительно установленных на ТЭЦ ТНУ-2 в отопительный период применительно к Московскому региону до 2,5 тыс. МВтТЭ (передаваемых пиковыми водогрейными котлами). При единичной мощности ТНУ-2 на водяном паре равной ~6-7 МВт для передачи такого количества теплоты потребовалось бы 350-400 таких установок.

Учитывая весьма низкий уровень температурного перепада в ТНУ (~15 ОС между низкотемпературным источником и температурой обратной сетевой воды), коэффициент преобразования ТНУ-2 будет еще более высоким (kТНУ ~6,8), чем для ТНУ-1. При этом для передачи в теплосеть ~2,5 тыс. МВтТЭ необходимо суммарно затратить около 370 МВт электрической (или механической) энергии.

Таким образом, суммарно с помощью ТНУ-1 и ТНУ-2 в отопительный период на нужды ГВС Московского региона можно передать до 5 тыс. МВт ТЭ. В табл. 2 дана технико-экономическая оценка такого предложения.

В качестве привода ТНУ-1 и ТНУ-2 может быть использован газотурбинный привод с N=1 -5 МВт и КПД 40-42% (за счет регенерации теплоты уходящих газов). При затруднениях, связанных с установкой на ЦТП городской теплосети ГТУ (дополнительный подвод ПГ и др.), в качестве привода для ТНУ-1 может использоваться электропривод.

Технико-экономические оценки сделаны для тарифов на топливо и ТЭ на начало 2005 г. Важным результатом анализа является существенно более низкая себестоимость генерируемой ТЭ с помощью ТНУ (для ТНУ-1 - 193 руб./Гкал и ТНУ-2 - 168 руб./Гкал) по сравнению с традиционным способом ее генерирования на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго».

Известно, что в настоящее время себестоимость ТЭ, рассчитанная по так называемому «физическому способу разделения топлива на производство электроэнергии и тепла», значительно превышает 400 руб./Гкал (тариф на ТЭ). При таком подходе производство тепла даже на самых современных ТЭЦ является нерентабельным, и эта убыточность компенсируется увеличением тарифов на электроэнергию.

На наш взгляд, такая методика разделения затрат топлива некорректна, но до сих пор используется, например, в ОАО «Мосэнерго».

По нашему мнению, приведенные в табл. 2 сроки окупаемости ТНУ (от 4,1 до 4,7 лет) не являются большими. При расчете принято 5 тыс. часов работы ТНУ в году. В действительности, в летний период времени эти установки могут работать по примеру передовых западных стран в режиме централизованного холодоснабжения, существенно улучшая при этом среднегодовые технико-экономические показатели работы.

Из табл. 2 видно, что КИТ для указанных ТНУ варьируется в диапазоне от~2,6 до~3,1, что более чем в 3 раза превышает его значение для традиционных ТЭЦ. С учетом пропорционального снижения тепловых и вредных выбросов в атмосферу, затрат на перекачку и потери циркуляционной воды в системе: конденсатор турбины - градирня, повышения вакуума на выходе ЧНД турбин (при работе ТНУ-2) и, соответственно, генерируемой мощности, технико-экономические преимущества указанного предложения будут еще более значительными.

Таблица 2. Технико-экономическое обоснование использования ТНУ на водяном паре и фреоне.

* - дополнительная теплота при утилизации тепла уходящих газов из газотурбинных приводных установок может быть использована для вытеснения части теплоты от ТЭЦ на централизованное теплоснабжение.

С учетом неизбежного роста цен на энергоносители при вступлении России в ВТО, ограничений на использование ПГ для энергетики и потребностей широкого внедрения высокоэффективных энергосберегающих и экологически чистых энерготехнологий технико-экономические преимущества внедрения ТНУ будут неизменно расти.

Литература

1. Новое поколение тепловых насосов для целей теплоснабжения и эффективность их использования в условиях рыночной экономики // Материалы заседания подсекции Теплофикации и централизованного теплоснабжения НТС ОАО РАО «ЕЭС России», Москва, 15 сентября 2004 г.

2. АндрюшенкоА.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. - М.: Высш. школа, 1985 г.

3. Беляев В.Е., Косой А.С., Соколов Ю.Н. Способ получения тепловой энергии. Патент РФ № 2224118 от 05.07.2002г., ФГУП«ММПП«Салют».

4. Середа С.О., Гельмедов Ф.Ш., Сачкова Н.Г. Расчетные оценки изменения характеристик многоступенчатого

компрессора под влиянием испарения воды в его проточной части, ММПП «Салют»-ЦИАМ// Теплоэнергетика. 2004. №11.

5. Елисеев Ю.С., Беляев В.В., Косой А.С., Соколов Ю.Н. Проблемы создания высокоэффективной парокомпрес-сионной установки нового поколения. Препринт ФГУП «ММПП «Салют», май 2005.

6. ДевянинД.Н., Пищиков С.И., Соколов Ю.Н. Разработка и испытание на ТЭЦ-28 ОАО «Мосэнерго» лабораторного стенда по апробации схем использования ТНУ в энергетике // «Новости теплоснабжения». 2000. № 1. С. 33-36.

7. Проценко В. П. О новой концепции теплоснабжения РАО «ЕЭС России» // Энерго-пресс, № 11-12, 1999.

8. Фролов В.П., Щербаков С.Н., Фролов М.В., Шелгин-ский А.Я. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // «Энергосбережение». 2004. №2.

Одним из самых популярных видов оборудования на рынке климатической техники России и СНГ являются тепловые насосы. Их предпочитают использовать многие покупатели, желающие создать эффективную систему охлаждения и обогрева своих домов и офисов, однако очень немногие хорошо себе представляют принципы работы этой техники и зачастую даже не осведомлены, в каких ситуациях ее лучше использовать. А тем временем основных вопросов, касающихся работы теплонасосных установок, несколько, и разобраться в них будет несложно даже новичкам.

Что такое тепловые насосы?

К этой категории оборудования относится техника, которая способна утилизировать тепло, получаемое из окружающей среды, при помощи компрессора увеличивать до заданного уровня температуру теплоносителя и затем передавать тепло в определенное помещение. При этом тепловые насосы могут извлекать тепло из любых носителей, буквально «выкачивая» его из окружающей среды. Таким образом насосы способны работать с:

• холодным, морозным воздухом,
• холодной водой,
• землей.

Понижая температуру теплоносителя, такое климатическое оборудование может эффективно обогревать любые здания.

Технические характеристики работы насоса

В целом, теплонасосная установка в отличие от других видов климатического оборудования затрачивает минимальное количество электроэнергии в процессе своей работы . В среднем ей нужно потратить только 1 кВт энергии, и этого будет достаточно для производства 3-6 кВт тепла. Другими словами, используя мощность 2-3 обычных лампочек, зимой можно эффективно обогреть жилое помещение средних размеров . Летом эта же мощность может расходоваться на то, чтобы помещение охладить: в этом случае тепловой насос будет поглощать теплоту из воздуха, находящегося в комнате, и выводить его в атмосферу, в землю или в воду, создавая прохладу в любой комнате.

Какими бывают тепловые насосы?

В продаже широко представлено оборудование, которое можно использовать в различных сферах , включая:

• жилые помещения,
• сельскохозяйственные предприятия,
• промышленные предприятия,
• жилищно-коммунальное хозяйство.

Разумеется, теплонасосные установки для разных помещений имеют разные характеристики и могут даже различаться габаритами. При этом насосы имеют различную тепловую мощность (от нескольких кВт и до сотен мегаВт), а также могут работать с разными источниками тепла, независимо от их агрегатных состояний (твердыми, жидкими или газообразными). Учитывая особенности работы такого оборудования, теплонасосные установки делятся на такие типы:

• вода-вода,
• воздух-вода,
• вода-воздух,
• воздух-воздух,
• грунт-вода,
• грунт-воздух.

Также на рынке представлены тепловые насосы, которые специально разработаны для работы с низкопотенциальным теплом . Источники такого тепла могут иметь даже отрицательную температуру, а тепловой насос в этом случае служит приемником высокопотенциального тепла, принимающего даже очень высокую температуру (более 1 тыс. градусов). В целом, по тому, с какой температурой установка работает, она подразделяется на:

• низкотемпературную,
• среднетемпературную,
• высокотемпературную.

Еще один параметр, по которому различают теплонасосные установки, связан с их техническим устройством. По этому показателю оборудование делится на такие типы, как:

• абсорбционный,
• парокомпрессионный.

Как правило, все тепловые насосы, независимо от их разновидности, работают с электрической энергией, однако в определенных случаях их можно переключить и на другие виды энергии, используя разнообразное топливо. По специфике этого топлива и работы самого оборудования теплонасосные установки подразделяются на такие разновидности:

• прибор для отопления, использующий тепло от грунтовых вод,
• насос для горячего водоснабжения, работающий с теплом, получаемым из естественных водоемов,
• установка-кондиционер, работающая на морской воде,
• установка-кондиционер, использующая наружный воздух,
• насос для нагрева воды в плавательных бассейнах, работающая на наружном воздухе,
• теплонасосная установка для системы теплоснабжения, утилизирующая тепло, выделяемое инженерно-техническим оборудованием,
• прибор, работающий на молоке - он служит для охлаждения молока и последующего горячего водоснабжения и используется на молочных фермах,
• установка для утилизации тепла, получаемого в результате технологических процессов, - служит для подогрева приточного воздуха.

Также встречаются и другие виды такого оборудования. При этом, как правило, тепловые насосы любого типа выпускаются серийно, однако отдельные уникальные установки могут изготавливаться по эксклюзивным проектам. Также можно найти экспериментальные тепловые насосы, множество еще не претворенных в жизнь чертежей и опытно-промышленные образцы такой техники, которые тоже могут быть использованы в каком-либо специальном помещении.

Все теплонасосные установки можно объединять в единую систему. Это необходимо, если на одном объекте работает несколько единиц такого оборудования, производящих как тепло, так и холод. Объединение их воедино только увеличит их эффективность, и на средних или крупных объектах рекомендуют сразу планировать создание подобного комплексного оборудования.

Что такое кольцевые системы кондиционирования?

Такая система комплектуется на основе тепловых насосов разных типов, хотя обычно для этих целей используется установка типа воздух-воздух. Тепловой насос в этом случае служит, как кондиционер: он устанавливается непосредственно в охлаждаемом помещении, а мощность такой техники подбирается в соответствии с рядом параметров. Среди них:

• характеристики самой комнаты,
• назначение помещения,
• количество людей, которые в нем находятся,
• оборудование, которое в нем установлено или будет устанавливаться.

Установки, предназначенные для кондиционирования воздуха, всегда являются реверсивными - они одновременно и охлаждают, и выделяют тепло. Связывает их общий водяной контур - трубопровод, по которому циркулирует вода, являясь как источником, так и приемником тепла. В итоге температура внутри контура может колебаться в пределах 18-32 градусов, и именно через него между тепловыми насосами, нагревающими воздух, и между оборудованием, охлаждающим его, происходит обмен теплом. Если в разных помещениях нужно создать климат с разными характеристиками, тепловые насосы просто переносят тепло из комнат, которые имеют его избыток, в помещения, где тепла не хватает. Это позволяет создать кольцевой обмен теплом между различными зонами, и такая система является очень эффективной и экономичной.

При этом кольцевые системы могут иметь в своем составе не только кондиционирующее оборудование, но и другие установки. В частности, такие приборы могут утилизировать бросовое тепло. Это требуется там, где имеются довольно большие потребности в тепле, например:

• на объектах, где имеется интенсивный поток сточных вод : теплонасосная установка типа вода-вода сможет легко утилизировать тепло, исходящее от него, и направить его при помощи кольцевого контура на обогрев помещений;
• на объектах с вытяжной вентиляцией, удаляющей воздух из здания (при условии, что в воздухе не будет слишком большого количества примесей, которые затруднили бы работу теплового насоса): в этом случае понадобится установка типа воздух-вода, которая будет утилизировать тепло из «ненужного» воздуха и передавать его для обогрева помещения или нагрева воды,
• на объектах, где есть и сточные воды, и вытяжная вентиляция - на них кольцевые системы можно использовать для удаления лишнего тепла из водяного контура (обычно это делается только в теплое время года), что снизит мощность градирни.

В любой ситуации кольцевая система позволяет использовать тепло многократно и отправлять его на нужды абсолютно всех потребителей, находящих в здании, и именно в этом заключается ее уникальность, ведь традиционные рекуператоры и регенераторы на такое не способны . Более того, такая система более эффективно утилизирует тепло, поскольку ее работа никак не зависит от температуры воздуха, который забирается приточной вентиляцией, и от заданной температуры воздуха, который поступает в помещения.

Летом кольцевая система, работающая на основе теплонасосной установки типа вода-вода, способна эффективно удалять излишки тепла из водяного контура, утилизируя их через потребителей: избыточное тепло подается в систему горячего водоснабжения, и его обычно достаточно для того, чтобы удовлетворить все потребности обитателей любого помещения в горячей воде . Особенно эффективной такая система будет на объектах с несколькими плавательными бассейнами (дома отдыха, отели, оздоровительные центры) - с ее помощью нагревать воду в бассейнах можно будет очень быстро и без лишних затрат.

Сочетается ли кольцевая система с другими системами оборудования?

Безусловно, да, и прежде всего она должна быть согласована с системой вентиляции. Последнюю, в частности, нужно разрабатывать с учетом всех характеристик теплонасосного оборудования, которое будет кондиционировать воздух. В частности, вентиляционной системе необходимо обязательно обеспечить рециркуляцию воздуха в объемах, необходимых для стабильной работы насоса, эффективной утилизации тепла и поддержания в помещении заданной температуры. Этому правилу нужно следовать на всех объектах, за исключением некоторых, в которых рециркуляция нежелательна - например, в плавательных бассейнах или на кухнях.

При этом плюсом согласования кольцевой системы с системой вентиляции является то, что последняя в этом случае может быть построена по более простой схеме , которая обойдется потребителю дешевле. При этом тепловой насос будет охлаждать воздух непосредственно там, где это понадобится. Это избавит потребителя от необходимости транспортировать его по длинным теплоизолированным воздуховодам и будет выгодно отличать такую систему от распространенного ныне централизованного кондиционирования.

Кроме того, кольцевые системы могут координироваться с отопительными, а иногда даже полностью брать на себя их функции. В таких ситуациях система отопления, построенная на базе теплового насоса, становится менее мощной и более простой с точки зрения своего оборудования. Это делает ее особенно эффективной в холодном климате, где для отопления требуется больше тепла, получаемого из высокопотенциальных источников. Более того, кольцевая система способна серьезно оптимизировать работу всего оборудования в помещении . Работающие отдельно системы кондиционирования и отопления могут друг другу серьезно мешать, особенно тогда, когда не требуется и та, и другая. Кольцевая же система полностью исключает такую ситуацию, поскольку она всегда эффективно работает, основываясь на фактическом состоянии микроклимата, созданного в каждом конкретном помещении. При этом на предприятии такое оборудование может охлаждать и нагревать не только воздух, но еще и воду, и этот процесс не потребует лишних затрат энергии - он будет включен в баланс всего теплоснабжения в целом.

И, конечно же, в любой из этих ситуаций кольцевая система продемонстрирует великолепную экономичность. В традиционных системах тепло используется лишь частично и быстро уходит в атмосферу, если отопление работает параллельно с вентиляцией, однако кольцевая решает эту проблему комплексно, делая утилизацию тепла более эффективной и существенно сокращая его потери.

Как управлять теплонасосными системами?

Как правило, это оборудование не требует установки дорогостоящих средств автоматизированного управления, и это является еще одной «статьей» для экономии на нем . Удобная автоматизация здесь предельно проста и сводится только лишь к поддержанию заданной температуры воды, находящейся в контуре. Для этого система просто вовремя включает дополнительный нагреватель, чтобы вода не охладилась более, чем положено, или же задействует градирню, чтобы она не нагрелась сильнее, чем нужно. И этого обычно бывает достаточно для поддержания идеального климата.

Реализовать автоматическое управление в этой ситуации можно при помощи всего нескольких термостатов. Более того, для этого не понадобится даже точной регулирующей арматуры! Температура воды в контуре кольцевой системы может меняться в широком диапазоне, не требуя никаких дополнительных средств для этого.

Кроме того, отдельная система автоматики регулирует и процесс передачи тепла тепловым насосом к потребителю. Она встраивается в само оборудование, и одним из основных элементов системы можно считать термостат (датчик температуры), который устанавливается непосредственно в помещении. Его одного бывает достаточно, чтобы полноценно управлять работой теплонасосной установки. При этом сам насос способен обеспечить все необходимые характеристики температуры воздуха в помещении без установки в системе вентиляции регулирующих заслонок, а в системе отопления - регулирующей арматуры. Это позволяет еще сильнее уменьшить стоимость кольцевой системы и увеличить надежность всех инженерных коммуникаций здания в целом.

Вообще сложная система автоматизированного управления может понадобиться только на крупных объектах, где установлено множество тепловых насосов различных типов, предназначенных для кондиционирования воздуха, обеспечения технологических процессов и утилизации тепла. И в таких ситуациях монтаж этой системы имеет смысл, ведь она позволяет оптимизировать работу каждой единицы оборудования. Однако монтируя ее, следует учитывать, что на эксплуатацию кольцевой системы влияет целый ряд факторов, с которыми должна «считаться» даже автоматика. Среди них :

• температура воды, находящейся в контуре , - она влияет на коэффициент преобразования тепла (соотношение количества тепла, выдаваемого потребителю, к количеству энергии, потребляемой тепловым насосом);
• температура воздуха снаружи помещения ;
• параметры работы градирни - она может затрачивать разное количество энергии для одного и того же количества тепла, и это зависит от внешних условий, включая температуру воздух, наличие ветра и другие факторы;
• количество тепловых насосов, которые работают в системе, а также их суммарная мощность (соотношение мощности оборудования, забирающего тепло из водяного контура и мощности установок, отдающих его в контур).

Существуют ли успешные примеры использования кольцевых систем?

Таких примеров достаточно много, однако «хрестоматийными» можно считать следующие два.

Первый - реконструкция общеобразовательной школы № 2 в г. Усть-Лабинске. В этом здании были соблюдены все строжайшие санитарные требования, чтобы добиться максимального комфорта для детей, которые будут учиться в этом заведении . В соответствии с этими требованиями там была установлена особая климатическая система, которая способна посезонно контролировать температуру, влажность и приток свежего воздуха. При этом инженеры сделали все возможное, чтобы в каждом классе был индивидуальный контроль за микроклиматом, и справиться с обеспечением такого контроля могла только кольцевая система. Она позволила:

• существенно снизить затраты на отопление всего здания,
• решить проблему холодной воды в теплоцентрали, расположенной на школьном участке.

Система была собрана более чем из 50 тепловых насосов марки Climatemaster (США) и одной градирни . Дополнительное тепло она получает из теплоцентрали, а управляет ею автоматика, которая самостоятельно поддерживает комфортные условия для обучения детей и при этом работает максимально экономично. Именно благодаря ей эксплуатация кольцевой системы даже в самое суровое зимнее время позволила снизить ежемесячные затраты на отопление до 9,8 тыс. рублей: до модернизации системы каждый месяц школа тратила 18 тыс. 440 рублей на обогрев 2,5 тыс. кв. м. И это при том, что после модернизации дополнительно увеличилась отапливаемая площадь школы, которая составила 3 тыс. кв. м.

Второй проект был реализован в коттеджных поселках Подмосковья. Проблемы строительства таких поселков часто были обусловлены тем, что инфраструктура на этих территориях не позволяла строить новые дома, поскольку ни водопроводы, ни электрические сети, ни трансформаторные подстанции попросту не справлялись с выросшими нагрузками . При этом на старых подстанциях постоянно случались перебои с подачей энергии, обрывы старых проводов, различные аварии, поэтому в поселках, расположенных на таких территориях, нужно было сразу заботиться об автономном энергоснабжении.

Соответственно, инженерам нужно было создать проект, который позволял бы обеспечивать двухэтажный коттедж, имеющий несколько комнат электричеством и теплом. Стандартная площадь такого дома составила 200 кв. м, а подведены к нему были только электричество и артезианская вода, других коммуникаций не было.

Первый шаг инженеры сделали в направлении энергоэффективности - в коттедже были установлены солнечные батареи, а за домом были установлены фотоэлектрические модули, также работающие от энергии солнца и имеющие мощность в 3,5 кВт. Этой мощности было достаточно для подпитки аккумуляторных батарей, которые впоследствии питали сам дом и его систему отопления. Соответственно, электроэнергия для семьи, проживающей в таком коттедже, была бесплатной, а это значит, что из семейного бюджета расходы на нее можно было вычеркнуть. В итоге затраты на установку батарей должны окупиться менее, чем за 10 лет, и после этого никаких средств выделять будет не нужно.

Для отопления же коттеджа использовалась геотермальная теплонасосная установка, основанная на насосе типа вода-вода. Он был предназначен не только для обогрева помещений при помощи радиаторных батарей, но и для производства горячей воды. Контур, который поставляет к насосу низкопотенциальное тепло, - то есть обычную полиэтиленовую трубу длиной 800 м и диаметром 32 мм, - проложили на самом участке (на глубине 2 метра). На установку такой системы (электроснабжение + отопление) было затрачено 40 тыс. долларов, и, учитывая, что в будущем хозяину не придется тратиться на оплату коммунальных услуг, поставляемых централизовано, он от этого только выиграл.

Где можно применять кольцевые системы?

В целом, все примеры демонстрируют, что подобные теплонасосные установки могут быть смонтированы на самых разных объектах. Среди основных можно выделить:

• административные здания,
• медицинские и оздоровительные учреждения,
• общественные здания,
• учреждения образования,
• дома отдыха и отели,
• спортивные комплексы,
• промышленные предприятия,
• развлекательные учреждения.

При этом в любом варианте гибкая кольцевая система может быть легко подстроена под нужды конкретного помещения и смонтирована в величайшем многообразии вариантов.

Чтобы установить ее, инженерам понадобится учесть ряд нюансов:

• потребности в холоде и тепле на конкретном объекте,
• количество людей, которые находятся внутри помещений,
• возможные источники тепла в здании,
• возможные приемники тепла,
• особенности теплопотерь и теплопритоков.

После этого самые лучшие источники тепла будут использованы в самой системе, а общая мощность тепловых насосов при этом должна быть настроена так, чтобы не быть избыточной.

В целом же, идеальным вариантом для любого объекта специалисты считают установку теплонасосного оборудования, которые используют окружающую среду и в качестве источника тепла, и в качестве его приемника. При этом всю систему следует сбалансировать по теплу, независимо от мощностей источников и приемников тепла - они могут быть разными, ведь их соотношение изменяется, когда меняются условия работы системы. Однако они должны быть согласованы друг с другом.

Если эти параметры учтены верно, кольцевая система будет эффективно работать и на обогрев, и на охлаждение, утилизируя все «лишнее» тепло. А использование одной такой системы вместо нескольких позволит не только создать идеальный климат в помещении, но и будет очень эффективным и выгодным и с точки зрения капитальных, и с точки зрения эксплуатационных затрат.

За последний год тепловые насосы заняли свою нишу на российском климатическом рынке в числе других популярных технологий. Обсуждение достоинств и недостатков теплонасосных установок (ТНУ) проходило как на страницах отраслевой прессы, так и на тематических конференциях и круглых столах. О тепловых насосах в последнее время появилось много информации - как в русскоязычном Интернет, так и в специализированных СМИ. Тем не менее, по-прежнему крайне мало публикаций об интегрированных теплонасосных системах. Цель данной статьи - несколько восполнить этот пробел, обобщить некоторые из вопросов, возникающих у специалистов при первом знакомстве с кольцевыми теплонаносными системами, и коротко ответить на них.

Итак, про тепловые насосы известно, что это климатическое оборудование, способное утилизировать тепло окружающей среды, с помощью компрессора поднимать температуру теплоносителя до нужного уровня и передавать это тепло туда, где оно необходимо.

Извлечь из окружающей среды тепло можно почти всегда. Ведь "холодная вода" - понятие субъективное, основанное на наших ощущениях. Даже самая холодная речная вода содержит некоторое количество теплоты. Но известно, что тепло переходит только от более нагретого тела к более холодному. Тепло можно принудительно направить от холодного тела к теплому, тогда холодное тело еще больше остынет, а теплое нагреется. Используя тепловой насос, который "выкачивает" тепло из воздуха, речной воды или земли, еще более понижая их температуру, можно обогреть здание. В классическом случае считается, что, затрачивая на работу 1 кВт электроэнергии, ТНУ может произвести от 3 до 6 кВт тепловой энергии. На практике это означает, что мощностью двух-трех бытовых лампочек в зимний период можно обогреть жилую комнату средних размеров. Летом, работая в обратном режиме, тепловой насос может охлаждать воздух в помещениях здания. Тепло из здания будет удаляться, поглощаясь атмосферой, рекой или землей.

В настоящее время имеется огромное разнообразие теплонасосных установок, что позволяет широко применять их в промышленности, сельском хозяйстве, в ЖКХ. В качестве примера применения ТНУ, в конце статьи мы рассмотрим два проекта - один из них проект масштабной кольцевой системы, внедренной в Краснодарском крае, второй — объект малого строительства в Подмосковье.

Какие тепловые насосы бывают?

Тепловые насосы бывают разной тепловой мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Они могут работать с различными источниками тепла, находящимися в разных агрегатных состояниях. В связи с этим, их можно разделить на следующие типы: вода-вода, вода-воздух, воздух-вода, воздух-воздух. Выпускаются ТНУ, предназначенные для работы с источниками низкопотенциального тепла самых разных температур, вплоть до отрицательной. Они могут использоваться в качестве приемника высокопотенциального тепла, требующего различной температуры, даже выше 1000С. В зависимости от этого тепловые насосы можно разделить на низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.

Тепловые насосы различаются также по техническому устройству. В этом плане можно выделить два направления: парокомпрессионные и абсорбционные ТНУ. Тепловые насосы для своей работы могут использовать и другие виды энергии, кроме электрической, например, они могут работать на различных видах топлива.

Различные комбинации видов источников низкопотенциального тепла и приемников высокопотенциального тепла дают большое разнообразие типов тепловых насосов. Вот некоторые примеры:

• ТНУ, использующий тепло грунтовых вод для отопления;
• ТНУ, использующий тепло естественного водоема для горячего водоснабжения;
• ТНУ-кондиционер воздуха, использующий морскую воду в качестве источника и приемника тепла;
• ТНУ-кондиционер воздуха, использующий наружный воздух в качестве источника и приемника тепла;
• ТНУ для нагрева воды плавательного бассейна, использующий тепло наружного воздуха;
• ТНУ, утилизирующий тепло сточных вод в системе теплоснабжения;
• ТНУ, утилизирующий тепло инженерно-технического оборудования в системе теплоснабжения;
• ТНУ для охлаждения молока и одновременно нагрева воды для горячего водоснабжения на молочных фермах;
• ТНУ для утилизации тепла от технологических процессов в первичном подогреве приточного воздуха.

Большое разнообразие теплонасосной техники выпускается серийно, но тепловые насосы могут изготавливаться и по специальным проектам. Имеются экспериментальные установки, опытно-промышленные образцы, а также много теоретических разработок.

В случае, если на объекте предусматривается применение нескольких тепловых насосов, которые будут предназначены для производства как тепла, так и холода, эффективность их работы многократно возрастет, если они будут объединены в единую систему. Это так называемые кольцевые теплонасосные системы (КТНС). Такие системы целесообразно использовать на средних и крупных объектах.

Кольцевые системы кондиционирования воздуха

Основу этих систем составляют ТНУ типа вода-воздух, выполняющие функции кондиционирования воздуха в помещениях. В помещении, 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 критериями. Все ТНУ реверсивные, то есть предназначены и для охлаждения, и для нагрева воздуха. Все они связаны общим водяным контуром - трубами, в которых циркулирует вода. Вода является одновременно и источником, и приемником тепла для всех ТНУ. Температура в контуре может изменяться в пределах от 18 до 320С. Между тепловыми насосами, которые нагревают воздух, и теми, которые охлаждают его, происходит обмен теплом посредством водяного контура. В зависимости от особенностей помещений, а также от времени года и времени суток - в разных помещениях может требоваться либо нагрев, либо охлаждение воздуха. При одновременной работе в одном здании ТНУ, производящих тепло и холод, происходит перенос тепла из помещений, где его избыток, в помещения, где его не хватает. Таким образом, происходит обмен теплом между зонами, объединенными в единое кольцо.

Помимо ТНУ, выполняющих функцию кондиционирования воздуха, в состав КТНС могут входить и ТНУ другого назначения. Если на объекте имеются достаточные потребности в тепле, через кольцевую систему при помощи ТНУ можно эффективно утилизировать бросовое тепло. Например, при наличии интенсивного потока сточных вод имеет смысл установить ТНУ вода-вода, который позволит утилизировать тепло сбросов посредством КТНС. Такой тепловой насос сможет извлекать тепло из сточных вод, передавать его с помощью кольцевого контура, а затем использовать для обогрева помещений.

Воздух, удаляемый из здания вытяжной вентиляцией, также содержит большое количество тепла. При отсутствии в вытяжном воздухе большого количества примесей, затрудняющих работу ТНУ, можно утилизировать тепло удаляемого воздуха, установив ТНУ воздух-вода. Через КТНС это тепло может быть использовано всеми потребителями в здании, чего трудно добиться, применяя традиционные регенераторы и рекуператоры. Кроме того, процесс утилизации в данном случае может происходить эффективнее, так как не зависит от температуры наружного воздуха, забираемого приточной вентиляцией, и от устанавливаемой температуры нагрева воздуха, нагнетаемого в помещения.

Кроме того, при работе реверсивных тепловых насосов и на сточных водах и в вытяжной вентиляции, их можно использовать для удаления излишков тепла из водяного контура в теплое время года, и тем самым снижать необходимую мощность градирни.

В теплое время года при помощи тепловых насосов излишки тепла в водяном контуре утилизируются через потребителей, имеющихся на объекте. Например, к кольцевой системе может быть подключен ТНУ вода-вода, передающий избыточное тепло в систему горячего водоснабжения (ГВС). На объекте с небольшими потребностями в горячей воде такого теплового насоса может быть достаточно для того, чтобы полностью их удовлетворить.

Если на объекте имеется один или несколько плавательных бассейнов, например, в оздоровительных учреждениях, в домах отдыха, в развлекательных комплексах и в гостиницах, нагрев воды бассейнов можно также реализовать при помощи ТНУ вода-вода, подключив его к КТНС.

Сочетание кольцевых систем с другими системами

Систему вентиляции в зданиях с использованием кольцевой теплонасосной системы необходимо разрабатывать с учетом особенности работы ТНУ, кондиционирующих воздух. Обязательной является рециркуляция воздуха в том объеме, который необходим для стабильной работы этих ТНУ, поддержания заданной температуры в помещении и эффективной утилизации тепла (исключением являются те случаи, где рециркуляция нежелательна, например, залы плавательных бассейнов, местные кухонные вытяжки). Существуют и некоторые другие особенности при разработке вентиляции с КТНС.

Однако, вместе с тем, кольцевая система предусматривает более простые системы вентиляции, чем при других способах кондиционирования. Тепловые насосы осуществляют кондиционирование воздуха непосредственно на месте, в самом помещении, что избавляет от необходимости транспортировки готового воздуха по протяженным теплоизолированным воздуховодам, как это происходит, допустим, при центральном кондиционировании.

Кольцевая система может полностью взять на себя функции отопления, но не исключается и совместное применение с системой отопления. В этом случае применяется менее мощная и более простая с технической точки зрения система отопления. Такая бивалентная система более пригодна в северных широтах, где необходимо больше тепла для отопления, и его придется подводить в большем количестве от высокопотенциального источника. Если в здании установлены отдельные системы кондиционирования и отопления, то эти системы, зачастую, буквально мешают друг другу, особенно в переходные периоды. Использование же кольцевой системы совместно с системой отопления не порождает подобных проблем, так как ее работа полностью зависит от фактического состояния микроклимата в каждой отдельной зоне.

На предприятиях кольцевые теплонасосные системы могут участвовать в нагреве или охлаждении воды или воздуха в технологических целях, причем эти процессы будут включены в баланс общего теплоснабжения предприятия.

Говоря о традиционных системах теплоснабжения, трудно согласиться с их ограниченной экономичностью. Тепло используется частично, быстро рассеивается в атмосферу (при работе отопления и вентиляции), удаляется со сточными водами (через ГВС, технологические процессы) и другими путями. Хорошо еще, если для обеспечения некоторой экономичности установлены теплообменники типа воздух-воздух в системе вентиляции, или типа вода-вода для утилизации тепла, например, холодильных агрегатов, или какие-то другие местные устройства вторичного использования тепла. КТНС же решает данную задачу комплексно, во многих случаях позволяя сделать утилизацию тепла более эффективной.

Автоматизированное управление кольцевыми системами

К разочарованию многих производителей дорогостоящих систем автоматизации, теплонасосные системы не требуют сложных средств автоматизированного управления. Все регулирование здесь сводится лишь к поддержанию определенного значения температуры воды в контуре. Чтобы не допустить охлаждения воды ниже заданного предела, необходимо вовремя включать дополнительный нагреватель. И наоборот, чтобы не превысить верхний предел, надо своевременно включать градирню. Автоматическое управление этим несложным процессом можно реализовать при помощи нескольких термостатов. Поскольку температура воды в контуре КТНС может изменяться в довольно широком диапазоне (обычно от 18 до 320С), то нет также необходимости в использовании точной регулирующей арматуры.

Что касается процесса поступления тепла от теплового насоса к потребителю, то он контролируется за счет автоматики, встроенной в каждый тепловой насос. Например, ТНУ для кондиционирования воздуха имеют датчик температуры (термостат), устанавливаемый непосредственно в помещении. Этого обычного термостата вполне достаточно для управления работой ТН.

Тепловой насос полностью обеспечивает необходимые температурные параметры воздуха в помещениях, что позволяет отказаться от регулирующих заслонок в системе вентиляции и регулирующей арматуры в системе отопления (при бивалентной системе). Все эти обстоятельства способствуют снижению стоимости и повышению надежности инженерных систем в целом.

На крупных объектах, где кольцевая система включает в себя большое количество тепловых насосов и где установлены разнотипные ТНУ (для кондиционирования, утилизации тепла и для обеспечения технологических процессов), часто имеет смысл реализовывать более сложную систему автоматизированного управления, которая позволяет оптимизировать работу всей системы.

На работу кольцевой теплонасосной системы влияют следующие факторы:

• во-первых, температура воды в контуре. От нее зависит коэффициент преобразования теплоты (СОР), то есть, отношение количества выдаваемого потребителю тепла к количеству потребляемой тепловым насосом энергии;
• во-вторых, температура наружного воздуха;
• в-третьих, параметры работы градирни. Для одного и того же количества удаленного тепла при разных условиях может быть затрачено разное количество энергии, потребляемой градирней. Это, в свою очередь, также зависит от температуры наружного воздуха, его влажности, наличия ветра и прочих условий;
• в-четвертых, от количества работающих в данный момент в системе тепловых насосов. Здесь значение имеет суммарная мощность ТНУ, забирающих тепло из водяного контура, по сравнению с мощностью всех ТНУ, отдающих тепло в контур, то есть количество тепла, поступающего в контур или удаляемого из него.

Хорошо детям, хорошо бюджету

Перейдем к описанию проектов с использованием кольцевых теплонасосных систем.

Первый проект - это реконструкция обычной общеобразовательной школы на юге России. Летом прошлого года администрация Краснодарского края реализовала этот проект в г. Усть-Лабинск (городская школа №2). При реконструкции были выдержаны самые высокие стандарты в обеспечении санитарных требований и комфортного пребывания детей в школе. В частности, в здании была установлена полноценная климатическая система, обеспечивающая позонный контроль за температурой, притоком свежего воздуха и влажностью.

Инженерам при реализации данного проекта, во-первых, хотелось обеспечить должный уровень комфорта, индивидуальный контроль в каждом классе. Во-вторых, предполагалось, что кольцевая система позволит значительно снизить затраты на отопление школы и решить проблему низкой температуры воды в теплоцентрали на участке школы. Система состоит из более чем пятидесяти тепловых насосов производства фирмы Climatemaster (США) и градирни. Она получает дополнительное тепло от теплоцентрали города. Климатическая система находится под автоматизированным управлением и способна самостоятельно поддерживать наиболее комфортные для человека и одновременно экономичные режимы работы.

Эксплуатация описанной системы в зимние месяцы дала следующие результаты:

• до модернизации (до установки тепловых насосов), ежемесячные затраты на обогрев 2500 м2 составляли 18440 руб.;
• после модернизации здания отапливаемая площадь увеличилась до 3000 м2, а ежемесячные затраты на отопление снизились до 9800 руб.

Таким образом, использование тепловых насосов позволило более чем вдвое сократить затраты на отопление здания, отапливаемая площадь которого увеличилась почти на 20%.

Автономное тепло

Проблемы коттеджного строительства в Подмосковье сегодня связаны с тем, что инфраструктура (электрические сети, водопроводы), часто не позволяет расти новым поселкам. Существующие трансформаторные подстанции не справляются с возросшими нагрузками. Постоянные перебои с подачей электроэнергии (аварии на старых подстанциях, обрывы ветхих проводов) заставляют потребителей искать пути автономного энергоснабжения.

В описываемом проекте перед инженерами стояла задача обеспечить многокомнатный двухэтажный коттедж с мансардой теплом и электричеством. Общая отапливаемая площадь дома составила 200 м2. Из подведенных коммуникаций - артезианская вода и электричество.

Поскольку во главу угла было положено требование энергоэффективности, было решено установить солнечные батареи. Были закуплены и смонтированы прямо на участке за домом солнечные фотоэлектрические модули на 3,5 кВт. По расчетам инженеров, этого должно было хватить на подпитку аккумуляторных батарей, которые бы, в свою очередь, бесперебойно питали дом и систему отопления. Общая стоимость системы составила порядка 27?000 долларов США. Если учесть, что получен источник бесплатного электричества, и эта статья будет вычеркнута из семейного бюджета, то получается, что затраты на установку солнечной батареи окупятся менее, чем за 10 лет. А если учесть, что в другом случае пришлось бы строить подстанцию или жить с постоянными перебоями электроснабжения, то затраты уже можно считать окупившимися.

Для отопления было решено использовать геотермальную теплонасосную систему. Был закуплен американский тепловой насос типа "вода-вода". Данный тип тепловых насосов с помощью теплообменников производит горячую воду, которая может быть использована для горячего водоснабжения и отопления с помощью радиаторных батарей. Сам контур, поставляющий к тепловому насосу низкопотенциальное тепло, был проложен прямо на участке, прилегающем к коттеджу, на глубине 2 м. Контур представляет собой полиэтиленовую трубу, диаметром 32 мм и протяженностью 800 м. Установка теплового насоса с монтажом, поставкой оборудования и комплектующих обошлась в 10?000 долларов США.

Таким образом, затратив на организацию собственной автономной энергосистемы порядка 40?000 долларов США, хозяин коттеджа исключил затраты на теплоснабжение из своего бюджета, и обеспечил надежное автономное отопление.

Возможности применения кольцевых систем

Из вышеизложенного следует, что возможности применения кольцевой теплонасосной системы необычайно широки. Их можно использовать на самых разных объектах. Это административные, общественные здания, медицинские и оздоровительные учреждения, дома отдыха, развлекательные и спортивные комплексы, различные промышленные предприятия. Системы настолько гибкие, что их применение возможно в самых разных случаях и в очень большом количестве вариантов.

При разработке такой системы, прежде всего, нужно оценить потребности в тепле и холоде проектируемого объекта, изучить все возможные источники тепла внутри здания и все предполагаемые приемники тепла, определить теплопритоки и теплопотери. Наиболее пригодные из источников тепла могут быть использованы в кольцевой системе в том случае, если это тепло будет востребовано. Общая мощность утилизирующих тепловых насосов не должна быть бесполезно избыточной. При определенных условиях самым выгодным вариантом, возможно, будет установка ТНУ, использующих внешнюю среду в качестве источника и приемника тепла. Система должна быть сбалансирована по теплу, но это вовсе не означает, что общие мощности источников и потребителей тепла должны быть равны, они могут разниться, так как их соотношение может значительно изменяться при изменении условий работы системы.

Таким образом, кольцевая теплонасосная система выполняет функции и отопления, и кондиционирования воздуха, и эффективной утилизации тепла. Использование одной системы вместо нескольких всегда более выгодно с точки зрения капитальных и эксплутационных затрат.

Статья предоставлена компанией "АЭРОКЛИМАТ"

Становятся все менее выгодными и утрачивают свою актуальность. Сжигание газового или жидкого топлива в котлах, как никогда прежде, отягощает бюджет. Существенной экономии можно достичь, если использовать тепловые насосы для отопления дома. В них заложен принцип потребления бесплатной природной энергии, которая повсюду. Ее нужно только взять.

Эффективность вложений

Сжиженный газ и дизельное топливо не могут соперничать с тепловыми насосами ни по текущим затратам, ни по комфорту эксплуатации. Использование для отопления твердого топлива трудно поддается автоматизации и требует больших трудозатрат. Электроэнергия комфортный, но дорогой вид энергии. Для подключения электрического котла нужна отдельная мощная линия. До сих пор в отечественных условиях природный газ оставался наиболее востребованным и удобным видом топлива. Но он имеет ряд недостатков:

1. Оформление разрешений.
2. Согласование проекта в контролирующих органах и с соседями.
3. Часть операций по врезке и подключению могут выполнять только уполномоченные организации.
4. Периодическая поверка счетчика.
5. Ограниченное распространение сети и удаленность точек подключения.
6. Высокие затраты на прокладку питающей линии.
7. Газоиспользующее оборудование является источником потенциальной угрозы и требует регламентированного контроля.

Существенным недостатком теплового насоса можно считать только высокие капитальные вложения на этапе закупки оборудования и монтажа. Цена стандартной отопительной системы на тепловом насосе с геотермальным теплообменником складывается из стоимости работы бурильщиков и специфического оборудования с монтажом. В комплект входят:

• комплект зондов;
• пропиленгликоль;
• бойлер косвенного нагрева для горячей воды;
• комплект насосного оборудования и автоматики.

Работы выполняются квалифицированным персоналом с профессиональным инструментом. Несколько более высокие первоначальные затраты уравновешивается серьезными достоинствами:

1. Теплонасосная установка очень экономична, что позволяет окупить дополнительные затраты всего за несколько сезонов.
2. Есть широкие возможности для реализации гибкого автоматизированного управления с минимумом обслуживания.
3. Комфорт использования.
4. Хорошая приспособленность для установки в жилых помещениях, благодаря эстетичному и современному дизайну.
5. Охлаждение помещений на базе того же комплекта оборудования.
6. При работе на охлаждение помимо активного режима работы есть возможность использования пониженной температуры природной воды и грунта для реализации пассивного режима без лишних затрат энергии.
7. Невысокая мощность оборудования не требует прокладки питающего кабеля большого сечения.
8. Отсутствие необходимости в разрешительной документации.
9. Возможность использования существующей разводки отопительных приборов.

На производство 1 кВт тепловой мощности достаточно затратить не более 250 Вт. Для отопления частного домовладения на 1 м.кв. площади потребляется всего около 25 Вт/час. И это с учетом горячего водоснабжения. Еще больше повысить энергоэффективность можно путем улучшения теплоизоляции дома.

Как это работает

Тепловой насос, принцип работы которого основан на цикле Карно, расходует энергию не на нагрев теплоносителя, а на перекачивание внешнего тепла. Технология не нова. Тепловые насосы трудятся в наших домах в составе холодильников уже десятки лет. В холодильнике тепло из камеры перемещается наружу. В новейших отопительных установках реализуется обратный процесс. Несмотря на низкую температуру за бортом, энергии там предостаточно.

Забирать тепло у более холодного тела и отдавать его более горячему становиться возможным, благодаря свойству вещества потреблять энергию при испарении и выделять ее при конденсации, а также повышать свою температуру в результате сжатия. Необходимые условия для кипения и испарения создаются путем изменения давления. В качестве рабочего тела используют жидкость с низкой температурой кипения – фреон.

В тепловом насосе преобразования происходят в 4 этапа:

1. Охлажденное ниже температуры внешней среды жидкое рабочее тело циркулирует по контактирующему с ней змеевику. Жидкость нагревается и испаряется.
2. Газ сжимается компрессором, в результате чего его температура превышается.
3. В более холодном внутреннем змеевике происходит конденсация с выделением тепла.
4. Жидкость перепускается через дросселирующее устройство для поддержания разности давлений между конденсатором и испарителем.

Практическая реализация

Непосредственный контакт испарителя и конденсатора с внешней и внутренней средой не характерен для систем отопления на базе тепловых насосов. Передача энергии происходит в теплообменниках. Прокачиваемый по внешнему контуру теплоноситель отдает тепло холодному испарителю. Горячий конденсатор передает его в систему отопления дома.

Эффективность такой схемы сильно зависит от разности температур внешней и внутренней сред. Чем она меньше, тем лучше. Поэтому тепло редко отбирают у наружного воздуха, температура которого может быть очень низкой.

По месту забора энергии различают установки следующих типов:

• «грунт-вода»;
• «вода-вода»;
• «воздух-вода».

В качестве теплоносителя в грунтовых и водяных системах используют безопасные незамерзающие жидкости. Это может быть пропиленгликоль. Использование этиленгликоля для таких целей не допускается, так как при разгерметизации системы он вызовет отравление почв или водоносных горизонтов.

Установки «грунт-вода»

Уже на небольшой глубине температура грунта мало зависит от погодных условий, поэтому грунт является эффективной внешней средой. Ниже 5 метров, условия не меняются в любое время года. Различают 2 типа установок:

• поверхностный;
• геотермальный.

В первых на участке роются протяженные траншеи на глубину ниже уровня промерзания. В них кольцами раскладываются пластиковые трубы сплошного сечения и засыпаются землей.

В геотермальных системах теплообмен происходит на глубине, в скважинах. Высокие и постоянные температуры в глубинах земли дают хороший экономический эффект. На участке бурятся скважины глубиной от 50 до 100 м в необходимом по расчету количестве. Для одних строений может быть достаточно 1 скважины, для других и 5 будет мало. В скважину опускаются теплообменные зонды.

Установки «вода-вода»

В таких системах используется энергия незамерзающей зимой воды на дне рек и озер или грунтовых вод. Различают 2 типа водяных установок в зависимости от места реализации теплообмена:

• в водоеме;
• на испарителе.

Первый вариант является наименее затратным в плане капитальных вложений. Трубопровод просто погружается на дно близлежащего водоема и фиксируется от всплытия. Второй применяют при отсутствии в непосредственной близости водоемов. Бурят 2 скважины: расходную и приемную. Из первой вода перекачивается во вторую через теплообменник.

Установки «воздух-вода»

Воздушный теплообменник устанавливается просто рядом с домом или на крыше. Через него прокачивается наружный воздух. Такие системы менее эффективны, но дешевы. Улучшить характеристики помогает установка в подветренных местах.

Самостоятельная сборка системы

При большом желании можно попробовать установить тепловой насос своими руками. Приобретается мощный фреоновый компрессор, бухта медных труб, теплообменники и другие расходные материалы. Но тонкостей в этой работе много. Состоят они не столько в выполнении монтажных работ, сколько в правильном расчете, настройке и балансировке системы.

Достаточно неудачно подобрать фреоновую магистраль, чтобы попавшая в компрессор жидкость мгновенно вывела его из строя. Сложности также могут возникнуть с реализацией автоматического регулирования производительности системы.