Теплонасосная система теплохладоснабжения – перспективный путь использования альтернативных источников энергии в зданиях

Г. П. Васильев,доктор техн. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

В. Ф. Горнов, директор проектного отделения, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

А. С. Горшков, канд. техн. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

В. А. Личман, канд. физ.-мат. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

Особенности использования и виды альтернативных источников энергии

Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для тепло-, холодо- и электроснабжения зданий, выбор технологических схем, а также применяемого оборудования следует осуществлять с учетом неравномерности поступления ВЭР и ВИЭ, а также графиков потребления энергетических ресурсов инженерными системами зданий.

Использование вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии в зданиях должно сопровождаться расчетом величины экономии энергии в течение жизненного цикла здания с учетом взаимного влияния применяемых мероприятий.

В жилых и общественных зданиях могут быть использованы следующие вторичные энергетические ресурсы, такие как:

• низкопотенциальная теплота и холод удаляемого вентиляционного воздуха;

• низкопотенциальная теплота сточных вод;

• теплота конденсации холодильных установок,

а также следующие виды возобновляемых источников энергии:

• низкопотенциальная теплота грунта;

• низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха;

• солнечная энергия;

• низкопотенциальная теплота водоемов;

• кинетическая энергия ветра.

При проектировании жилых и общественных зданий, в которых предусматривается использование ВЭР и ВИЭ, необходимо стремиться к созданию энергетически эффективного здания, теплопотери и энергетические затраты которого сведены к минимуму.

Вторичные энергетические ресурсы и возобновляемые источники тепловой энергии (за исключением солнечной радиации) имеют низкий температурный потенциал, что, как правило, не позволяет напрямую использовать эти источники энергии в теплоснабжении зданий – требуется преобразование этой энергии с повышением ее температурного уровня. Основным инструментом в решении этой проблемы является теплонасосная система теплохладоснабжения (ТСТ).

Теплонасосная система теплохладоснабжения

Под теплонасосными системами теплохладоснабжения принято понимать комплекс технических средств, предназначенных для преобразования низкопотенциальной теплоты ВЭР и ВИЭ в теплоту более высокого потенциала с использованием обратного термодинамического цикла. В жилых и общественных зданиях наиболее часто применяют парокомпрессионные тепловые насосы. Реже применяются абсорбционные тепловые насосы.

Тепловые насосы классифицируются по следующим признакам:

• по виду обеспечиваемой нагрузки – установки теплоснабжения (отопления, вентиляции или горячего водоснабжения) и установки теплохолодоснабжения, предназначенные для одновременной или сезонной выработки теплоты и холода;

• по сочетанию вида теплоносителя источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды: типа «воздух–воздух», «воздух–вода», «вода–вода», «вода–воздух»;

• по виду энергии, используемой для осуществления рабочего цикла, – электроприводные и с приводом от тепловых двигателей;

• по температуре нагреваемого теплоносителя – низкотемпературные (до 50° С) и среднетемпературные (50–80 °С).

Теплонасосные системы могут быть как автономными, так и гибридными, т. е. использующими тепловую сеть в качестве доводчика. Схема энергетических потоков гибридной теплонасосной системы, обеспечивающей отопление, горячее водоснабжение и холодоснабжение (кондиционирование), показана на рисунке.

Тепловые насосы могут быть установлены как на полную, так и на частичную тепловую нагрузку, при этом полная нагрузка обеспечивается дополнительным источником тепла.

Для улучшения технико-экономических показателей теплонасосных систем следует проектировать их преимущественно с дополнительным (пиковым) источником тепла. Тепловая мощность тепловых насосов в системах с дополнительным (пиковым) источником тепла подбирается:

• на отопительно-вентиляционные нужды: по величине базовых нагрузок;

• на нужды горячего водоснабжения: по среднечасовой нагрузке горячего водоснабжения с учетом доли нагрузки, покрываемой тепловыми насосами, и периода их работы в течение суток;

• на нужды кондиционирования: по расчетной холодопроизводительности, а при использовании аккумуляторов холода – с учетом аккумулирования и периода работы тепловых насосов в течение суток.

Рисунок. Схема энергетических потоков гибридной теплонасосной системы, обеспечивающей горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха

В отличие от систем на основе таких ВИЭ, как ветер, солнце и т. п., установка которых эффективна лишь в тех районах, где существует достаточный потенциал для их применения, ТСТ можно использовать практически повсеместно. В качестве источника тепловой энергии низкого температурного потенциала ТСТ используют грунт или комбинацию грунта и других источников (атмосферного воздуха, теплоты вентиляционных выбросов), которые доступны в любом месте и параметры которых (за исключением атмосферного воздуха) остаются стабильными и хорошо прогнозируемыми в течение всего года. Таким образом, ТСТ могут рассматриваться как наиболее перспективный путь использования ВЭР и ВИЭ в зданиях.

Цель – снизить энергопотребление здания

При выборе технических решений, использующих ВЭР и ВИЭ, важно учитывать их влияние на удельное годовое энергопотребление зданий и сооружений. Для этого следует выполнить соответствующие расчеты.

Количество энергии, вырабатываемое теплонасосной системой, следует вычислять по ГОСТ Р 54865–2011.

В настоящее время готовятся методические рекомендации по определению влияния использования вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии на энергопотребление здания, в которых будут представлены методики определения годового расхода энергии на отопление и вентиляцию здания, годового расхода энергии на горячее водоснабжение здания, а также суммарного удельного годового расхода энергетических ресурсов зданием. Отметим лишь, что применение решений по интеграции ВЭР и ВИЭ в проектах энергоснабжения зданий и сооружений должно предусматриваться таким образом, чтобы затраты энергии, необходимые для работы устройств, осуществляющих использование данных источников энергии, были значительно меньше того количества энергии, которое ими вырабатывается, чтобы энергопотребление здания снижалось. 

В следующей публикации будут рассмотрены устройства и схемы по утилизации и рекуперации теплоты вентиляционных выбросов для снижения удельного годового энергопотребления зданий.