Применение кольцевых теплонасосных систем

В. Е. Шабанов, инженер по системам ОВК и автоматики гостиницы «Ирис Конгресс Отель»

Если непосредственно о тепловых насосах в последнее время появилось много информации в прессе и в русскоязычном Интернете, то об интегрированных теплонасосных системах публикаций крайне мало. Цель данной статьи несколько восполнить этот пробел, обобщить некоторые из вопросов, возникающие у специалистов при первом знакомстве с кольцевыми теплонаcосными системами, и коротко ответить на них.

Тепловые насосы

Можно ли зимой с помощью холодной воды в реке обогреть стоящее на ее берегу здание? Можно, и для этого нужен тепловой насос. «Холодная вода» – понятие субъективное, основанное на наших ощущениях, даже самая холодная речная вода содержит некоторое количество теплоты. Но известно, что теплота переходит только от нагретого тела к более холодному. Однако теплоту можно принудительно направить от холодного тела к теплому, тогда холодное тело еще больше остынет, а теплое нагреется. Тепловой насос как раз и является устройством, которое позволяет передавать теплоту от источника низкопотенциальной теплоты к потребителю высокопотенциальной теплоты. Используя тепловой насос, который «выкачивает» теплоту речной воды, еще больше понижая ее температуру, можно обогреть здание. Причем, за-трачивая для своей работы 1 кВт электроэнергии, тепловой насос может произвести от 2 до 7 кВт тепловой энергии, т. е. мощностью всего двух-трех бытовых лампочек в зимний период можно обогреть среднюю жилую комнату. Этим же тепловым насосом мы можем летом охлаждать воздух в помещениях нашего здания. Теплота из здания будет удаляться, поглощаясь речной водой, т. е. тепловой насос будет выполнять функции и отопления, и кондиционирования воздуха одновременно.

Некоторые преимущества теплового насоса перед другими видами теплоснабжения:

• высокая экономичность, производят энергии в 2–7 раз больше, чем потребляют;

• функции отопления и кондиционирования воздуха одновременно;

• надежность;

• долговечность;

• экологическая чистота;

• безопасность.

На примере здания, стоящего на берегу реки, показано лишь одно из многих применений тепловых насосов. Тепловые насосы успешно используются для теплоснабжения и кондиционирования коттеджей, общественных и жилых зданий, в ЖКХ для утилизации теплоты на промышленных предприятиях, для теплоснабжения в сельском хозяйстве и т. д. В некоторых случаях тепловые насосы просто незаменимы, например, на удаленных и труднодоступных объектах (сельскохозяйственные фермы, военные точки, научно-исследовательские станции, объекты в горных местностях и т. п.). Тепловой насос не требует никаких коммуникаций, кроме электросети.

Рисунок 1 (подробнее)   Примерная схема водяного контура кольцевой теплонасосной системы

В настоящее время имеется огромное разнообразие тепловых насосов, что позволяет их широко применять в промышленности, сельском хозяйстве, в ЖКХ. Производятся тепловые насосы различной тепловой мощности, от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Они могут работать с источниками низкопотенциальной теплоты и потребителями высокопотенциальной теплоты в разных агрегатных состояниях, в связи с этим их можно разделить на следующие типы: вода-вода, вода-воздух, воздух-вода, воздух-воздух. Выпускаемые тепловые насосы предназначены для работы с источниками низкопотенциальной теплоты самых разных температур, вплоть до отрицательной, и могут использоваться для потребителей высокопотенциальной теплоты, требующих различную температуру, даже выше 100 °С. В зависимости от этого тепловые насосы можно разделить на низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные. Существует большое разнообразие тепловых насосов по техническому устройству, в котором можно выделить два вида: парокомпрессионные и абсорбционные.

Кроме электроэнергии для своей работы тепловые насосы могут использовать и другие виды энергии, например, приводом тепловых насосов могут быть двигатели, работающие на различных видах топлива.

На сегодня большое разнообразие теплонасосной техники выпускается серийно, также изготавливается и по специальным проектам, имеются экспериментальные установки, опытно-промышленные образцы, много теоретических разработок.

Теплонасосная установка включает в себя источник низкопотенциальной теплоты и потребителя высокопотенциальной теплоты, поэтому варианты их комбинаций дают большое разнообразие тепловых насосов. Вот некоторые варианты:

• использующие теплоту грунтовых вод для отопления;

• использующие теплоту естественного водоема для горячего водоснабжения;

• использующие морскую воду в качестве источника и приемника теплоты при кондиционировании воздуха;

• использующие наружный воздух в качестве источника и приемника теплоты при кондиционировании воздуха;

• для нагрева воды плавательного бассейна, использующие теплоту наружного воздуха;

• утилизирующие теплоту сточных вод через систему теплоснабжения;

• утилизирующие теплоту инженерно-технического оборудования через систему теплоснабжения;

• для охлаждения молока и одновременно нагрева воды для горячего водоснабжения на молочных фермах;

• для утилизации теплоты от технологических процессов в первичном подогреве приточного воздуха.

Этот список можно продолжать и далее.

В случае же, если на объекте предусматривается применение не-скольких тепловых насосов, которые будут предназначены для производства как теплоты, так и холода, то эффективность их работы многократно возрастет, если они будут объединены в единую систему. Это так называемые кольцевые теплонасосные системы. Их целесообразно использовать на средних и крупных объектах.

Рисунок 2 (подробнее)   Принцип работы кольцевой теплонасосной системы с различными тепловыми насосами (красные стрелки показывают направление движения тепла)

Кольцевые системы кондиционирования воздуха

Основу этих систем составляют тепловые насосы типа вода-воздух, выполняющие функции кондиционирования воздуха в помещениях. Тепловой насос в описываемом случае состоит из фреонового агрегата, снабженного перепускным четырехходовым клапаном для смены режимов нагрева и охлаждения, и вентилятором, нагнетающим воздух в помещение. В теплообменнике фреон-вода постоянно циркулирует вода, а через теплообменник воздух-фреон воздух вентилятором нагнетается в помещение. Если теплообменник воздух-фреон работает как испаритель, то воздух, проходящий через него, охлаждается, а теплообменник фреон-вода играет роль конденсатора, и вода в нем нагревается. При необходимости нагрева воздуха перепускной клапан в агрегате переключается, направление движения фреона меняется на противоположное, и вся система работает наоборот.

В каждом из помещений, 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 факторами. Все тепловые насосы реверсивные, т. е. предназначены и для охлаждения, и для нагрева воздуха. Все они связаны общим водяным контуром – трубами, в которых циркулирует вода. Вода является одновременно источником и приемником теплоты для всех тепловых насосов. Температура в контуре может изменяться в пределах от 18 до 32 °С. Между теми тепловыми насосами, которые нагревают воздух, и теми, которые охлаждают его, происходит обмен теплотой посредством водяного контура. В зависимости от назначения помещения, количества присутствующих в данный момент людей, работающего оборудования, времени года, времени суток в разных помещениях может требоваться либо нагрев, либо охлаждение воздуха. При работе тепловых насосов, производящих теплоту, одновременно с тепловыми насосами, производящими холод, происходит перенос теплоты из помещений, где его избыток, в помещения, где его не хватает. Таким образом, происходит обмен теплотой между всеми помещениями с помощью тепловых насосов, объединенных в единое кольцо.

Если количество тепловых насосов, работающих в режиме нагрева воздуха, равно количеству тепловых насосов, работающих в режиме охлаждения, то система не требует поступления теплоты извне или удаления теплоты наружу, и затраты энергии заключаются лишь в работе циркуляционного насоса водяного контура и в работе приводов тепловых насосов. Так происходит в основном в переходные периоды (весна, осень).

Зимой число тепловых насосов, работающих в режиме нагрева воздуха, возрастает, и больше теплоты забирается из водяного контура. В этом случае требуется его восполнение, для чего к контуру подключен дополнительный нагреватель. Для подогрева воды подойдет любой источник теплоты: газовый котел, котел на жидком или твердом топливе, теплообменник, работающий с теплоносителем центральной теплосети или рай-онной котельной, электронагреватель и пр. В любом случае для этого не потребуется сравнительно мощного устройства, и система в целом не-много проиграет в экономичности.

Летом, наоборот, в системе возрастает число тепловых насосов, охлаждающих воздух, и большее количество теплоты поступает в водяной контур. Чтобы температура воды не превысила установленный предел, ее необходимо охлаждать. Для удаления теплоты наружу в водяном контуре имеется охладитель. Здесь подойдет градирня любого типа (открытая, открытая в сочетании с теплообменником, закрытая с орошением, сухая), в некоторых случаях с успехом используется тепловой насос вода-воздух.

В состав водяного контура входит также низкотемпературный бак-накопитель, который, увеличивая объем воды, способствует большему накоплению теплоты, а также стабилизирует температуру воды в начале контура. Чем больше этот бак, тем больше система способна аккумулировать теплоту, которая затем при необходимости может быть использована. Увеличение объема бака снижает мощности как градирни, так и дополнительного нагревателя. Теоретически бак может быть таких размеров, что вся накопленная теплота за лето могла бы быть употреблена зимой, но тогда габариты бака были бы чрезмерными. На практике приходится выбирать оптимальное соотношение имеющихся площадей для размещения бака и мощностей нагревателя и охладителя. В качестве нагревателя в баке могут быть размещены электрические тэны, что экономит пространство.

Описываемое построение системы дает некоторые очень интересные следствия.

Как уже было отмечено, при кондиционировании воздуха посредством кольцевой системы происходит обмен теплотой между помещениями. Большую часть года в умеренных широтах в одних помещениях здания требуется нагрев воздуха, в это же время в других помещениях необходимо охлаждение воздуха. Теплота из помещений с большими тепловыделениями (например, кухонь, прачечных, технических помещений и т. д.) может быть использована для обогрева других помещений (жилых комнат, административных помещений, офисов и т. д.).

Перенос теплоты в системе осуществляется водой с температурой 18–32 °С, это самый безопасный и эффективный способ транспортировки теплоты, предусматривающий наименьшие потери, в отличие от циркуляции нагретой или охлажденной воды по трубам, воздуха по воздуховодам или фреона в трубках. Поскольку при такой температуре нет заметной теплоотдачи, и не образуется конденсат на поверхности, то трубы водяного контура кольцевых теплонасосных систем, проходящие внутри зданий, не оснащают теплоизоляцией.

Весной и осенью в солнечные дни часто возникает ситуация, когда солнечная сторона здания значительно прогревается, и в помещениях этой стороны требуется охлаждение воздуха, а с теневой стороны здания помещения необходимо обогревать. При работе теплового насоса кольцевой системы происходит перенос теплоты из помещений фасада, перегретых солнцем, в помещения теневой стороны.

В эти же периоды дневная температура наружного воздуха может значительно превосходить ночную температуру. В этом случае в течение дня в водяном контуре кольцевых теплонасосных систем происходит накопление теплоты, которая затем может быть потрачена в ночное время.

В результате кольцевые теплонасосные системы позволяют многократно использовать теплоту внутри здания и значительно сократить его подведение извне. Кроме того, вторичное использование теплоты может быть умножено описываемыми ниже способами.

Рисунок 4. Напольный тепловой насос с воздуховодами и подключением к водяному контуру. Полностью обеспечивает вентиляцию и кондиционирование воздуха в смежном помещении

Утилизация вторичной теплоты различных источников

Помимо тепловых насосов, выполняющих функцию кондиционирования воздуха, в состав кольцевых теплонасосных систем могут входить и тепловые насосы других назначений. Если на объекте имеются достаточные потребности в теплоте, через кольцевую систему при помощи тепловых насосов можно результативно утилизировать бросовое тепло.

При наличии интенсивного потока сточных вод имеет смысл установить тепловой насос вода-вода, который позволит утилизировать эту теплоту посредством кольцевых теплонасосных систем. Такой тепловой насос сможет извлекать теплоту из сточных вод, которая будет поглощаться водой контура, а затем использована для обогрева помещений при помощи тепловых насосов, кондиционирующих воздух.

Воздух, удаляемый из здания вытяжной вентиляцией, содержит большое количество теплоты. При отсутствии в вытяжном воздухе большого количества примесей, затрудняющих работу теплообменника фреон-воздух в тепловом насосе, можно утилизировать теплоту удаляемого воздуха, установив тепловой насос воздух-вода. Через кольцевые теплонасосные системы эта теплота может быть направлена ко всем потребителями в здании, чего труднее добиться при применении традиционных регенераторов и рекуператоров. Также процесс утилизации в описываемом случае более стабилен, т. к. не зависит от температуры наружного воздуха, забираемого приточной вентиляцией, и от устанавливаемой температуры нагрева воздуха, нагнетаемого в помещение.

Кроме того, при применении реверсивных тепловых насосов как на сточных водах, так и в вытяжной вентиляции, можно их использовать в качестве удалителей излишков теплоты из водяного контура в теплое время года, и тем самым снизить необходимую мощность градирни.

Если на предприятии имеется значительное потребление холодной водопроводной воды, то возможно использование и этого источника низкопотенциальной теплоты. При наличии холодильных и морозильных камер разумно будет оборудовать их агрегатами, оснащенными конденсаторами с водяным охлаждением, которые также подключаются к водяному контуру. На производственных предприятиях при наличии технологических процессов, связанных с тепловыделением, теплота от оборудования может также быть направлена в водяной контур системы при помощи тепловых насосов или непосредственно через теплообменники.

Направляя в холодное время года утилизированную, т. е. бесплатную, теплоту в водяной контур кольцевой системы, мы тем самым снижаем поступление теплоты от дополнительного нагревателя, т. е. той теплоты, которую придется оплачивать.

Утилизация теплоты через различных потребителей

В теплое время года при помощи тепловых насосов, также входящих в состав кольцевой системы, наоборот, можно излишки теплоты водяного контура утилизировать через потребителей, имеющихся на объекте. Например, к кольцевой системе может быть подключен тепловой насос вода-вода, передающий избыточную теплоту в систему горячего водо-снабжения (ГВС). При небольших потребностях в горячей воде на объекте такой тепловой насос может полностью их удовлетворить, а при больших – тепловой насос используют совместно с традиционными нагревателями воды.

Если на объекте имеется один или несколько плавательных бассейнов, например, в оздоровительных учреждениях, домах отдыха, развлекательных комплексах, гостиницах и т. д., реализовать нагрев воды бассейнов можно также при помощи тепловых насосов вода-вода, подключив его к кольцевым теплонасосным системам.

К системе могут быть подключены самые разные потребители тепла. На промышленных предприятиях может быть осуществлен нагрев в технологических процессах, если при этом потребуется то количество теплоты, которое кольцевая теплонасосная система сможет обеспечить.

Применение тепловых насосов, направляющих избыточную теплоту из водяного контура системы к потребителям, имеющимся на объекте, не только сокращает потребление теплоты извне, но и позволяет снизить необходимую мощность градирни кольцевой системы и уменьшить эксплуатационные расходы, связанные с работой градирни.

Дополнительное накопление теплоты

При осуществлении нагрева воды плавательных бассейнов при помощи кольцевых теплонасосных систем, как было описано выше, можно не только утилизировать излишки теплоты, но и использовать объем воды бассейна в качестве дополнительного накопителя некоторого количества теплотой. Манипулируя в допустимых пределах температурой воды в бассейне (так, чтобы это не сказывалось на комфорте при пользовании бассейном), можно изменять количество теплоты, поступающей из водяного контура системы. Если в жаркую погоду, когда большинство тепловых насосов-кондиционеров работают в режиме охлаждения воздуха в течение дня поднимать температуру воды в бассейне хотя бы на 1–2 °С, а в ночное время отключать нагрев, то это позволит рациональнее использовать имеющуюся градирню, перенося выброс части тепла на ночное время. Зимой, также манипулируя температурой воды в бассейне, в зависимости от общего потребления теплоты в здании можно снизить поступление теплоты от дополнительного нагревателя. Эти меры, конечно, будут результативны при достаточно большом объеме бассейна.

Нередко на предприятиях в технологических целях используются вместительные резервуары или баки с какой-либо жидкостью, температура которой должна поддерживаться на определенном уровне. Если температура и количество необходимой для ее поддержания теплоты совместимы с кольцевыми теплонасосными системами, то жидкость в этих емкостях также можно нагревать (или охлаждать) при помощи тепловых насосов. Если же вместе с тем диапазон задаваемой температуры жидкости определен не слишком узко, а объем значителен, также имеет смысл использовать эти емкости для накопления теплоты.

Рисунок 5. Потолочный тепловой насос. В данном случае используется в качестве доводчика температуры в помещении

Использование теплоты внешней среды

В качестве альтернативы дополнительному нагревателю и градирне в состав кольцевых теплонасосных систем могут входить реверсивные тепловые насосы, которые используют внешнюю среду (воду водоемов, грунтовые воды, грунт и пр.) в качестве источника и приемника теплоты. Эти тепловые насосы позволяют и удалять избытки тепла летом, и восполнять его недостаток зимой. Применение таких тепловых насосов значительно упрощает состав кольцевых теплонасосных систем.

Во-первых, как было отмечено, они дают возможность значительно снизить мощности и дополнительного нагревателя, и градирни, или даже полностью отказаться от них. Во-вторых, они позволяют значительно снизить объем бака-накопителя, или опять же полностью от него отказаться, внешняя среда в этом случае как бы играет роль того самого чрезмерного бака. В-третьих, они делают необязательной установку тепловых насосов для утилизации вторичной теплоты на некоторых источниках (имеющих более низкий потенциал или менее рентабельных по другим причинам), нет большого смысла в том, чтобы не давать уходить отработанной теплоте во внешнюю среду, когда необходимое его количество всегда может быть оттуда взято.

Таким образом, все тепловые насосы, входящие в состав кольцевых теплонасосных систем, по своему назначению можно разделить на следующие группы:

• производители теплоты и/или холода для нужд объекта (например, тепловой насос в системе кондиционирования воздуха); являются основой кольцевых систем;

• утилизаторы-накопители теплоты в водяном контуре (например, тепловой насос на сточных водах); система может не иметь таких тепловых насосов;

• утилизаторы-удалители теплоты из водяного контура (например, тепловой насос в системе ГВС); система также может не иметь таких тепловых насосов;

• тепловой насос для восполнения недостатка или удаления избытка теплоты общего контура (тепловой насос, использующий внешнюю среду); могут заменять собой дополнительный нагреватель и охладитель.

Это деление условно, т. к. некоторые тепловые насосы могут выполнять несколько функций. Например, реверсивный тепловой насос на сточных водах зимой может утилизировать теплоту, а летом удалять ее.

Теплонасосные системы и альтернативные источники энергии

В настоящее время до 90 % всей производимой энергии в мире вырабатывается за счет невозобновляемых источников. Это в основном ископаемое органическое топливо (нефть, газ, уголь), а также ядерное топливо. Как известно, запасы этих источников энергии не бесконечны, они стремительно сокращаются, и чем их меньше будет оставаться, тем добыча их будет все труднее и дороже. Кроме того, их использование связано с экологическими проблемами. А между тем потребности в энергии все время возрастают. Доля же возобновляемых источников в общем производстве энергии пока остается крайне незначительной (за исключением использования энергии течения рек на гидростанциях). Это обусловлено рядом недостатков, присущих большинству альтернативных источников энергии и препятствующих их широкому распространению. Это и цикличность (энергия солнечного света, прилива морей и пр.), и элемент случайности (энергия ветра, солнечного света и пр.), и малая удельная мощность, и высокая стоимость оборудования для производства энергии за счет этих источников и пр.

Важнейшее свойство тепловых насосов – производить энергии больше, чем потреблять, а также способность теплонасосных систем накапливать и многократно перерабатывать тепловую энергию делают возможным использование многих альтернативных источников энергии в тепло-снабжении, компенсируя их недостатки и оптимизируя характеристики. Что может способствовать более широкому освоению этих источников.

В настоящее время совместно с кольцевыми теплонасосными системами успешно используются альтернативные способы производства энер-гии. Это, например, солнечные коллекторы, аккумулирующие тепло в системе для употребления его в плохую погоду. Подобные системы, показывая на практике наилучшие результаты работы, приобрели на сегодняшний день перспективы широкого распространения.

Сочетание кольцевых теплонасосных систем с прочими инженерными системами

Систему вентиляции в зданиях с кольцевыми теплонасосными системами необходимо разрабатывать с учетом особенностей работы тепловых насосов, кондиционирующих воздух. Обязательной является рециркуляция воздуха в том объеме, который необходим для стабильной работы этих тепловых насосов, 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 кольцевыми теплонасосными системами. Но, вместе с тем, кольцевые теплонасосные системы предусматривают более простые системы вентиляции, чем другие способы кондиционирования воздуха. Тепловые насосы осуществляют подогрев и охлаждение 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 система отопления потребуется менее мощная, и также более простая с технической точки зрения. Такая бивалентная система более пригодна в северных широтах, где может потребоваться больше теплоты для отопления, и ее придется подводить в большем количестве от высокопотенциального источника. Если в здании установлены система кондиционирования, призванная только удалять теплоту, и система отопления для обогрева здания, то эти системы нередко не только не дополняют друг друга, но иногда и противоречат друг другу, особенно в переходные периоды. Работа кольцевых теплонасосных систем совместно с системой отопления не вызывает подобных проблем.

Как уже было отмечено, кольцевые теплонасосные системы могут обеспечивать нагрев в системе ГВС, опять же частично или полностью.

Говоря о традиционных системах теплоснабжения, трудно признать их ограниченную экономичность. Теплота 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 вода-вода для утилизации теплоты, например, холодильных агрегатов, или какие-то другие местные устройства вторичного использования теплоты. Но ведь работа таких теплообменников тоже часто сопряжена с различными проблемами. Кольцевая теплонасосная система не только во многих случаях помогает сделать более эффективную утилизацию, но и избежать некоторых проблем, связанных с ней.

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

Рисунок 6. Агрегат холодильника с водяным охлаждением конденсатора. Слева – подключение фреоновых трубок, справа – подключение к водяному контуру кольцевой теплонасосной системы

Автоматизированное управление кольцевыми системами

Теплонасосные системы не требуют сложных средств автоматизированного управления. Все регулирование сводится лишь к поддержанию определенного значения температуры воды в контуре. Чтобы не допустить охлаждения воды ниже заданного предела, необходимо вовремя включать дополнительный нагреватель, и, на-оборот, чтобы не превысить верхний предел, надо своевременно включать градирню. Автоматическое управление этим несложным процессом можно реализовать при помощи не-скольких термостатов, т. к. температура воды в контуре кольцевых теплонасосных систем может изменяться в довольно широком диапазоне (обычно от 18 до 32 °С), то также нет необходимости использования точной регулирующей арматуры.

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 кольцевые теплонасосные системы включают в себя большое количество тепловых насосов и где установлены тепловые насосы не только для кондиционирования воздуха, но и для утилизации теплоты, для обеспечения теплотой или холодом технологических процессов, для других целей, возможно, будет рентабельна реализация более сложного автоматизированного управления, что позволит оптимизировать работу всей системы.

На работу кольцевых теплонасос-ных систем влияют некоторые факторы. Во-первых, температура воды в контуре. От нее зависит коэффициент преобразования теплоты (СОР) тепловых насосов, входящих в состав кольцевых теплонасосных систем, т. е. соотношение количества потребляемой энергии теплового насоса и количества выдаваемой потребителю теплоты. Во-вторых, наружная температура воздуха. В-третьих, параметры работы градирни. Для одного и того же количества удаленной теплоты при разных условиях может быть затрачено разное количество энергии, потребляемого градирней. Это в свою очередь также зависит от температуры наружного воздуха, его влажности, наличия ветра и т. д. В-четвертых, от количества работающих в данный момент времени тепловых насосов. Здесь значение имеет суммарная мощность тепловых насосов, забирающих тепло из водяного контура, по сравнению с мощностью всех тепловых насосов, отдающих теплоту в контур, т. е. количество теплоты, поступающей в контур или удаляемой из него в данный момент. Кроме того, при разных особенностях кольцевых теплонасосных систем могут приобрести значение и учитываться другие факторы. При наличии средств автоматического контроля над какими-либо из перечисленных параметров возможно обеспечить более эффективную работу кольцевых теплонасосных систем. Например, температуру воды в контуре можно регулировать, не только удерживая ее в заданном диапазоне, но и устанавливая ее значение в зависимости от суммарной мощности работающих в данный момент тепловых насосов в режиме охлаждения и нагрева, от условий удаления теплоты через градирню, от наружной температуры, от тенденции изменения наружной температуры (похолодание или потепление) и пр. Выбирая оптимальную температуру воды в контуре, можно обеспечить наибольший коэффициент преобразования теплоты при работе теплового насоса, максимально увеличить вторичное использование теплоты, сократить работу градирни и дополнительного нагревателя.

Возможности использования кольцевых систем

Все вышеизложенное показывает, что возможности использования кольцевых теплонасосных систем необычайно широки. Их можно монтировать на самых разных объектах: это административные и общественные здания, медицинские и оздоровительные учреждения, дома отдыха, развлекательные и спортивные комплексы, многие промышленные предприятия и т. д. Варианты построения кольцевых теплонасосных систем могут быть от самых простых, предусматривающих только кондиционирование воздуха, до очень сложных, включающих в себя и процессы утилизации тепла, и теплообмен в технологических процессах. Системы настолько гибкие, что допустимо их применение в самых разных случаях и в очень большом количестве вариантов.

При разработке кольцевых теплонасосных систем, прежде всего, нужно оценить потребности в теплоте и холоде проектируемого объекта, изучить все возможные источники низкопотенциальной теплоты и все предполагаемые потребители высокопотенциальной теплоты, определить все теплопритоки и все теплопотери будущего объекта. Наиболее пригодные из источников низкопотенциальной теплой могут быть использованы в кольцевых теплонасосных системах в том случае, если эта теплота может быть потрачена в потребителях высокопотенциальной теплоты. Общая мощность утилизирующих тепловых насосов не должна быть бесполезно избыточна. При определенных условиях самым выгодным вариантом, возможно, будет установка тепловых насосов, использующих внешнюю среду в качестве источника и приемника теплота. Система должна быть сбалансирована по теплоте, но это вовсе не означает, что общие мощности источников и потребителей теплоты должны быть близки, они могут разниться, т. к. может значительно изменяться их соотношение при изменении условий работы системы. В каждом случае нужно тщательно изучить вопрос теплоснабжения и учесть все моменты. Особенности устройства каждой кольцевой теплонасосной системы зависят, прежде всего, от свойств самого объекта.

Рентабельность применения такой системы зависит и от свойств климата местности, где расположен объект. В южных широтах, где основная задача – охлаждение и удаление теплоты, и нет смысла его утилизировать, вполне подойдут традиционные системы чиллер-фэнкойлы и мультисплитные системы. В северных широтах, напротив, требуется большее количество энергии для отопления объекта, и в любом случае потребуется много высокопотенциальной теплоты, которую придется подводить, поэтому здесь разумной будет установка системы в сочетании с системой отопления (бивалентная система). Это, конечно, увеличивает капитальные затраты и может ограничить распространение кольцевых теплонасосных систем, однако на тех объектах, где может иметь место значительная утилизация теплоты в системе, кольцевые теплонасосные системы будут рентабельны и в условиях севера. Идеален для применения таких систем умеренный климат, где продолжительны переходные периоды, не самые суровые зимы или, наоборот, лето не длится круглый год. Особенности местного климата влияют на состав и специфику кольцевых теплонасосных систем.

Сегодня сложилось устойчивое мнение, что тепловой насос – вещь дорогая и в условиях России чаще всего малорентабельная. Такая ситуация характерна при применении локальных теплонасосных установок на малых объектах. Кольцевые теплонасосные системы же, как показывают расчеты и практика, при строительстве объекта позволяют сэкономить на инженерных системах в целом до 15 %, по сравнению с другими распространенными системами. Благодаря надежности, эффективности и внеконкурентной экономичности кольцевые теплонасосные системы предполагают еще более значительное снижение эксплутационных затрат.

Рисунок 7. Низкотемпературный накопительный бак с байпасом

Тепловые насосы в России

В настоящее время идет процесс внедрения теплонасосной техники, который можно назвать грандиозным. Можно говорить о новой эпохе в теплоснабжении – теплоснабжение на основе тепловых насосов. Сегодня десятки миллионов тепловых насосов функционируют по всему миру, и миллионы новых вводятся в строй ежегодно. Тепловые насосы постепенно вытесняют традиционные способы теплоснабжения. К 2020 году ожидается, что около 75 % тепло-снабжения в развитых странах будет осуществляться за счет тепловых насосов.

Происходит быстрыми темпами развитие тепловых насосов с технической точки зрения, достигнут высокий уровень эффективности и надежности. Применение новых технологий позволило создать малошумные и экологически чистые тепловые насосы. Впечатляет и количество фирм-производителей теплонасос-ной техники, и разнообразие предлагаемого ими оборудования по области применения, по мощности, по конструктивным решениям.

Производство и применение тепловых насосов в каждой стране имеет свои особенности, связанные, прежде всего, с особенностями их использования в условиях местного климата. В странах с более мягким климатом наибольшее распространение получили тепловые насосы воздух-воздух и воздух-вода. В местностях с умеренным климатом, где наружный воздух менее пригоден для обогрева помещений при помощи тепловых насосов, а потребности теплоты для отопления велики, распространены тепловые насосы вода-вода и вода-воздух в разных вариантах, в том числе тепловые насосы для кольцевых систем. В странах северной Европы, кроме того, широко применяются тепловые насосы большой мощности в центральных системах теплоснабжения. Кольцевые теплонасосные системы занимают определенный сектор в мировой теплонасосной технике, причем имеется тенденция к расширению этого сектора.

Впервые кольцевая теплонасос-ная система в нашей стране была установлена в 1990 году в гостинице, которая в настоящее время носит название «Ирис Конгресс Отель». Подробнее о работе кольцевой системы кондиционирования в гостинице можно узнать из статьи в журнале «АВОК», № 7, 2004 года.

В 1990-е годы по известным причинам развитие данной отрасли в России быстро шло на спад. Но в настоящее время интерес к этому направлению теплоснабжения вновь повышается. И несмотря на то, что сегодня имеется много примеров практического использования тепловых насосов, которое удачно демонстрирует их преимущества, спрос на них в нашей стране пока невелик, а их выпуск заключается лишь в производстве единичных экземпляров.

Такое положение дел в России имеет вполне объяснимые причины. Наличие на ее территории значительных запасов энергетических ресурсов, экстенсивно развитая энергосистема, широкое распространение систем центрального теплоснабжения никак не способствовали развитию теплонасосной техники даже в условиях большой потребности тепловой энергии. Но такая ситуация не может продолжаться долго. РФ идет по пути интеграции в мировую экономику, что, несомненно, потребует от нее принятия некоторых предлагаемых условий, например, выполнение европейских экологических норм, повышение эффективности энергетики до уровня развитых стран и пр. При возможном вступлении России в ВТО цены на энергоносители неотвратимо приблизятся к европейскому уровню. В новых условиях придется пересматривать и устоявшиеся подходы к теплоснабжению. Применение тепловых насосов и кольцевых теплонасосных систем, являясь одним из способов решения многих перечисленных проблем, могло бы поднять теплоснабжение в России на новый уровень. Причем в нашей стране среди систем кондиционирования воздуха и теплоснабжения именно кольцевые теплонасосные системы могут занять более широкий сектор, чем это наблюдается в других странах, т. к. их работа в условиях российского климата ожидается более результативной.

Пока же, наоборот, в последнее время наблюдается увеличение импорта в Россию чиллер-фэнкойловых и мультисплитных систем в их разных вариантах. Реверсивные системы этих классов также предназначены не только для охлаждения воздуха, но и для нагрева, являясь в этом случае по сути тепловым насосом типа воздух-вода и воздух-воздух. К нам эти системы пришли из стран с более мягким климатом, где хорошо зарекомендовали себя при использовании как для кондиционирования воздуха, так и для отопления зданий. При средней зимней температуре 5 °С и выше подобные системы могут практически полностью удовлетворить потребности в отоплении за счет наружного воздуха, а одну-две самые холодные недели можно использовать электронагревательные приборы. Основная функция таких систем – охлаждение воздуха, нагрев же – лишь дополнительная. На большей части территории России зимой температура воздуха опускается до отрицательных значений, и работа систем, забирающих теплоту из наружного воздуха, становится неэффективной, причем при работе в таком режиме возрастает энергопотребление, а оборудование быстро изнашивается и может даже выйти из строя. При еще более низкой температуре работа этих систем становится невозможной. На зиму их приходится консервировать, а для обогрева задействовать систему отопления полной необходимой мощности, которая обязательно должна быть смонтирована на объекте. В результате системы типа воздух-вода и воздух-воздух, даже те, которые предназначены не только для охлаждения воздуха, но и для нагрева, работают лишь несколько месяцев в году, простаивая остальное время. Для России более подходят системы, основная функция которых – отопление и сбережение теплоты, а уже затем охлаждение воздуха. Кольцевые теплонасосные системы прекрасно выполняют все эти функции, причем гибкость этих систем позволяет разрабатывать их в том виде, который именно для России был бы наиболее приемлем.

В каждой из стран сложились такие технологии теплоснабжения и кондиционирования воздуха, которые наиболее эффективны в этих странах. Все же импортировать эти технологии и оборудование нужно разборчиво и более рационально.

Литература

1. Литвинчук Г. Работа современной сплит-системы в условиях низких температур // АВОК. – 1998. – № 4.

2. Water Source Heat Pump. Design Manual // McQuay International. – 1999.

3. Васильев Г. П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 // AВОК. – 2002. – № 4.

4. Васильев Г. П., Крундышев Н. С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области // АВОК. – 2002. – № 5.

5. Калнинь И. М. Энергосберегающие теплонасосные технологии // Экологические системы. – 2003. – № 6.

6. Горшков В. Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор // Справочник промышленного оборудования. – 2004. – № 2.

7. Васильев Г. П., Абуев И. М., Горнов В. Ф. Автоматизированная теплонасосная установка, утилизирующая низкопотенциальное тепло сточных вод Зеленограда // AВОК. – 2004. – № 5.

8. Гликсон А. Л., Дорошенко А. В. Гелио-системы и тепловые насосы в системах автономного тепло- и хладоснабжения // AВОК. – 2004. – № 7.

9. Шабанов В. Е. Кольцевая система кондиционирования воздуха в гостинице // АВОК. – 2004. – № 7.