Опыт реализации системы отопления на базе теплонасосных установок в коттеджном поселке

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ

Первоначально на базе теплонасосных систем было реализовано отопление офисного здания компании-застройщика, расположенного в поселке Первомайское в Подмосковье. При этом проект изначально не рассматривался в качестве демонстрационного: причиной его реализации стала высокая стоимость подключения к газовым сетям. Анализ и сравнение альтернативных вариантов энергоснабжения объекта показал, что вариант с тепловыми насосами по капитальным затратам, даже без учета стоимости самого газа, экономически более выгоден, чем вариант с газовыми водонагревателями, что было обу-словлено, главным образом, высокой стоимостью подключения к газовым сетям. Этот проект был успешно реализован; коммерческая эксплуатация в течение четырех отопительных сезонов подтвердила как его техническую возможность, так и экономическую целесообразность выбранных решений.

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

Инженерные системы коттеджей

Первая очередь коттеджного поселка предусматривает строительство жилых домов на несколько семей общей площадью 19 тыс. м² (площадь жилых помещений без учета коридоров, лестничных клеток и т. д.). При газовом отоплении необходимо было предусмотреть общую котельную, тепловые сети и индивидуальные тепловые пункты или узлы управления в каждом здании (в разных зданиях разное число секций). В итоге, после расчета экономической целесообразности нескольких альтернативных вариантов было принято решение использовать для отопления систему на базе теплонасосных установок.

Эксплуатация теплонасосной системы отопления офисного здания в один из отопительных сезонов, отличавшихся достаточно низкими (до –35 °С) температурами наружного воздуха, показала, что система отопления, запроектированная на расчетную наружную температуру –28 °С, не всегда позволяет поддерживать в помещениях комфортную температуру – в период низких температур наружного воздуха температура в помещениях опускалась до +14 °С. 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 совершенно 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.

Тепловой насос работает тем эффективнее, чем меньше разница между температурами испарителя и конденсатора, то есть 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 °С, в помещениях с временным пребыванием +31 °С, в детских игровых комнатах +22 °С⁴. На рассматриваемых объектах в качестве отопительных приборов применяются низкотемпературные системы на основе замоноличенных в стяжку змеевиков из термостойких труб и сшитого полиэтилена (PEX). Такое решение – комбинация теплонасосных установок с «теплыми полами» – часто применяется и в зарубежной строительной практике.

Здание администрации поселка Птичное, в котором реализована система отопления на базе теплонасосных установок

Для предупреждения возникновения в помещениях холодных нисходящих воздушных потоков от окон, пре-дупреждения 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.

Использование низкотемпературных напольных отопительных панелей привело к необходимости тщательной проработки конструкции наружных ограждений и теплоизоляции. Так, были выбраны оконные профили, хорошо зарекомендовавшие себя в ходе эксплуатации на объектах, расположенных в городах Сибири. Конструкция самих домов – быстровозводимая монолитная с несъемной опалубкой. Блоки опалубки, изготовленные из полистирола, армируются и заливаются бетонным раствором. После остывания наружная поверхность штукатурится либо облицовывается, а внутренняя покрывается штукатурным слоем. Опалубка не снимается – она выполняет функцию тепло- и звукоизоляции.

Система вентиляции жилых домов – естественная. Поселок расположен за городом, в экологически благополучном районе, поэтому нет необходимости в очистке воздуха и нет препятствий к проветриванию помещений путем открывания окон. В здании администрации поселка Птичное запроектирована система механической вентиляции, в этой части никаких энергосберегающих решений не предусматривалось.

Установка несъемной опалубки, одновременно выполняющей функцию теплоизоляции

Укладка труб напольного отопления. Обращает на себя внимание уменьшение шага укладки труб в зоне окон

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, что сразу же лишает проект коммерческой привлекательности; кроме того, возможен неоптимальный режим теплообмена в таких теплообменниках. Учитывая это обстоятельство, скважины вынужденно пришлось ограничить глубиной 30 м, что привело к необходимости увеличения их числа в два раза.

Расстояние между двумя соседними скважинами из условия 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 диссертационной работе Г. П. Васильева⁵. Исследования показали, что в почвенно-климатических условиях большей части территории России грунт, температура которого понижается в течение отопительного сезона, к началу следующего отопительного сезона не успевает восстановить свой температурный потенциал. К началу каждого следующего отопительного сезона температурный потенциал грунтового массива еще больше понижается, однако это понижение носит экспоненциальный характер. К пятому году эксплуатации грунтовый массив выходит на температурный режим, близкий к периодическому. Иначе говоря, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива сопровождается периодическими изменениями его температуры. Таким образом, при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения представляется необходимым учет падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров температур грунтового массива, ожидаемых на 5-й год эксплуатации.

Узел подключения грунтовых теплообменников в здании администрации поселка Птичное

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, нагрев грунтового массива, то есть в данном случае грунтовый массив можно рассматривать как своеобразный аккумулятор тепловой энергии.

В системах с вертикальными грунтовыми теплообменниками при отборе тепловой энергии температура грунта вокруг грунтового теплообменника понижается. На понижение температуры влияет 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, а именно в офисном здании компании-застройщика, помимо теплонасосных установок система теплоснабжения включала в себя солнечный коллектор. Коллектор был устроен простейшим образом – 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, то есть по сути происходило накапливание низкопотенциальной тепловой энергии. К началу отопительного периода удавалось подогреть окружающий грунтовый массив до температуры +14 °С – это достаточно высокая температура. Затраты энергии при этом были минимальными – только на циркуляцию теплоносителя, то есть 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.

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. Размещение столь большого числа скважин на относительно небольшом участке при условии сохранения приемлемого интервала между соседними скважинами составило достаточно трудную задачу. Часть скважин в итоге была пробурена даже непосредственно под зданием.

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 пяти минут) скважина заполнялась пульпой без каких-либо действий со стороны рабочих. После этого геозонд уже невозможно было извлечь. Требовалось лишь успеть поместить геозонд в скважину в интервал не более десяти минут от момента окончания бурения. 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. Две трубы являются подающими, две обратными.

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.

Тепловой насос и бак-аккумулятор контура напольного отопления

Опыт эксплуатации тепловых насосов в здании администрации

В здании администрации поселка Птичное установлен один тепловой насос. Для надежности можно было бы предусмотреть резервирование, однако по экономическим соображениям от этого варианта было решено отказаться. На случай выхода из строя теплового насоса либо контура грунтовых теплообменников предусмотрен аварийный электрический водонагреватель. Этот водонагреватель может быть включен в работу также в том случае, если при экстремально низких температурах наружного воздуха мощность теплового насоса окажется недостаточной для покрытия отопительной нагрузки. Однако эксплуатация в первый отопительный сезон пока не подтверждает необходимости такого догрева посредством электроводонагревателя. Достаточно низкие температуры наружного воздуха в декабре 2009 года и в январе 2010 года, до –25 °С и ниже, показали, что в помещениях здания администрации поселка Птичное удавалось уверенно поддерживать температуру внутреннего воздуха на уровне +18...+20 °С.

Расчетные температуры в подающей и обратной магистрали контура напольного отопления составляли соответственно +35 и +30 °С (Δt = 5 °С). Такой маленький перепад был выбран по соображениям увеличения теплосъема с единицы площади «теплого пола».

Здесь свою роль сыграло еще и то обстоятельство, что, имея все же ограниченный опыт эксплуатации теплонасосных систем в местных климатических условиях, проектировщики подобрали тепловой насос с достаточно большим запасом мощности. При запуске в эксплуатацию в ноябре 2009 года температура теплоносителя в подающей магистрали контура грунтового теплообменника составляла +8 °С, за ноябрь упала до +5 °С и стабилизировалась на этом уровне. В настоящее время (конец января 2010 года), в условиях достаточно низкой температуры наружного воздуха (–20 °С и ниже) температура теплоносителя в подающей магистрали контура грунтового теплообменника (температура источника) уверенно держится на уровне +4...+5 °С. Температура обратного теплоносителя в контуре грунтового теплообменника опускается почти до нуля. Рассматривался вопрос об использовании в качестве теплоносителя незамерзающей жидкости (антифриза), однако по итогам всестороннего изучения вопроса было решено использовать обычную воду, но быть готовыми добавлять антифриз в случае необходимости. Пока в ходе эксплуатации необходимости в этом не возникает.

Теплоноситель подогревается посредством теплового насоса до температуры +54 °С. Именно такая температура поддерживается в баке-аккумуляторе. Требуемая в контуре напольного отопления температура +35 °С 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. Поскольку для грунтовых массивов характерны запаздывания температурных изменений, окончательно судить об эффективности эксплуатации можно будет только в конце отопительного сезона, в марте-апреле. Именно в этот период температура окружающего теплообменники грунтового массива достигнет минимального значения. По расчетам, в начале отопительного сезона коэффициент преобразования должен составлять 5, а к концу, по мере захолаживания грунтового массива, опускаться до 4. В настоящее время расчетные значения подтверждаются в ходе эксплуатации.

¹ См. статью Г. П. Васильева и Н. В. Шилкина «Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах» («АВОК», 2003, № 2).

² См. статью Г. П. Васильева «Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2» («АВОК», 2002, № 4).

³ См. статью Г. П. Васильева и Н. С. Крундышева «Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области» («АВОК», 2002, № 5).

⁴ См. книгу В. Н. Богословского, А. Н. Сканави «Отопление» (М., 1991), а также СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

⁵ Г. П. Васильев. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли / Дисс. на соискание ученой степени доктора технических наук. – М. : МГСУ, 2006.