Размещено на http://www.allbest.ru/

Альтернативная система теплоснабжения на базе теплового насоса с грунтовым теплообменником

Д.т.н. Ю.М. Мацевитый

к.т.н. Н.Б. Чиркин

В.Н. Остапчук

к.т.н. Л.С. Богданович

к.т.н. А.С. Клепанда

Перспективы теплонасосных технологий

Сегодня в мире успешно работают десятки миллионов теплонасосных установок (ТНУ) различного функционального назначения. Продажа ТНУ уже в 2004 г. превысила сумму продаж вооружения в мире. В США эксплуатируется около 19 млн ТНУ, из них 60% в жилищно-коммунальном секторе. В Японии ежегодно продается до 500 тыс. ТНУ в год, в основном это реверсивные установки типа "воздух-воздух" мощностью от 2 до 16,5 кВт. Еще только развивающийся рынок Китая за двенадцать лет достиг объема 18 млн работающих тепловых насосов, обогнав Японию и страны Европы.

В Швеции - стране теплонасосных технологий, на сегодняшний день из коммунальных систем отопления и горячего водоснабжения практически полностью вытеснены теплогенераторы, сжигающие органическое топливо, и более 50% отопления жилищного фонда осуществляется с помощью ТНУ. К 2020 г. по прогнозам Международного энергетического агентства (IEA) до 75% отопительных установок в развитых станах мира будут работать на базе энергосберегающей теплонасосной технологии.

Если в развитых и развивающихся странах счет эксплуатируемых ТНУ ведется на сотни тысяч и миллионы, то, к сожалению, в Украине внедрены лишь единичные образцы. Трудно указать какое-либо другое направление развития новой и перспективной техники и технологии, которое находилось бы в столь разительном противоречии, как со своими потенциальными возможностями, так и в сравнении с количеством работающих установок в других странах мира.

Кроме объективных причин, не способствовавших внедрению энергосберегающих технологий в прошлом веке (развитие теплоэнергетики по пути теплофикации и централизованного теплоснабжения, низкая стоимость газа и казавшаяся безграничность его запасов, финансирование децентрализованного теплоснабжения по остаточному принципу и др.), не последнюю роль сыграли, и сегодня продолжают играть субъективные причины. Прежде всего, это противодействие, оказываемое производителями и сторонниками традиционных теплогенераторов, а также настороженность пользователя к новым непривычным установкам, отбирающим энергию у среды, температура которой может быть даже отрицательной, и использующим эту энергию для нагрева теплоносителя до температуры 60-80 ОС. Преодолеть такое недоверие у потребителя можно только одним способом, продемонстрировав работающий образец ТНУ в натурных условиях.

Проект реконструкции системы теплоснабжения вокзала железнодорожной станции

Целью настоящей статьи является описание демонстрационного объекта, реализованного на базе системы теплоснабжения вокзала типовой пригородной железнодорожной станции. Вокзал включает зал ожидания для пассажиров и прилегающие к нему служебные помещения. До 2006 г. вокзал отапливался от котельной, оборудованной двумя угольными котлами суммарной установленной мощностью около 50 кВт. Ни горячего водоснабжения, ни кондиционирования помещений в летнее время не было предусмотрено. Помимо обычных проблем, связанных с доставкой и хранением угля, с загрязнением окружающей территории продуктами сгорания, с организацией посменной работы истопников и др., существовавшая система отопления в морозные зимние дни не обеспечивала комфортную температуру в помещениях станции, поэтому станционные работники пользовались в качестве дополнительных тепловых доводчиков электрическими конвекторами. Поскольку работающее теплотехническое оборудование было уже морально устаревшим и физически изношенным, встал вопрос о его модернизации или замене новым технически более совершенным.

Предварительно был выполнен энергоаудит теплового состояния объекта, который позволил выявить слабые места в утеплении помещений вокзала, без устранения которых не имело смысла приступать к внедрению энергосберегающей технологии любого типа. Был проведен ремонт ограждающих конструкций помещений и устранены недопустимо избыточные инфильтрации в пассажирском зале и служебных помещениях, уменьшены потери тепла через потолочные перекрытия.

Были рассчитаны отопительные нагрузки всех помещений для периода отопления и холодильные нагрузки служебных помещений для летнего кондиционирования, а также комфортные температуры внутреннего воздуха помещений зимой и летом. теплоснабжение железнодорожный отопительный

Проектом предусмотрено автономное отопление зала для пассажиров и служебных помещений в холодный период, кондиционирование служебных помещений в летнее время и круглогодичное горячее водоснабжение, выполненные на базе грунтового теплового насоса.

Система отопления выполнена по бивалентной схеме (ТНУ с дополнительным источником тепла). Номинальная мощность теплового насоса выбрана 38,6 кВт, мощность электрического котла-доводчика - 12 кВт. Максимальная холодильная мощность системы кондиционирования 40 кВт.

В бивалентной системе мощность теплового насоса выбирают, как правило, равной 70-85% от максимальной потребности в зимнее время. Это позволяет обеспечить отопление объекта практически при температуре наружного воздуха до -15 ОС и за отопительный сезон выработать до 90-95% потребного тепла за счет энергии, отбираемой от грунта. Недостающая энергия (5-10%) в холодные дни покрывается электрическим котлом-доводчиком.

Горячее водоснабжение вокзала обеспечивается этим же тепловым насосом. В баке-аккумуляторе горячей воды объемом 300 л автоматически поддерживается температура воды 45-50 ОС. Кроме того в баке предусмотрен дополнительный санитарный электронагреватель, предназначенный для периодического (обычно раз в две-три недели) повышения температуры воды в баке до 70 ОС с целью уничтожения и предотвращения размножения возможных микроорганизмов.

Принципиальная схема внедренной системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования помещений пригородного вокзала представлена на рис. 1. Система работает в автоматическом режиме, параметры которого устанавливаются в компьютере теплового насоса при его производстве и корректируются при выполнении пуско-наладочных работ в зависимости от особенностей функционирования объекта.

Основными параметрами автоматического режима, которые вводятся в компьютер теплового насоса, являются:

¦ график мощности отопления станции;

¦ температура горячей бытовой воды;

¦ температура в помещениях станции, выше которой летом включается система кондиционирования.

В проекте использован тепловой насос производства шведской фирмы, оснащенный двумя компрессорами, которые могут работать независимо друг от друга. Тепловой насос при необходимости может производить одновременно два потока тепла с разными температурами, а также может управлять работой бойлера-доводчика.

Тепловой насос предусматривает приоритетный подогрев горячей воды. Тепловая мощность подогрева воды, обеспечиваемая модулем В (рис. 1), равна половине общей выходной мощности. Модуль А во время подготовки горячей воды работает на систему отопления. Когда бак-аккумулятор горячей воды заполнится, трехходовой клапан переключает модуль В на систему отопления. Если потребность в тепле в системе отопления превосходит мощность, вырабатываемую тепловым насосом, автоматически включается электрический бойлер-доводчик. Дополнительный подогрев воды возможен также в баке горячей воды при помощи санитарного электронагревателя.

В качестве отопительных приборов в служебных помещениях станции выбраны напольные фанкойлы с возможностью использования горячего или холодного теплоносителя. В пассажирском зале используются аппараты воздушного отопления (с водяным обогревом и встроенным вентилятором). Применение приборов этого типа позволяет для отопления помещений использовать теплоноситель с температурой 45-55 ОС, что удачно согласуется с уровнем температур теплоносителя, генерируемого в конденсаторе теплового насоса.

Выбор источника низкопотенциальной теплоты

При выборе источника низкопотенциальной теплоты были проанализированы возможности использования энергии воздуха, воды и грунта.

Атмосферный воздух был исключен из числа низкопотенциальных источников, благоприятных к использованию, вследствие того, что со снижением температуры окружающего воздуха, когда требуется повышенная отопительная мощность объекта, мощность теплового насоса (генератора тепла) снижается для рассматриваемых условий в 3-4 раза, что требует применение доводчика повышенной мощности. Большую часть рабо-

чего времени, к сожалению, эта дополнительная мощность была бы не востребована.

Поверхностные, грунтовые воды или сбросные воды технологических установок, так же как и вентиляционные выбросы, которые при стабильной температуре теплоносителя могли бы обеспечить высокую годовую энергетическую эффективность системы, в данном случае в количестве, достаточном для нормальной работы системы, отсутствуют.

В результате в качестве низкопотенциального источника теплоты в проекте использован грунт.

Следует заметить, что использование теплоты грунта является одним из наиболее динамично развивающихся в мире направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в теплонасосной технологии.

Аккумулированное грунтом тепло с определенным температурным уровнем передается рабочему телу теплового насоса, как правило, через промежуточный теплоноситель (рассол), температура замерзания которого принимается примерно равной -15 ОС. Грунтовые теплообменники выполняются обычно из пластиковых труб и бывают горизонтальными (коллекторы) или вертикальными (грунтовые зонды). Гарантийный срок службы грунтовых теплообменников составляет 50 лет и более.

При укладке горизонтального теплообменника в траншеи глубиной 1,2-2 м, площадь занимаемой им территории в 3-4 раза превосходит отапливаемую площадь объекта, что является одним из главных недостатков грунтового коллектора.

Вертикальные грунтовые теплообменники-зонды - это система длинных труб, опускаемых в глубокие скважины (50-200 м). Для их установки необходима значительно меньшая площадь земельного участка, однако требуется выполнение дорогостоящих буровых работ. Уровень температур вдоль зонда считается постоянным и поэтому эксплуатация теплового насоса с таким теплообменником более эффективна по сравнению с горизонтальным коллектором. Однако, зачастую по технико-экономическим показателям и технологической простоте организации теплосъема предпочтение, как и в рассматриваемом проекте, отдается горизонтальным грунтовым теплообменникам.

Коллектор горизонтального теплообменника, выполненного по проекту, размещен на соседней со зданием вокзала территории (рис. 2), в траншее глубиной 1,5-1,8 м. Общая длина пяти петель пластиковой трубы диаметром 42 мм составила 1200 м.

Опыт эксплуатации ТНУ

Проектирование, монтаж и наладка всей системы заняли два месяца, и с ноября 2006 г. система находится в промышленной эксплуатации. Площадь, занимаемая тепловым насосом и баком-аккумулятором горячей воды, установленными в помещении вокзала, не превышает 2 м 2.

За время эксплуатации системы в полностью автоматическом режиме не было отмечено никаких сбоев в комплексной системе тепло- и хладоснабжения. Температура в отапливаемый период поддерживалась системой автоматики на заданном уровне: в служебных помещениях 18±2 ОС, в зале ожидания для пассажиров 16±2 ОС. В летний период при температуре наружного воздуха 30 ОС теплонасосная установка работала в режиме кондиционирования, поддерживая температуру в служебных помещениях на уровне 23-25 ОС.

Плюсом грунтовых теплонасосных систем является возможность использования пассивного кондиционирования, когда компрессор теплового насоса не включается и электроэнергия затрачивается только на перекачивание воды, охлажденной в грунтовом теплообменнике по фанкойлам. При этом на затраченный киловатт электроэнергии можно получить до 30 кВт холода, что в 10 раз превышает эффективность обычного кондиционера. Если мощности пассивного кондиционирования недостаточно, то включается компрессор и тепловой насос работает в режиме обычного кондиционера, и охлаждение помещений становится "активным".

По результатам эксплуатации теплонасосной системы за отопительный сезон 2006-2007 гг. общие эксплуатационные затраты не превысили 12 тыс. грн. (2380 долл. США), в то время как за отопительный сезон 2005-2006 гг. при использовании котельной они были более 60 тыс. грн. (11800 долл. США)

Кроме отопления система обеспечивала дополнительно кондиционирование воздуха и производство горячей воды для бытовых нужд.

Температура поверхности грунтового массива в зоне расположения грунтового теплообменника, оцененная косвенно по изменению температуры теплоносителя на входе в испаритель теплового насоса, изменилась за отопительный сезон на 3-5 ОС и полностью восстановилась в летнее время. Явления "запоздалой весны" не замечено.

Заключение

Необходимо отметить, что помимо снижения эксплуатационных затрат, получен опыт создания систем грунтового теплосъема и намечены пути снижения капитальных затрат при реализации подобных теплообменников. Имеются также предложения по упрощению схемы комплексной системы и по ряду других технических и эксплуатационных решений. Все это позволит уменьшить суммарные затраты и сделать систему отопления на базе тепловых насосов с грунтовыми теплообменниками еще более конкурентоспособной.

Хотелось бы также особо подчеркнуть, что перечисленные выше достоинства применения тепловых насосов еще не означают абсолютную целесообразность замены ими традиционных способов производства теплоты для объектов коммунальной энергетики. В каждом конкретном случае на основании технико-экономических расчетов и анализа вариантных проработок определяется целесообразность внедрения и срок окупаемости конкретного типа ТНУ в качестве источника теплоты для конкретного потребителя. Упрощенный непрофессиональный подход к выбору схемных решений систем на базе теплонасосных технологий и оборудования для ТНУ, к подбору приемлемого низкопотенциального источника теплоты, к монтажу и сервисному обслуживанию, может привести к условиям нерациональной эксплуатации такого оборудования и дискредитации самой идеи применения тепловых насосов в глазах потребителя. Поэтому внедрение теплонасосной техники должно производиться исключительно высокопрофессиональными специалистами, глубоко понимающими процессы, происходящие в ТНУ, и умеющими находить оптимальные решения в конкретных случаях. Слепое тиражирование зарубежных проектов здесь недопустимо.

Размещено на Allbest.ru