|
Кольцевые теплонасосные системы
В прошлом номере журнала мы начали рассказывать о тепловых
насосах. Сегодня в России много спорят об эффективности
этой технологии: действительно ли она доступна и откуда
берется эта поразительная экономия? Попытаемся
рассказать о тепловых насосах более подробно, чтобы
ответить на эти вопросы.
Тепловой насос (ТН) – это устройство, которое позволяет
передавать теплоту от более холодного источника к
потребителю, нуждающемуся в обогреве. Сегодня в
технической литературе и в Интернете появляется масса
публикаций о ТН. В основном в них рассматриваются
примеры применения одиночных теплонасосных установок.
Это установки включают в себя один или несколько ТН,
работающих независимо и выполняющих определенную функцию
теплоснабжения. Мы же, для наглядности, рассмотрим
комплексную кольцевую теплонасосную систему, которая
позволяет достигать максимальной эффективности и
экономии. В кольцевой системе установлены несколько ТН,
которые используются для производства как тепла, так и
холода в зависимости от потребностей различных частей
здания. Информации по подобным системам в русскоязычном
Интернете крайне мало.
Некоторое время назад, компанией, поставляющей тепловые
насосы в Россию, был реализован проект модернизации
системы отопления и кондиционирования в одном из
московских гостинично-развлекательных центров. Давайте
рассмотрим, как работает эта система, и какие были
получены результаты.
На
рисунке водяной контур изображен синим цветом. Он
состоит из водяного насоса, который обеспечивает
циркуляцию воды, и низкотемпературного бака-накопителя,
который, увеличивая объем воды, способствует большему
накоплению тепла, а также стабилизирует температуру воды
в контуре. Все ТН подключены к этому контуру. Красными
стрелками обозначено направление движения тепла.
Первыми после циркуляционного насоса на рисунке видны
тепловые насосы типа «вода-вода», которые греют воду в
бассейнах комплекса. Бассейнов может быть несколько,
разных объёмов и с разной температурой воды. Для каждого
из бассейнов устанавливается свой ТН.
Далее следует ТН «вода-воздух», охлаждающий воздух в кухонных
помещениях, которые обслуживают рестораны, бары, кафе,
столовую для персонала. В кухонных помещениях всегда
большое тепловыделение. ТН охлаждает воздух кухни,
забирая при этом в общий водяной контур тепло этого
помещения.
Следующий ТН «вода-вода» служит для утилизации излишков тепла
через систему горячего водоснабжения (ГВС). Тепло
забирается из воды контура.
В здании комплекса имеются административные помещения
(менеджмент, бухгалтерия, медицинские кабинеты и т.п.),
а также офисы, которые могут сдаваться в аренду. Для
кондиционирования воздуха в каждом из этих помещений
установлен свой реверсивный (т.е. производящий как
тепло, так и холод) ТН, который подбирается в
соответствии с параметрами помещения, его назначением,
количеством присутствующих людей, установленным в нем
оборудованием и другими факторами. В теплое время года
все эти насосы будут охлаждать воздух, а в холодное –
нагревать. В переходные периоды (весна, осень) часть ТН
могут работать в режиме нагрева, другая часть в режиме
охлаждения, в зависимости от потребности.
Дальше в том же порядке идут другие части здания, со своими
потребностями в тепле и его излишками: технические и
функциональные помещения, кафе и ресторан, зимний сад,
кухонные холодильные помещения. Таким образом, все ТН
объединены в одно кольцо, в котором между ними
происходит обмен теплом.
Для нормальной работы ТН температура воды в контуре должна
быть в пределах от 18 до 35
°С. Если количество ТН, работающих
в режиме нагрева, равно количеству ТН, работающих в
режиме охлаждения, то система не требует поступления
тепла извне или удаления его наружу. Это чаще происходит
при температуре наружного воздуха от - 4
°С до +14
°С. В этом режиме работа
кольцевой системы самая эффективная. Энергозатраты на
работу всего кольцевого контура заключаются только в
работе циркуляционного насоса и индивидуальных тепловых
насосов в помещениях. То есть, нет необходимости
включать газовые или электрообогреватели, являющиеся
дорогими источниками тепловой энергии, или перекачивать
тепло из внешних источников.
Зимой же, при достаточно низкой температуре наружного воздуха,
тепла в водяном контуре может не хватать, и температура
в нем может опуститься ниже 18
°С. В этом случае для восполнения
тепла в качестве внешнего источника можно использовать
теплоцентраль города или бойлер, которые будут
подогревать водяной контур до требуемого температурного
уровня. Как альтернатива в некоторых случаях для нагрева
контура можно использовать геотермальный тепловой насос
перекачивающий тепло из грунтовых вод или из водоема,
расположенного поблизости.
Внешних источников, таких как грунтовые воды или река,
имеющих температуру от 4
°С, будет достаточно, чтобы
нагревать воду в контуре до уровня 18
°С. Такой температуры хватит для
нормальной работы всех ТН здания. К сожалению, пока в
России этот подход связан с большими затратами на
проектировку и с формальными трудностями.
Летом, когда большинство ТН, кондиционирующих воздух в
помещениях, будут работать в режиме охлаждения,
температура в контуре может повышаться. Чтобы она не
превысила предел в 35
°С, тепло из контура будет
сбрасываться в воздух через градирню или в грунтовые
воды/водоем теми же ТН, которые зимой восполняют
недостаток тепла из геотермальных источников.
В состав кольцевых теплонасосных систем могут входить и
другие источники низкопотенциального тепла. На многих
объектах имеется большой поток сточных вод достаточно
высокой температуры (большие прачечные, предприятия,
использующие воду в технологических процессах), в этом
случае имеет смысл включение в кольцевую систему ТН,
утилизирующего это тепло.
В состав водяного контура входит также низкотемпературный
бак-накопитель. Чем больше этот бак, тем больше система
способна аккумулировать тепла, которое затем при
необходимости может быть использовано.
Кольцевая система может полностью взять на себя функцию
отопления (моновалентная система), с точки зрения
капитальных и эксплуатационных затрат всегда выгоднее
использовать одну систему вместо двух. Однако можно
использовать тепловые насосы одновременно с традиционной
системой отопления (бивалентная системы).
При наличии на объекте достаточного количества источников
тепла, подключенных к кольцу, и при небольших
потребностях в горячей санитарной воде, т.е. ГВС,
кольцевая система может полностью удовлетворить эти
потребности.
Кольцевая теплонаносная система может быть использована
также только в целях кондиционирования воздуха в
помещениях, если есть необходимость только в этом.
Кольцевые системы кондиционирования особенно эффективны
в тех зданиях, где есть множество помещений, различных
по своему назначению, и где требуется разная температура
воздуха. ТН в качестве кондиционера работает эффективнее
многих других известных устройств кондиционирования.
Тепловой насос малоинерционный, температура в помещении
гораздо быстрее устанавливается на заданном уровне после
начала работы, он позволяет использовать более широкий
диапазона температур, как в летнее, так и в зимнее время
года. Эти обстоятельства позволяют свести к минимуму
жалобы и нарекания на кондиционирование воздуха.
Основа высокой эффективности тепловых насосов
заключается именно в том, что энергия, затраченная
внутри здания на получение тепла (вплоть до разогрева
печей на кухне) не сбрасывается «в трубу», а
используется внутри здания там, где в этом есть
потребность. Тепло аккумулируется, и эффективно
передается внутри кольцевой системы. Второй важный
фактор экономической эффективности – возможность
использования низкопотенциальных «дармовых» источников
тепла – артезианских скважин, водоемов, канализации. С
помощью компрессоров, используя источник с температурой
от 4
°С, мы получаем горячую воду (50...60
°С), затрачивая 1 кВт
электроэнергии на получение 3...4 кВт тепловой энергии.
Если при использовании обычной системы парового
отопления КПД составляет всего 30...40 %, то с тепловыми
насосами КПД возрастает в несколько раз!
Таким образом, в описываемом гостинично-развлекательном
центре были достигнуты следующие результаты:
• Снижены капитальные затраты на закупку и монтаж
оборудования (13...15 % по сравнению с системой
чиллер-фэнкойл);
• Упрощена система инженерных коммуникаций, по сравнению
с системой центрального кондиционирования (не
исполь-зуются большие теплоизолированные воздуховоды по
всему зданию);
• В помещениях создан комфортный микроклимат:
соответствие давления, влажности и температуры воздуха;
• Суммарные затраты на отопление и горячее водоснабжение
снижены более, чем на 50 % по сравнению с центральным
отоплением.
При проектировании объекта с использованием тепловых насосов,
прежде всего, нужно изучить все возможные
низкопотенциальные источники тепла и все возможные
потребители высокопотенциального тепла на будущем
объекте, оценить все теплопритоки и все теплопотери.
Необходимо выбрать те источники для утилизации, где
тепло выделяется достаточно равномерно и продолжительные
промежутки времени. Благодаря аккуратным и точным
расчетам работа ТН должна быть стабильна и рентабельна.
Общая мощность утилизирующих ТН не должна быть бесполезно
избыточна. Система должна быть сбалансирована, но это
вовсе не означает, что общие мощности источников и
потребителей тепла должны быть близки, они могут
разниться, может также значительно изменяться их
соотношение при изменении условий работы системы.
Гибкость системы позволяет спроектировать её выгодный
вариант и заложить возможность дальнейшего расширения
системы. Необходимо также учитывать и специфику
климатических условий региона. Климатические условия –
ключ к выбору эффективной климатической системы.
В южных широтах, основная задача – охлаждение воздуха и
выброс тепла наружу. Нет смысла его утилизировать и
использовать для обогрева. Здесь вполне подойдет
традиционная система чиллер-фэнкойлы и ей подобные.
В северных широтах потребуется слишком большое
количество энергии для отопления объекта, потребуется
много высокопотенциального тепла, которое придется
подводить к системе. Поэтому здесь разумной будет
установка бивалентной системы (ТН в сочетании с системой
отопления).
Средние широты, умеренный климат – идеальные условия для
использования моновалентной кольцевой системы с
использованием тепловых насосов. Здесь эффективность ее
работы будет максимальным.
Описываемые системы кроме возможной экономии капитальных
затрат на системе отопления позволяют сократить расходы
еще в некоторых аспектах. К разочарованию многих
производителей систем управления кольцевая теплонасосная
система не требуют сложных и дорогостоящих устройств
управления и контроля над работой. Нет необходимости в
применении сложных контроллеров для оптимизации работы
системы. Достаточно следить за температурой в водяном
контуре и при помощи нескольких термореле (термостатов)
удерживать ее в заданных пределах. Хотя, конечно, для
удобства и визуального контроля можно использовать и
дорогостоящую автоматику.
Температура 18...35 °С
в водяном контуре кольцевой системы
позволяет отказаться от тепловой изоляции труб, т.к. при
таком диапазоне температуры на трубах не образуется
конденсат, и нет сколько-нибудь заметных потерь тепла.
При значительной разветвленности системы (раздача,
стояки, подводки, которых в зданиях со сложной
архитектурой может быть достаточно много) это
немаловажный фактор.
В системе вентиляции помещений при использовании ТН может
быть значительно сокращено количество и общая длина
воздуховодов по сравнению, скажем, с центральными
установками кондиционирования воздуха. Теплонасосные
установки размещаются непосредственно в кондиционируемых
помещениях или в соседних, т.е. воздух кондиционируется
прямо на месте. Это позволяет избежать транспортировки
готового воздуха по протяженным и опять же
теплоизолированным воздуховодам.
Первая такая система на базе TH в России бала установлена в
1990 году в гостинице «Ирис Конгресс Отель». Это
кольцевая бивалентная система кондиционирования воздуха
американской компании ClimateMaster с утилизацией тепла
холодильных и морозильных камер. Для отопления в
гостинице используется тепло кухни, отдела прачечной,
технических помещений, агрегатов холодильных и
морозильных камер, происходит обмен теплом при
кондиционировании гостиничных номеров, конференц-залов,
фитнес-центра, ресторанов, административных помещений.
15 лет эксплуатации оборудования показали его надежность
и целесообразность применения в условиях нашего климата.
На сегодняшний день существует устойчивое мнение, что ТН –
это слишком дорогое удовольствие. Велики затраты на их
установку и монтаж оборудования, при существующих ценах
на тепло в России сроки окупаемости слишком
продолжительны. Однако практика показывает, что
установка «под ключ» систем тепловых насосов на крупных
и средних объектах позволяет сэкономить 10...15 % на
капитальных затратах не говоря уже о затратах
эксплутационных. К тому же кольцевые системы позволяют
максимально снизить потребление энергоресурсов, цены на
которые возрастают все быстрее.
Читайте о тепловых насосах дополнительно:
http://www.c-o-k.ru/showtext/?id=1180
Компания «Аэроклимат»
Тел. (843) 249-50-54 |