тепловой насос для социально-экономического развития мурманского побережья

            Динамичное развитие новых энергоэффективных технологий в развитых странах обусловлено ростом цен на энергоносители, осознанием недоступности ископаемого топлива для грядущих поколений и пониманием того, что экономия энергоресурсов благоприятно влияет на экологию. Появившиеся в 80-е годы прошлого века на рынке энергетического оборудования тепловые насосы (ТН) к настоящему времени успешно производятся и продаются многими компаниями. Цены на них регулярно снижаются, внешние и внутренние параметры улучшаются. Поэтому сейчас тепловые насосы устанавливают не только на вновь строящихся помещениях, но и давно эксплуатируемых домах. Тепловые насосы «качают» накопленную в грунте, воде или воздухе энергию (75 %) и с применением (25 %) электрической энергии отдают ее в форме тепла в водяной контур теплоснабжения. Схема работы представлена на рисунке 1.

Рис 1. Схема работы теплового насоса (источник: http://www.extra-therm.ru)

Принцип работы ТН: хладагент циркулирует по закрытому кругу, который проходит через теплообменник (испаритель), в котором также протекает, например, грунтовая вода с температурой 8-12^оС. Даже низкая температура грунтовой воды заставляет хладагент испаряться, при этом он принимает её тепловую энергию. Компрессор втягивает этот пар и сжимает. Таким образом разогретый и находящийся под давлением хладагент, отдаёт во втором теплообменнике (конденсаторе), энергию циркуляционному кругу отопления и при этом конденсируется (становясь опять жидким). После прохождения расширителя, охлаждённый и под низким давлением теплоноситель, готов к новому кругу.

            Тепловые насосы имеют огромное количество преимуществ по отношению к другим традиционными источникам тепла, они экономичны, комфортны, экологичны, компактны. ТН снижают затраты на отопление жилых помещений или промышленных зданий, охлаждение, горячую воду в 5-8 раз, относительно газовых, дизельных или электрических генераторов тепловой энергии. Для выработки и передачи в систему отопления 1 кВ/ч тепловой энергии ТН затрачивает всего 0,2-0,25 кВт/ч электроэнергии для работы компрессора. ТН очень долговечны, грунтовой зонд при правильной эксплуатации может прослужить до 150 лет, а отопительный контур до 100 лет. Компрессор является единственной движущей частью в ТН подлежит замене раз в 15 лет. Поскольку ТН не требует топлива, то экономится значительное количество средств, связанных с транспортировкой и хранением топлива. ТН работают устойчиво в автоматическом режиме, управлять можно через Интернет или телефонную сеть. Необходимы лишь сезонные технические осмотры и периодический контроль режима работы. Тепловой насос подбирается индивидуально для каждого потребителя, в зависимости от тепловых источников низко потенциальной энергии. ТН работают практически без колебаний температуры и влажности, бесшумно с высокими взрыво- и пожаробезопасными свойствами. ТН переключаются с режима зимнего отопления на режим кондиционирования летом, а также на подогрев воды в бассейне. Размеры ТН не превышают размеры обычного холодильника, не портят внешнего вида фасада здания.

            Существуют существенные предпосылки использования тепловых насосов на побережье Баренцева моря для нужд теплоснабжения и горячего водоснабжения, а в определенных случаях вентиляции и охлаждения. С одной стороны имеются потребители различные по своим масштабам от частных коттеджей до крупных производственных помещений. А с другой есть постоянный источник тепловой энергии в окружающей среде в виде незамерзающих вод Гольфстрима, подземных вод, теплых сбросов сточных вод муниципалитетов, тепла воздуха от вентиляции. В экономическом плане ситуация а России такова, что, несмотря на то, что на сегодняшний день нет действенной государственной поддержки, многие собственники помещений задаются вопросом, какая система отопления будет эффективной. На список необходимых характеристик влияет и назначение объекта: отопление зданий жилого фонда отличается от обогрева гаража или погреба, но вместе с тем есть параметры, которые принимаются во внимание всегда. Современные системы отопления должны соответствовать высоким требованиям безопасности и экологичности, они должны быть просты в эксплуатации. Из-за постоянно растущих цен на электричество, газ, уголь, солярку, остро стоит вопрос экономичности использования той или иной системы обогрева. Растущий спрос на энергосберегающее отопление от теплового насоса пока сдерживается ценой. В тоже время это механизм, работающий с любым материалом, который в отличие от других видов топлива не стоит абсолютно ничего. В процессе эксплуатации дает высокую производительность при низких затратах, возможность направлять тепло в любую систему — будь то отопление теплыми полами, водоснабжение, воздухообмен, а также удалять тепло из сооружения, то есть кондиционировать помещения. Стоимость тепловых насосов полностью возмещается в процессе применения. Как показывает существующий опыт, экономия в ходе эксплуатации окупает стоимость теплового насоса через 3-10 лет в зависимости от условий. Этот прибор безопасен. Например, отопление складов с взрывоопасными веществами всегда сопряжено с определенными рисками. Неполадки распространенных систем отопления могут быть чреваты утечками горючих веществ, перегревами, искрением и возгораниями. Установка тепловых насосов позволяет избежать подобных проблем. Хотя первоначальные вложения в другие системы отопления, обычно, меньше, только сопоставление устройств по совокупности характеристик даст возможность увидеть выгоду. Выбор дешевого, но не эффективного отопления скажется негативно в перспективе, а тепловой насос всегда имеет неизменно высокий КПД. Данную систему оптимально применять на крупных объектах, затраты на содержание которых весьма значительны. В ряде государств законодательно предписано использовать тепловой насос. Установка его является обязательной при строительстве объектов.

            Препятствием расспространения технологии теплового насоса в России является политико-экономический фактор. Эффективность применения различных схем с ТН оценивают, выясняя приводит ли применение ТН к экономии первичной энергии (топлива). Однако, сама по себе экономия первичной энергии еще не является решающим экономическим критерием. Важно дает ли схема с применением ТН денежную экономию по сравнению, например, с получением тепла от котельной, работающей на том или ином топливе. Этот показатель, помимо коэффициента преобразования ТН зависит от его стоимости, которая сегодня в стране все еще высока. Для снижения стоимости большое значение имеет масштаб производства. Сегодня в России производятся в основном компрессионные ТН тепловой мощностью от 10 кВт до 5 МВт. (источник: http://www.vecon.ru/promrer/). Оснащенность и производственная мощность существующей машиностроительной базы по выпуску ТН средней и большой мощности может считаться достаточной при малом масштабе производства. Для удовлетворения рынка ТН с тепловой мощностью менее 200 кВт (средняя мощность 20 кВт) требуется по оценкам выпуск до 10000 агрегатов в год, а для этого необходимо значительное развитие производственной базы. Особенно это касается производства компрессоров для ТН, которые в настоящее время в основном закупаются за рубежом. Таким образом, отсутствие государственной политической воли и неспособность российского бизнеса пока производить достаточное количество и требуемого качества тепловых насосов являются основними сдерживающими факторами распространения ТН в стране.

            Тепловые насосы могут работать по различным схемам, когда в качестве источника отопления используется накопленная в земле, грунтовых водах, водоемах или в воздухе энергия солнца. Естественными источниками тепла могут быть атмосферный воздух, подпочвенные и/или грунтовые воды, вода незамерзающих водоемов, поверхностный и/или глубинный грунт. Искусственными источниками (вторичные источники) тепла могут выступать вентиляционный воздух из жилых, офисных, торговых помещений, отработанный воздух или вода производственных технологических процессов, тепло отработанных газов при сжигании топлива и др. Возможно применение комбинированных схем, в которых наряду с использованием, например, тепла грунта с помощью ТН утилизируется тепло вентиляционных выбросов здания, солнечная энергия, преобразуемая посредством простейшего солнечного коллектора. Подобные схемы в России разрабатывает и с успехом внедряет ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ». Рисунок 2 демонстрирует грунтовый коллектор.

Рис 2. Грунтовый коллектор (источник: http://www.rosteplocom.ru/catalog.html)

Летом солнечная энергия накапливается в грунте. Тепло дождя и воздуха впитывают верхние слои почвы. Эту энергию можно использовать в целях отопления. Чем водонасыщенее грунт, тем выше теплоотдача. Тепло передается из земли через подземные пластиковые трубы. По трубопроводу циркулирует безвредная для окружающей среды незамерзающая жидкость. Место над коллектором ни в коем случае нельзя застраивать, асфальтировать или бетонировать. Для установки земляного коллектора не требуется разрешения. Коллектор опускают примерно на 20 см. ниже уровня промерзания. В условиях Арктического побережья, наличия скальных пород, промерзающего верхнего почвенного слоя, такая схема не представляется возможной.

            Рисунок 3 дает представление о тепловом насосе типа «скважина» или «энергетический колодец»

Рис 3. Скважина (источник: http://www.rosteplocom.ru/catalog.html)

Нижний почвенный слой, или так называемый «верхний геотермальный слой» является источником тепла, который можно использовать в любое время года и температура которого является практически постоянной. При помощи такого источника можно отапливать помещения различных размеров и назначений. Для такой скважины не нужно много места — она может быть установлена на небольшом участке земли.Кол-во скважин зависит от мощности Теплового насоса. Как и в случае земельного коллектора в закрытом трубопроводе циркулирует вода и смесь гликоля. В зависимости от размера теплового насоса, специалисты выбирают глубину и количество скважин, в которые опускаются пластиковые трубы «U» формы, обеспечивающие хорошую передачу тепла.

            Тепловой насос коллектор грунтовых вод по типу «открытая петля» представлен на рисунке 4.

Рис 4. коллектор грунтовых вод (источник: http://www.rosteplocom.ru/catalog.html)

В случае если для потребления системе требуется много артезианской воды, то на участке можно оснастить две скважины- забор воды и сброс воды.

            Тепловые насосы воздух/вода (рисунок 5) используют воздух как источник энергии для отопления., т. е. перерабатывает тепловую энергию, сконцентрированную в воздухе. Установленные снаружи, эти тепловые насосы трансформируют радиаторную систему в экономичную и экологичную систему отопления.

Рис 5. Тепловой насос воздух/вода (источник: http://www.rosteplocom.ru/catalog.html)

Находящаяся в коллекторе жидкость подается из скважины в тепловой насос. Другая жидкость (теплоноситель) циркулирует в закрытой системе теплового насоса. Основная характеристика этой жидкости — точка закипания. Когда теплоноситель достигает испарителя, который получил энергию из скважины, жидкость начинает испаряться. Дальше пар попадает в компрессор, где сжимается, из-за чего его температура резко повышается. Теплоноситель подается в конденсатор, который находится в воде, и здесь из пара опять превращается в жидкость.

            Вентиляция обеспечивает циркуляцию воздуха внутри помещения, что является одним из основных аспектов здоровой жизни. Тепловой насос, предназначеные для утилизации тепла вентилируемого воздуха, представлен на рисунке 6. Кроме того, тепло, излучаемое светом, людьми, электрическими приборами так же утилизируется для повторного использования. Свежий воздух с улиц попадает в помещение через вентиляционные отверстия. Теплый внутренний воздух, через вмонтированный в системе вентиляционный блок, проходит из помещений через теплообменник в тепловом насосе. Полученная тепловая энергия используется для производства горячей воды. Когда цикл закончен, воздух выводится на улицу.

Рис 5. Утилизация вентилируемого воздуха в тепловом насосе (источник: http://www.rosteplocom.ru/catalog.html)

Таким образом ТН могут участвовать в отоплении зданий, производстве горячей воды, формировании благоприятного климата зданий, охлаждении производственных процессов. К внешнему коллектору подключают фанкойлы (англ. fan-coil), а принцип работы системы холодоснабжения такой же, как и системы отопления, за исключением того, что вместо радиаторов используются фанкойлы.

Фанкойлы - это теплообменники с вентилятором, то есть состоят из одинаковых по своему назначению составных элементов (теплообменник с ребрами, выполненными из алюминия, которые прикрепляются к змеевикам из медных трубочек, по которым поступает холодная или горячая вода, при этом змеевик с одной стороны имеет воздушные клапаны для выпуска воздуха при заполнении системы водой и муфты для соединения с трубопроводами). Фанкойл забирает холод или тепло от теплоносителя и охлаждает или нагревает помещение. Следует учесть, что существуют два типа охлаждения: пассивный и активный. При пассивном, ТН отключен, а к существующей системе добавляется ещё один теплообменник (для того, чтобы не заполнять систему отопления этиленгликолем) и регулирующее устройство, следящее за „точкой росы“ (предотвращение образования конденсационной воды). При пассивном охлаждении компрессор теплового насоса не работает, и теплоноситель просто циркулирует между скважиной и фанкойлами. Таким образом, холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования. Если пассивного охлаждения не достаточно, в системе кондиционирования используется холод, производимый тепловым насосом – активное охлаждение. При активном, ТН работает как бы в обратную сторону, забирает тепло из помещения и отправляет обратно в землю. При этом автоматически включается компрессор теплового насоса, и теплоноситель из скважины дополнительно охлаждается тепловым насосом. Пассивное охлаждение более простое и экономичное, поэтому оно применяется в подавляющих случаях.

            В настоящий момент в странах Северной Европы проектирование систем отопления, теплоснабжения, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования, проектирование и строительство геотермальных полей, бурение геотермальных скважин, скважин на воду и установка геотермальных зондов, установка и монтаж тепловых насосов, а также сервисное обслуживание систем отопления от тепловых насосов это развитый рынок услуг по ТН. Северные соседи Мурманской области Норвегия и Швеция активно используют тепловые насосы с начала 80-х годов. За десять лет, а именно к 1996 году, Норвегия установила более 20 тысяч установок тепловых насосов, а Швеция более 250 тысяч установок различной мощности. В приведенной ниже таблице 1 даны краткие сведения о введении в эксплуатацию тепловых насосов в Стокгольме за период 1983-86 гг.

Таблица 1

Установка тепловых насосов на водном агенте (морская вода) в Стокгольме

(источник: http://www.WarmPumpsWide.pdf)

Помещения порта в Стокгольме обогреваются зимой, кондиционируются летом и снабжаются горячей водой за счет размещенных в припортовых морских водах тепловых насосов. Это позволяет заключит, что существуют предпосылки для использования шведского опыта в Мурманском порту с его незамерзающим благодаря течению Гольфстрим морскими водами. В настоящее время масштабы использования ТН в мире потрясают: - в Швеции 50% всего отопления обеспечивают геотермальные тепловые насосы (в Стокгольме 12% всего отопления обеспечивается геотермальными насосами с общей мощностью 320 МВт, источник тепла - Балтийское море); - в Швейцарии эксплуатируется свыше 60000 тепловых насосов, что экономит 150000 л жидкого топлива, 390000 тонн диоксида углерода и 325 тонн оксида углерода не выбрасывается в окружающую среду; - в США ежегодно производится более 1 млн. геотермальных тепловых насосов (Федеральное законодательство США, при строительстве новых общественных зданий, требует использовать геотермальные тепловые насосы в системах отопления); - в Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов, цена теплового насоса стала доступна большинству.

            Несмотря на существующее мнение, что отопление с использованием газовых котлов на сегодняшний день является самым выгодным вариантом, но все больше факторов заставляют от него отказываться и использовать геотермальные тепловые насосы. Развитое сообщество понимает, что всеобщая газофикация, это ловушка. Цена на газ растет, и будет расти из-за перехода на европейские цены и уменьшения мировых запасов газа. Факт, что возникают ситуации непрогнозируемости поставок и цен на газ, тарификации цены по используемому объему газа. Снижение мощности котлов вплоть до остановки, из-за падения давления газа, как правило, происходит при понижении температуры и в выходные, праздничные дни. Также снижение мощности котлов и значительное увеличение расхода газа возможно из-за низкого качества газа (вдувается воздух, повышенная влажность газа, если он отбирается из подземных хранилищ). Необходимо постоянное сервисное обслуживание газовых котлов, что вызывает загруженность сервисных служб, сложность с вызовом из-за загруженности в аварийных случаях. Высокая стоимость "газификации" участка при долгих сроках согласования, необходимости организации котельной, с жесткими нормативными требованиями (дымоходы, вентиляция, окна, кубатура помещения и т.д.), повышенной опасности при работе с газовым оборудованием. По прогнозам Мирового Энергетического Конгесса (МИРЭК - WorldEnergyCongress - http://www.worldenergy.org/) к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов в отоплении в развитых странах составит 75%.

            При выборе установки теплового насоса необходимо определить отопительную нагрузку помещения, которая рассчитывается с учетом компенсации тепловых потерь через наружные ограждения, а также количество тепла для подогрева бытовой воды. Выбор оптимальной мощности теплового насоса позволяет максимально использовать ресурс теплового оборудования. Естественно при расчете отопительной нагрузки надо учитывать среднемесячную температуру наружного воздуха, которая в прибрежных районах Баренцева моря от года к году меняется незначительно. Ориентировочная зависимость необходимой теплопроизводительности ТН от площади дома с хорошими теплоизоляционными свойствами приведена в таблице 2.

Таблица 2

Зависимость необходимой теплопроизводительности ТН от площади дома

(источник: http://www.rosteplocom.ru/sravnenie-system/56-raschet-teplovogo-nasosa.html)

В каждом конкретном случае производится индивидуальный расчет по теплопотерям здания. Для уменьшения капитальных затрат часто ТН используют в бивалентном режиме. Параллельно ему устанавливается, или при реконструкции оставляется дополнительный пиковый нагреватель на любом виде топлива, который включается в работу в самые холодные дни. При таком подключении ТН может либо отключаться, если он становится неэффективным (например «воздух--вода» при больших отрицательных температурах наружного воздуха), либо работать при использовании других типов ТН. Если источник – водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз), который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону. В условиях Европы для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, ориентируются на соотношение 70/30 (70 % потребности в тепле покрываются тепловым насосом, а оставшиеся 30 – электрическим котлом или другим теплогенератором), в странах Западной Европы 50/50. Естественно, геолого-климатические условия Арктического побережья существенно отличаются от среднеевропейских. В связи с этим при реализации рассматриваемой технологии потребуется увеличение количества или длины скважинных теплообменников (СТО) для одной и той же отапливаемой площади, что ведет к повышению первоначальных затрат на строительство систем сбора тепла грунта и росту сроков окупаемости грунтовых ТН. Следовательно, для коммерчески приемлемого внедрения подобных проектов нужен поиск дополнительных механизмов улучшения технико-экономических показателей, в т.ч. на основе комплексной оптимизации геолого-экономических, архитектурно-строительных и инженерных решений с применением снижающих теплопотери материалов и оборудования. Начата работа по внутрирегиональному районированию ресурсов, для выбора приоритетных по максимальному удельному теплосъему участков территории под реализацию геотермальных проектов с мелкими СТО. Методика такого районирования начата в ОАО НПЦ "Недра" (Источник: http://www.nedra.ru/), и эта разработака уже подтвердила, что не всегда выгодно увеличивать теплосъем за счет большей длины СТО. Решающими могут оказаться наличие фильтрации в верхних слоях Земли и тепловое влияние грунтовых вод при обтекании ими замкнутого вертикального контура циркуляции незамерзающего теплоносителя в СТО, и возможно рациональнее увеличить удельный теплосъем за счет использования более коротких СТО, тогда суммарная глубина бурения скважин под СТО уменьшится, с сохранением при этом общей извлекаемой тепловой мощности. Наиболее эффективными для инвестирования в строительство грунтовых ТН будут участки с малыми и средними скоростями фильтрации вод (10^-6-10^-7 м/с), не затрудняющие гидротехнические условия строительства и с наибольшей суммарной мощностью водоносных горизонтов при наименьшей глубине их залегания.

            Данная работа носит обзорный характер. Понятно, что практические шаги по строительству ТН в условиях Мурманского побережья требуют детальной подготовительной работы по оценке низкопотенциального энергетического ресурса для каждого конкретного потребителя. Вместе с тем в ходе выполнения этого исследования были названны определенные рекомендации, и в целом можно сделать следующие выводы: На сегодняшний день геотермальный тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Реальных альтернатив применению тепловых насосов, с возможностью широкого использования в отоплении, горячем водоснабжении и кондиционировании, на сегодняшний день не существует. Цена на тепловые насосы, продолжает снижаться.

            Существуют серьезные предпосылки для использования тепловых насосов для социально-экономического развития Арктического побережья. Особенно перспективно устанавливать тепловые насосы водяного типа в морских водах теплого течения Гольфстрим для покрытия полной или частичной нагрузки портовых помещений на нужды отопления и горячего водоснабжения. Использование тепловых насосов этого типа особенно эффективно зимой, когда нагрузка возрастает. Эти насосы имеют короткий внешний контур, почти не отличаются от работающих на земляном контуре, но при отсутствии необходимости грунтовых работ дают наибольшую эффективность. Актуален также отбор тепла от сточных вод.

            К сожалению, не смотря на стремительно развивающееся в Мурманске строительство коттеджей, массовое использование тепловых насосов горизонтального типа «грунт-вода» представляется сомнительным, что обусловлено скальным характером грунта и возможностью промерзания верхнего почвенного слоя. Вертикальные тепловые насосы этого типа, использующие тепло скважины более вероятны для использования в условиях Мурманского побережья. Так же представляется возможным использование ТН, работающего от вертикальных скважин «открытой петли», на объектах, где происходит забор больших объемов артезианской воды.

2010