Системы отопления на базе теплонасосных установок.
Подмосковный опыт

Н. В. Шилкин, канд. техн. наук, доцент МАрхИ

Первоначально на базе теплонасосных систем было реализовано отопление офисного здания компании-застройщика, расположенного в поселке Первомайское в Подмосковье. Анализ и сравнение альтернативных вариантов энергоснабжения объекта показал, что вариант с тепловыми насосами по капитальным затратам экономически более выгоден варианта с газовыми водонагревателями, даже без учета стоимости самого газа, что было обусловлено, главным образом, высокой стоимостью подключения к газовым сетям. Этот проект был успешно реализован и его эксплуатация подтвердила как его техническую возможность, так и экономическую целесообразность.

Успешный опыт реализации теплонасосной системы отопления офисного здания стал предпосылкой реализации более масштабного проекта – устройства системы отопления уже целого коттеджного поселка на базе теплонасосных установок, использующих низкопотенциальную тепловую энергию Земли.

Система отопления

Эксплуатация теплонасосной системы отопления офисного здания в один из отопительных сезонов, отличавшихся достаточно низкими (до –35 °C) температурами наружного воздуха показала, что система отопления, запроектированная на расчетную наружную температуру –28 °C, не всегда позволяет поддерживать в помещениях комфортную температуру – в период низких температур наружного воздуха температура в помещениях опускалась до 14 °C. Служащие, находящиеся в офисе, при такой температуре чувствовали себя не очень комфортно, но все же организация функционировала в обычном режиме. Для жилых помещений такое понижение температуры недопустимо. Тепловой насос позволяет изменить режим работы для поддержания более высокой температуры, однако при этом существенно снижается его эффективность. Поэтому по итогам эксплуатации для снятия пиковых нагрузок в периоды, характеризуемые экстремально низкими температурами наружного воздуха, было решено предусмотреть в схеме теплоснабжения электрический водонагреватель (электробойлер) для догрева теплоносителя после теплонасосной установки. Электробойлер включается в работу автоматически.

Для отопления каждой секции жилых домов используются две теплонасосных установки, что позволяет обеспечить резервирование на случай возможного выхода из строя части оборудования.

На период запуска системы в эксплуатацию, пока тепловые насосы еще не установлены на объекте, для теплоснабжения использовались временные газовые нагреватели.

Рисунок 1. Укладка труб напольного отопления

Тепловой насос работает тем эффективнее, чем ниже разница между температурами испарителя и конденсатора, т. е. температурой источника низкопотенциальной тепловой энергии и температурой потребителя. Таким образом, наиболее эффективно теплонасосные установки для отопления могут применяться в системах, отличительной чертой которых является относительно невысокая температура теплоносителя. Этим требованиям соответствуют системы отопления на основе напольных отопительных панелей («теплых полов»). Известно, что во избежание заболеваний, связанных с перегревом ног человека, максимальная температура поверхности пола в помещении с постоянным пребыванием людей не должна превышать 26 °C, в помещениях с временным пребыванием 31 °C, в детских игровых комнатах 22 °C [1, 2]. На рассматриваемых объектах в качестве отопительных приборов применяются низкотемпературные системы на основе замоноличенных в стяжку змеевиков из термостойких полимерных труб и сшитого полиэтилена (PEX). Такое решение – комбинация теплонасосных установок с «теплыми полами» – часто применяется и в зарубежной строительной практике.

Для предупреждения возникновения в помещениях холодных нисходящих воздушных потоков от окон, а также выпадения конденсата на внутренней поверхности стекла при отсутствии отопительных приборов, размещенных под окнами, использовалось уменьшение шага замоноличенных в стяжку змеевиков. Если шаг основной укладки составлял 250 мм, то в зоне окон он уменьшался до 100–150 мм.

Из истории изобретения тепловых насосов

Предпосылками к изобретению теплового насоса явилось создание холодильных машин. Одна из первых попыток механического охлаждения была сделана в 1755 году, когда Уильям Кален (William Cullen) получил лед при помощи воздушного насоса. Однако Кален не мог при этом поддерживать постоянный уровень низкой температуры. Первая надежная холодильная машина была сконструирована Перкинсом (Perkins) в 1834 году. В 1852 году Уильям Томпсон (впоследствии лорд Кельвин) (William Thomson, Lord Kelvin, 1824–1907) показал, что тепловой насос может использоваться для нагрева гораздо эффективнее, чем для охлаждения, опубликовав статью, в которой описывалась «нагревательная машина», работающая от механической энергии. Машина Кельвина, названная «умножителем тепла» («heat multiplier»), отапливала здание, причем количество тепла, произведенное машиной, было больше, чем энергия сгорания угля, затраченная на работу двигателя. Кельвин подсчитал, что идеальная тепловая машина для нагревания от 10 до 27 °C одного фунта воздуха в секунду потребует затрат мощности 0,28 л. с., эквивалентной затратам энергии 211 Дж. Прямой нагрев одного фунта воздуха в этом диапазоне температур потребовал бы затрат энергии, равных 7385 Дж. Следовательно, при идеальных условиях на прямой нагрев затрачивается примерно в 35 раз больше тепловой энергии, чем тепловой эквивалент работы. «Умножитель тепла» Кельвина 1 – наружный воздух; 2 – входной цилиндр; 3 – ресивер; 4 – механическая передача; 5 – паровой двигатель; 6 – выходной цилиндр; 7 – подогретый воздух После этой работы Кельвина серьезные исследования возможности использования тепловых насосов для подогрева воды или воздуха не проводились до 1920–1930-х годов. В начале 1930-х годов Хомкс (Homkes) провел исследования тепловых насосов, изучив возможность получения горячей воды. В 1938 году Хэлдэйн (Haldane) проанализировал экспериментальные данные, полученные на холодильных установках в 1891–1921 годах, и продемонстрировал отопительный потенциал теплового насоса. Он сконструировал экспериментальную теплонасосную установку для отопления собственного дома и исследовал различные источники тепловой энергии, а также различные типы отопительных приборов. Мировой экономический кризис 1930-х годов стимулировал дальнейшее исследование тепловых насосов. С экономической точки зрения создавать большие теплонасосные установки для отопления общественных зданий было выгоднее, чем небольшие установки для отопления жилых домов. Первая крупная теплонасосная установка была использована для отопления городской ратуши Цюриха в 1939 году. В качестве источника тепловой энергии для испарителей теплового насоса применялась низкопотенциальная теплота речной воды. В здании была установлена комбинированная система водяного и воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией. В летнее время система могла использоваться для охлаждения воздуха. Вода посредством теплового насоса подогревалась до температуры 60 °C. Предусматривалась возможность аккумулирования горячей воды, а также ее дополнительный подогрев посредством погружного водонагревателя в часы пиковой нагрузки. Мощность установки составила 175 кВт. Конструкция этой установки оказалась удачной, поэтому в общественных банях Цюриха вскоре была установлена вторая теплонасосная установка, использующая низкопотенциальную теплоту воды. Возможность использования тепловых насосов для отопления жилых зданий стала рассматриваться в 1950-х годах. В 1954 году в Великобритании поступило в продажу устройство Ferranti Fridge-Heater, представлявшее собой гибрид холодильника и водонагревателя. В летнее время его отопительная мощность составляла 1,2 кВт, в зимнее – 0,7 кВт. Однако идея гибридного устройства не получила распространения. С этого времени начались исследования использования в системах отопления жилых домов посредством тепловых насосов низкопотенциальной тепловой энергии Земли и наружного воздуха.

Грунтовые теплообменники

По первоначальному проекту для устройства грунтовых теплообменников предусматривалось бурение скважин глубиной 60 м. Однако в ходе геологических изысканий на глубине около 30 м были обнаружены известняки. Стоимость бурения скважин в известняке резко возрастает, кроме того возможен неоптимальный режим теплообмена в таких условиях. Учитывая это обстоятельство, скважины вынужденно пришлось ограничить глубиной 30 м, что привело к необходимости удвоить их количество.

Расстояние между двумя соседними скважинами для обеспечения нормальной работы грунтовых теплообменников должно составлять не менее 5 м. По возможности этот интервал лучше увеличивать. При меньшем расстоянии в случае большой потребности в тепловой энергии при работе тепловых насосов между соседними скважинами возможно промерзание грунта и образование так называемых «линз холода». Лучшее решение – использование единой комбинированной системы отопления-охлаждения. В этом случае в зимнее время грунт используется как источник низкопотенциальной тепловой энергии и при этом захолаживается, в летнее время, наоборот, за счет закачивания теплоносителя в скважины снимаются теплоизбытки в помещениях, а грунтовый массив вокруг скважин при этом подогревается, тем самым подготавливаясь к следующему отопительному сезону. В этом случае риск замораживания грунтового массива существенно уменьшается.

Исследования температурных режимов грунтовых массивов проводятся во многих странах. В России эти исследования уже много лет проводит Г. П. Васильев, их результаты неоднократно публиковались, они обобщены в его диссертационной работе [3]. Эти исследования показали, что начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива сопровождается периодическими изменениями его температуры. Таким образом, при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения необходимо учитывать падение температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров температур грунтового массива, ожидаемых на 5-й год эксплуатации.

Рисунок 2. Узел подключения грунтовых теплообменников

В комбинированных системах, используемых как для тепло-, так и для холодоснабжения, температурный режим грунтового массива поддерживается естественным образом: в зимнее время, когда требуется теплоснабжение, происходит охлаждение грунтового массива, а в летнее, когда требуется холодоснабжение, происходит, наоборот, его нагрев.

В системах с вертикальными грунтовыми теплообменниками при отборе тепловой энергии температура грунта вокруг грунтового теплообменника понижается. На понижение температуры влияют как особенности конструкции теплообменника, так и режим его эксплуатации. Например, в системах с высокими величинами отводимой тепловой энергии (несколько десятков ватт на метр длины теплообменника) или в системах с грунтовым теплообменником, расположенным в грунте с низкой теплопроводностью (например, в сухом песке или сухом гравии) понижение температуры будет особенно заметным и может привести к замораживанию грунтового массива вокруг грунтового теплообменника.

В одном из рассматриваемых объектов – в офисном здании – помимо теплонасосных установок система теплоснабжения включала в себя солнечный коллектор: по длинной стороне здания были наварены обычные стальные водогазопроводные (ВГП) трубы. В летнее время теплоноситель, подогретый в этом простейшем коллекторе теплотой солнечной радиации, закачивался в грунтовые теплообменники, тем самым грунтовый массив разогревался, т. е. по сути происходило накапливание низкопотенциальной тепловой энергии. К началу отопительного периода удавалось подогреть окружающий грунтовый массив до достаточно высокой температуры 14 °C. Затраты энергии при этом были минимальными – только на циркуляцию теплоносителя, т. е. электрическая энергия на привод циркуляционных насосов. Такое решение позволило за счет накопления тепловой энергии избежать угрозы замораживания грунтового массива вокруг теплообменника в течение всего отопительного сезона.

Рисунок 3. Здание администрации поселка Птичное

В коттеджном поселке площади позволяли нормально разместить скважины даже с учетом удвоения их количества относительно первоначально запланированного числа.

Здание администрации поселка Птичное расположено на относительно небольшом участке. При бурении скважин на этом участке оказалось, что в данной местности известняки располагаются очень близко к поверхности грунта, на глубинах около 15 м. При столь мелких скважинах потребовалось значительно увеличить их количество; в окончательном варианте удалось, при условии сохранения пятиметрового интервала между скважинами, пробурить 72 скважины.

Если близкое расположение известняков к поверхности дополнительно усложнило задачу, то другая местная особенность, наоборот, несколько облегчила задачу. Дело в том, что после установки грунтовых теплообменников пространство в скважине заполняется какими-либо теплопроводящими материалами. В данном случае оказалось, что составляющие грунт юрские глины непосредственно после операции по бурению образуют пульпу, которая сама заполняет скважину. Требовалось лишь опустить в скважину грунтовый теплообменник (геозонд), а далее за короткое время (около 5 мин.) скважина заполнялась пульпой без-каких либо действий со стороны рабочих. После этого геозонд уже невозможно было извлечь. Более того, поскольку при бурении скважин в этом случае не требовалось проводить каких-либо мероприятий по их обсадке, это тоже снизило стоимость проекта.

Геозонд представляет собой двойной U-образный грунтовый теплообменник. Это четыре трубы, выполненные из полиэтилена низкого давления (ПНД), соединенные специальным наконечником. К наконечнику подвешивается груз, облегчающий опускание геозонда в скважину. Возможны и другие варианты исполнения грунтовых теплообменников. Например, трубы из сшитого полиэтилена (PEX) являются более дорогими, но и более устойчивыми к внешнему воздействию. Например, в условиях сейсмических воздействий трубы из PEX легко восстанавливают свою форму при колебаниях грунта. Трубы из ПНД более хрупкие, однако в условиях Подмосковья их применение, с учетом более низкой стоимости, вполне оправдано, тем более что все грунтовые теплообменники располагаются на закрытой охраняемой территории, доступ на которую посторонних лиц и проведение несанкционированных земляных работ затруднены.

Рисунок 4. Тепловой насос и бак-аккумулятор

В здании администрации поселка установлен один тепловой насос. На случай аварии, выхода из строя теплового насоса либо контура грунтовых теплообменников предусмотрен аварийный электрический водонагреватель. Этот водонагреватель может быть включен в работу также в случае, если при экстремально низких температурах наружного воздуха мощность теплового насоса окажется недостаточной для покрытия отопительной нагрузки. Расчетные температуры в подающей и обратной магистрали контура напольного отопления составляли соответственно 35 °C и 30 °C (∆t = 5 °C). Такой маленький перепад был выбран по соображениям увеличения теплосъема с единицы площади «теплого пола».

Теплоноситель подогревается посредством теплового насоса до температуры 54 °C. Именно такая температура поддерживается в баке-аккумуляторе. Требуемая в контуре напольного отопления температура 35 °C устанавливается за счет подмеса обратного теплоносителя. Тепловой насос работает не постоянно: он включается в работу в случае, когда температура теплоносителя в баке-аккумуляторе падает ниже определенного значения. В этих условиях коэффициент преобразования теплового насоса составляет примерно 4,4.

Литература

1. Богословский В. Н., Сканави А. Н. Отопление. М., 1991.
2. СНиП 41-01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
3. Васильева Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли: Дисс. на соискание уч. ст. д-ра техн. наук. М., 2006