От централизованного теплоснабжения – к тепловым насосам

В. Ф. Гершкович, канд. техн. наук, лауреат премии НП «АВОК», ЧП «Энергоминимум», Киев

Несмотря на то что централизованное теплоснабжение от ТЭЦ остается самым энергетически эффективным способом использования энергии топлива, крайне важен опыт реконструкции системы теплоснабжения существующего здания, присоединенного к тепловой сети, с возможностью полного от нее отключения при использовании тепловых насосов. Это нужно, потому что:

во-первых, значительная доля зданий подключена не к ТЭЦ, а к районным котельным, эффективность теплоснабжения от которых остается крайне низкой. Сейчас эти здания иногда отключают от центральной котельной, установив в них местные газовые котлы. Но это не выход из ситуации, потому что здание, отсоединенное от тепловой сети, становится самым уязвимым узлом городской инфраструктуры и жестко зависит от наличия газа в газопроводе. Кроме того, при увеличении количества газовых котлов в конкретном районе общее потребление газа увеличивается, а этого допускать не следует, если исходить из интересов общества в целом, а не отдельных потребителей. В то же время использование теплового насоса в доме, отключенном от центральной котельной, способствовало бы, с одной стороны, сокращению потребления газа, а с другой – создавало бы элемент будущей энергетически эффективной системы, основанной на использовании теплоты окружающей среды.

Во-вторых, необходим переход от слов об эффективности тепловых насосов к реализации конкретных проектов. И если в новом строительстве усадебных жилых домов с тепловыми насосами за последние годы наметился некоторый положительный сдвиг, то в городском строительстве этого не наблюдается, несмотря на то что огромная доля дорогостоящего природного газа сжигается для обеспечения теплом именно городских зданий.

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

Тепловой насос в данном здании работает с 1998 года. Тогда на плоской кровле были установлены калориферы из отслужившего свой век центрального кондиционера, и они были единственным источником тепла, которое при помощи теплового насоса «вода – вода» преобразовывалось в теплоту, использующуюся в системе горячего водоснабжения в летний период.

В 2006 году система горячего водоснабжения здания была дополнена новыми источниками тепла. В подвале были установлены сточно-гликолевые теплообменники, в которых отнималось тепло сточных вод канализационной системы, и грунтовые теплообменники, отбирающие тепло из расположенного непосредственно под пятном дома грунтового массива.

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

Несмотря на то что задача снабжения жителей общежития горячей водой практически решена, попыткам обеспечить подобным образом отопление препятствовал чрезмерно высокий уровень тепловых потерь существующего здания. Достаточно взглянуть на здание  (рис. 1), чтобы понять, что обогреть его тепловым насосом совершенно немыслимо: сплошное ленточное остекление, выполненное в старых конструкциях, именуемых попросту «столяркой», обеспечивает слабую теплозащиту и способствует избыточной инфильтрации, а термическое сопротивление кирпичных стен толщиной 51 см, облицованных керамической плиткой, в три раза меньше нормативных значений, регламентированных действующими нормами. Поэтому при реконструкции системы отопления необходимо обязательное выполнение работ по утеплению здания.

Рисунок 1. Здание общежития аспирантов КиевЗНИИЭП, в котором работает тепловой насос

Предполагается заменить светопрозрачные ограждающие конструкции. На рис. 2 показан вид на наружную стену из комнаты до и после реконструкции. Из рисунка очевидно, что тепловые потери помещения уменьшатся в результате комплексного воздействия следующих факторов:

• уменьшения площади окна до нормативной величины (1/6 часть площади пола);
• увеличения термического сопротивления стены;
• повышения термического сопротивления и плотности притворов окна;
• использования теплой форточки – ТеФо
  (теплая форточка – комнатный рекуперативный приточно-вытяжной аппарат).

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

Рисунок 2. Условное изображение ограждающих конструкций типовой комнаты общежития: а – до реконструкции; б – после реконструкции

В результате утепления здания и сокращения тепловых потерь на вентиляцию расчетная тепловая мощность отопительной системы уменьшилась с 192 до 51,3 кВт. Столь существенное уменьшение тепловой мощности позволяет не менять существующую систему отопления с радиаторами, работающими до реконструкции с расчетными температурами 95–70 °С и температурным напором 64,5 °С. Учитывая эти данные и то, что экспонента радиатора равна 1,4, находим новый температурный напор, который будет равен 25,1 °C.

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

Проектная схема теплоснабжения здания от тепловых насосов представлена на рис. 3. Основным источником тепла для существующих фасадных отопительных систем (6, 7) служит тепловой насос (1), развивающий в пиковом режиме тепловую мощность 51,3 кВт при температурах охлажденной в испарителе жидкости 2 °С и подогретой в конденсаторе воды 47 °С. При этом коэффициент преобразования теплового насоса в этом режиме будет находиться на уровне 3,4–3,6. Предполагается, что в режиме переходного периода температура охлажденной в испарителе жидкости поднимется до 5 °С, а температура воды на выходе из конденсатора опустится до 40 °С, и в этом режиме коэффициент преобразования теплового насоса достигнет 4,4 при среднем за отопительный период значении около 3,9.

Рисунок 3 (подробнее)   Схема теплоснабжения здания от тепловых насосов

Тепловой насос (1) будет использовать теплоту от четырех низкотемпературных источников. Теплота грунта отбирается от него теплообменниками (4). Часть теплообменников уже установлена. В действующей системе установлены 60 U-образных петель из полиэтиленовых трубок наружным диаметром 16 мм и общей длиной 360 м. Как показали исследования, в характерных для пикового режима температурных условиях теплоотдача 1 м такой трубы составила 26 Вт. Дополнительно будут установлены еще 90 U-образных петель, и общая длина трубок достигнет 900 м.

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

Еще одним источником тепла для теплового насоса (1) будут солнечные коллекторы (10). Предполагается использование вакуумных коллекторов отечественного производства. Такие коллекторы могут работать используя не только прямое, но и рассеянное солнечное излучение. Вместе с тем зимой они будут работать в течение относительно непродолжительного времени.

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

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

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

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

Солнечные коллекторы (10) предполагается использовать вместо теплового насоса в летний период для системы горячего водоснабжения. Для этого проектом предусмотрен водоподогреватель (18), в котором подогретый в солнечных коллекторах водный раствор пропиленгликоля передает тепло воде, используемой в системе горячего водоснабжения. При переменной облачности или наличии только рассеянного солнечного излучения солнечные коллекторы могут работать совместно с тепловым насосом (11).

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

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

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

Электрические котлы и клапаны, установленные на линиях подачи теплоносителя к ним, будут при надобности автоматически включаться в работу с 23:00 до 6:00 – во время действия льготного тарифа на электрическую энергию. Необходимость работы электрических котлов должна определяться персоналом с учетом соотношения обычного и льготного тарифов, которое может меняться в соответствии с тарифной политикой государства.

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

В таблице показаны основные технические показатели проекта. Удельный расход энергии на отопление равен 13,7 кВт•ч/м² в год и, на первый взгляд, кажется чрезмерно низким, даже немного ниже принятого в Европе норматива, характерного для пассивных домов. На самом деле здание общежития после его реконструкции хотя и будет иметь некоторые характеристики пассивного дома, все же таковым не является, поскольку отапливается тепловым насосом, в то время как пассивные дома обогреваются в основном за счет внутренних тепловыделений.

Чрезмерно низкое значение удельного расхода энергии, затрачиваемой на отопление, объясняется тем, что энергия эта – электрическая. Для того чтобы сопоставить реконструированное здание общежития с другими энергоэффективными сооружениями, следует умножить проектное значение удельных энергозатрат на среднюю величину коэффициента преобразования, т. е. на 3,9. Полученный результат – 53,4 кВт•ч/м² в год.

Если проектное значение удельных затрат энергии будет подтверждено при реализации проекта, то это позволит отнести реконструированное здание к числу самых эффективных гражданских сооружений с активной системой отопления.