Тепловые насосы: путь к признанию

А. Никишов

Тепловые насосы (ТН) предоставляют эффективные решения для отопления и охлаждения помещений, подготовки горячей воды для жилых, коммерческих и промышленных зданий всех типов. Это решение, предназначенное для того, чтобы избежать нерационального использования энергии. Рассмотрим опыт применения тепловых насосов в Украине на примере вокзала железнодорожной станции

Сложившаяся в экономике Украины ситуация настоятельно требует проведения реформ в сфере государственных энергетических услуг, что неразрывно связано с увеличением доли восполняемых источников энергии в общем объеме потребляемых энергетических ресурсов. И дальнейшее их торможение, а также игнорирование вопроса диверсификации энергетических ресурсов могут привести к печальным последствиям в плане существования Украины как полноценного и независимого государства.

Что имеем?

Согласно данным, представленным Национальной ассоциации Украины по тепловым насосам и Институту технической теплофизики НАНУ на III конференции «Тепловые насосы в домах и городах Украины», по состоянию на 10 апреля 2015 г., стоимость основных составляющих теплоэнергетики составляла:

1 Гкал тепла для населения – 374,6 грн., для бюджетных организаций – 1892,29 грн;
1 м³ воды – 25,1 грн.;
1 кВт/ч электроэнергии – 1,68 грн.;
1 м³ газа – 7,2 грн. (для индивидуально-бытового сектора с 15 апреля 2015 г).

По данным Министерства финансов Украины, средняя заработная плата на сентябрь 2015 г. составляла 4343 грн.

И все прекрасно понимают, что эти цифры – просто средняя температура по больнице, ничего, по сути, не отражающие. Реальные зарплаты украинцев значительно ниже. По данным Минфина, индекс реальной зарплаты в Украине в августе 2015 г. составил всего 96,6%, что говорит о постепенном снижении уровня жизни большинства граждан Украины. Добавьте сюда слабость гривни, и сложится весьма непривлекательная картинка, в которой средний украинец находится в состоянии далеком от нормального – по европейским меркам. Можно ли избежать этого? Конечно можно. Если начать интенсивно продвигать в жизнь новейшие технологии, основанные на использовании возобновляемых источников энергии. И одними из наиболее привлекательных в реалиях сегодняшней Украины являются тепловые насосы.

Показания к применению

Некоторые утверждают, что украинская экономика еще не созрела для привлечения новейших технологий – в том числе и ТН – в реальную жизнь миллионов украинцев, что она еще не настолько богата и не взрастила специалистов соответствующего уровня квалификации. Однако на сегодняшний день можно уверенно назвать множество факторов, способствующих внедрению тепловых насосов в бюджетный сектор.
Вот некоторые из них:

рост цен на природный газ;
отмена государственных субсидий на цену природного газа для предприятий теплокоммунэнерго;
установление тарифа на услуги теплоснабжения на уровне, предусматривающем стопроцентное возмещение затрат на производство тепловой энергии, ее транспортировку и поставку;
применение инвестиционно привлекательного тарифа на производство тепловой энергии для бюджетных организаций, которые работают с использованием любых видов топлива и энергии, за исключением природного газа, который на 19 декабря 2014 г. составлял 1092,12 грн./Гкал (без НДС);
задействование механизма компенсации части кредитов на приобретение «негазовых» котлов и энергоэффективного оборудования для юридических лиц;
возможная нестабильность в поставках импортного природного газа.

Все это говорит в пользу применения тепловых насосов в украинских системах теплоснабжения и ГВС не только бюджетного подчинения, но и в бытовом секторе.

Опыт использования

Использование ТН на просторах Украины осложняется множеством как субъективных, так и объективных причин. Одной из них является полное отсутствие в стране мощностей по производству теплонасосных установок. На украинских предприятиях осуществляется только их узловая сборка. Но все импортное оборудование рассчитывалось под климатические условия стран-производителей и потребности конкретного рынка, а также под определенные цены на энергоносители и особенности инженерных систем, использующихся в их ЖКХ. Еще сюда стоит добавить иной уровень строительных технологий и архитектурно-планировочных конструкций. Все это создает очень большую вероятность того, что эффективность ТН может оказаться как заниженной по мощности для отдельных регионов Украины, так и завышенной, что может полностью дискредитировать сам процесс внедрения теплонасосных технологий.

Чтобы этого не произошло, необходимо как можно более тщательно отслеживать на предмет энергоэффективности работу уже построенных и действующих установок ТН на предприятиях и в организациях. И вот некоторые результаты мониторинга одной из таких установок, обеспечивающей теплоснабжение и горячее водоснабжение здания пригородного железнодорожного вокзала на станции Залютино в Харькове (рис. 1).

Рис. 1. Станция Залютино, для отопления вокзала которой применяют ТН

Схема отопления представляет собой бивалентную моноэнергетическую систему, в которой используется тепловой насос Fighter 1320-40 шведского производителя Nibe, а также фэнкойлы японской компании Daikin (рис. 2, 3). Задачей системы определено круглогодичное обеспечение оптимальных климатических условий во всех помещениях вокзала, а также ГВС.

Были проведены работы по энергетическому аудиту здания, что позволило определить участки, требовавшие реконструкции или ремонта для устранения теплопотерь. Старая отопительная система работала от котельной, в которой использовались 2 твердотопливных (угольных) котла по 25 кВт каждый. Никакой горячей воды и полное отсутствие кондиционирования помещений в летний период. Ко всему прочему из-за малой эффективности системы в зимний период времени помещения дополнительно обогревались переносными электронагревательными приборами. Проблемы, связанные с доставкой и хранением угля, с выбросом в окружающую среду продуктов сгорания и необходимостью утилизации отходов, дополнялись содержанием штата истопников, что тоже являлось дополнительной финансовой нагрузкой на бюджет предприятия.

После ознакомления с характеристиками тепловых насосов, руководство Южной железной дороги решило применить эту технологию в отоплении вокзала станции Залютино. Исходя из того, что, в соответствии с площадью всех отапливаемых помещений в здании, средних летних и зимних температурах равных 18 и 23 (±2) °C, общая расчетная тепловая нагрузка составила 35,9 кВт. Было решено использовать тепловой насос номинальной мощностью 38,6 кВт по теплу и 40 кВт по кондиционированию. Дополнительно с ТН для компенсации провала температурного режима в сильные морозы было решено использовать котел-доводчик мощностью 12 кВт. Система ГВС предусматривала подготовку до 300 л горячей воды (до 50 °С) с хранением в баке-аккумуляторе.

Использование бивалентной системы позволяет избежать завышения при подборе мощности ТН. Так, в данной установке мощность составляла около 80% от требуемой в зимний период, что обеспечило полноценное отопление помещений вокзала при -15 °С. При этом почти 95% необходимого тепла за отопительный сезон давал тепловой насос, а недостающая теплота вырабатывалась электрокотлом-доводчиком. ТН полностью обеспечил и подготовку горячей воды. Правда, был добавлен еще один электронагреватель в бак горячей воды (санитарный), который раз в две декады прогревал воду до 70 °С с целью уничтожения среды, способствующей размножению микроорганизмов.

Система предусматривала и два режима кондиционирования – активный и пассивный. Переключение между режимами происходит автоматически, в соответствии с показаниями датчика температуры, установленного в помещении.

Параметры автоматического режима, предусмотренного для управления этой теплонасосной установкой, были установлены во встроенный компьютер ТН во время его производства и откорректированы в процессе пуско-наладочных работ. Основными параметрами являются график мощности отопления вокзала, температура воды в системе ГВС и температура в отдельных помещениях здания.

Высокую гибкость при производстве тепловой мощности обеспечивают контрольно-измерительные приборы и автоматическое управление. Сам тепловой насос обеспечивает возможность производства двух тепловых потоков разных температур, а также может управлять бойлером-доводчиком по бивалентной схеме – когда это необходимо.

В установке применяется не разрушающий озоновый слой хладагент R407C. Для снижения уровня шума и безопасного обслуживания все компрессоры и трубопроводы для хладагента сконструированы по модульной схеме. Тепловой насос имеет встроенный микропроцессор, обеспечивающий максимальную эффективность и безопасность.

Низкотемпературным источником теплоты для ТН был выбран грунт, который обладает достаточной накопительной емкостью, является легкодоступным и обеспечивает высокую энергетическую эффективность работы теплового насоса. Конечно, при условии верно рассчитанного забора тепла. В качестве теплоносителя в первичном контуре используется рассол, который заполняет систему, состоящую из пяти петель 42-миллиметровых пластиковых труб общей длиной около 1200 м. Трубы уложены на глубине около 1,5 м, а общая площадь территории теплозаборного коллектора почти в четыре раза больше отапливаемой площади здания вокзала. Стоит отметить, что величина площади теплозабора является одним из основных недостатков грунтовых коллекторов.

На изготовление проекта, монтаж и наладку всего ТНУ ушло около двух месяцев. Дистанционный контроль и сбор данных для мониторинга эффективности работы установки обеспечивал информационно-измерительный комплекс (рис. 4).

Рис. 4. Информационно-измерительный комплекс для мониторинга работы установки с использованием ТН

Резюме

Анализ собранной информации за все время работы теплонасосной установки по отоплению здания вокзала на станции Залютино заключает в себе очень важные выводы, дающие основания для принятия решений по переходу к проектированию и монтажу геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения для бюджетных организаций.

Во-первых, на этом примере осуществлено документальное подтверждение принципиальной возможности по использованию низкотемпературной природной теплоты грунта как источника первичного тепла в теплонасосных установках в противовес котельным, сжигающим дорогое топливо.

Во-вторых, многолетняя эксплуатация подтвердила высокую энергоэффективность и надежность работы смонтированной геотермальной теплонасосной системы теплохладоснабжения в климатических условиях Харьковской области с низкими зимними температурами. Это подтверждает коэффициент эффективности преобразования энергии теплонасосной установки. Диапазон его изменений составил от 2,8 до 3,2. Доводчик температуры включался лишь при -17 °С наружного воздуха.

В-третьих, в сравнении со старой системой отопления опытным путем была установлена экономия энергоресурсов, достигнут экологический эффект и комфортные условия жизнеобеспечения. Окупаемость единовременных затрат по проектированию, закупке оборудования и его монтажу и наладке составили 30 месяцев благодаря низким эксплуатационным расходам.

В-четвертых, за время отслеживания работы системы была подтверждена правильность произведенных расчетов для определения мощности теплового насоса и верная расчетная поверхность грунтового коллектора. Последняя оказалась еще и с «излишком», который после двух лет эксплуатации был направлен к дополнительно подключенному потребителю тепла.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!