DOI 10.57112/22022-10

УДК 697

ОПЫТ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТОВ ОТОПЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОВЫХ

НАСОСОВ В УСЛОВИЯХ АЛТАЙСКОГО КРАЯ

Честных  Александр Сергеевич

Аннотация:

В статье рассмотрены вопросы внедрения тепловых насосов в системы отопления и горячего водоснабжения. Представлена история создания теплового насоса и распространение данной технологии в мире и в России. Рассмотрены основные проблемы внедрения систем отопления на основе использования тепловых насосов, изучены недостатки зарубежных систем и предложены наиболее оптимальные варианты реализации систем отопления и водоподогрева в Алтайском крае. В статье приведены результаты экспериментальных исследований и опыт эксплуатации тепловых насосов.

Ключевые слова: тепловой насос, система отопления, тепловая энергия, тепло, COP.

Тепловой насос – это техническая система, которая за счет использования дополнительной энергии более высокого потенциала, способная преобразовывать теплоту низкого потенциала в теплоту более высокого потенциала. Такая возможность существует согласно термодинамического цикла Карно, который состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Т.е., при расширении рабочее тело, например хладагент, забирает теплоту от низкотемпературного источника. Далее, в процессе адиабатического сжатия его температура возрастает, а после изотермического сжатия рабочее тело возвращается в исходное состояние отдавая теплоту высокотемпературному потребителю [1].

Первый в мире теплонасосная система была разработана и создана в 1852 г. британским инженером-физиком Уильямом Томсоном (рисунок 1).

Известно, что самый первый тепловой насос был установлен в 1855 году австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Но, массовое  распространение тепловые насосы приобрели только спустя 100 лет, так как для их работы требовался внешний источник стабильной электрической энергии.  

В 40-х годах прошлого века, у изобретателя Роберта Вебера, в процессе экспериментов с морозильной камерой возникла идея по «перекачке» тепла из земли, где температура в течение всего года оставалась практически неизменной.

Один из первых тепловых насосов, который успешно работал для отопления одноэтажного дома, был установлен в г. Норвиче (Англия). При этом, в первое время источником тепла был окружающий воздух, температура которого колебалась в достаточно широких пределах в течении года. Поэтому после нескольких лет эксплуатации был установлен подземный теплообменник, который использовал тепло грунта. В дом тепло поступало по медным трубкам, которые подогревали бетонный пол. Коэффициент преобразования такого теплового насоса был невысоким, и составлял всего 2,8. Тем не менее,  тепловая установка проработала достаточно длительное время без каких-либо проблем.

Рисунок 1 - Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824 - 1907) [2]

К 1980 г. в США работало уже около 3 млн. теплонасосных установок, включая такие гигантские, как на геотермальной станции Сан Эмидио в Неваде, с тепловой мощностью 40 МВт. В Японии к этому времени было внедрено уже более полумиллиона тепловых насосов, а в Западной Европе только около 150 тысяч единиц.

В начале 90-х годов прошлого века ежегодный выпуск тепловых насосов достиг более 1 млн. штук, а общее количество теплонасосных установок в мире превысило 12 млн. Согласно прогноза, до 2050 года в странах ЕС количество продаж тепловых насосов достигнет порядка 6 млн. штук в год. В настоящее время в Швеции уже вырабатывается более 50 % всей тепловой энергии, с помощью Тепловых насосов.

На российском рынке отечественные разработки начали появляться относительно недавно. Технология получила «второе дыхание» только лишь в начале 2000-х годов, хотя ещё в 60-70-е годы прошлого века активно разрабатывались тепловые насосы для применения в промышленности, сельском хозяйстве, и в бытовой сфере. Существовали целые поселки, дома в которых отапливались при помощи тепловых насосов, причём, внедрялись такие системы в различных климатических зонах по всей стране.  Отечественные разработки имели хорошие показатели по производительности и безотказности, поэтому внедрялись не только в сельских населённых пунктах, для отопления домов и небольших производств, но и на больших промышленных предприятиях.  

Примечателен тот факт, что в 1986 году вышел фильм о внедрении в СССР тепловых насосов (рисунок 2). Но, к сожалению, в  90-х годах данное направление в отечественной промышленности пришло упадок, разработки и производство тепловых насосов полностью прекратились.

Рисунок 2 – Фильм о тепловых насосах

В современной России тепловые насосы производят уже более 20 лет, за это время они стали достойными конкурентами зарубежному оборудованию. Российские производители по большей части ориентированы на внутренний рынок, так как климат у нас в стране заметно холоднее, чем в Европе и Азии. Поэтому среди отечественных производителей чаще используются геотермальные установки, работающие по принципу вода-вода и грунт-вода. Стоимость отечественных геотермальных установок в разы меньше импортных, соответственно период окупаемости такого отопления существенно меньше, и может составлять от 3 до 5 лет.

За 20 лет развития отечественные компании - производители тепловых насосов достаточно набрались опыта. Уже более 10 лет происходит постоянная адаптация оборудования под суровую российскую зиму, в связи с этим значительно расширяется и модельный ряд оборудования.

В настоящее время отопление тепловым насосом в совокупности, например, с гелиосистемой или собственной микрогенерацией на основе возобновля­емых источников энергии (ВИЭ) может обходиться заказчику даже дешевле, чем обогрев дома магистральным газом (рисунок 3).

Рисунок 3 – Солнечная электростанция и ветрогенератор для электроснабжения дома

В Алтайском крае разработку и внедрение систем отопления на основе тепловых насосов осуществляет Центр развития автономных технологий и возобновляемой энергетики (ООО «Центр РАТИВЭ»). Предпочтение отдаётся геотермальным системам, построенным по типу «вода-вода» и «грунт-вода», что обусловлено климатическими условиями региона. Отрицательные температуры наружного воздуха в Алтайском крае могут понижаться зимой до –25 °С и ниже, при этом температура грунта на глубине все-же остается на относительно постоянном уровне. Поэтому грунт и грунтовые воды наиболее целесообразно выбирать в качестве основного источника тепла (рисунок 4). Такой выбор явился результатом проведённых исследований и подконтрольной эксплуатации внедрённых систем.

Первые попытки ООО «Центр РАТИВЭ» интеграции произведённых в странах ЕС геотермальных систем в наши климатические условия не всегда давали ожидаемый результат.  Связано это было с тем, что у каждого производителя тепловых насосов, таких как например, Viessmann, NIBE, Vaillant и др., есть свои методики расчета и рекомендации по сооружению как геотермального контура, так и внутренней системы отопления. Но, как показали экспериментальные исследования, расчёты по данным рекомендациям приводили к тому, что ближе к концу отопительного сезона коэффициент преобразования теплового насоса COP (англ. Coefficient of Perfomance) достигал значений всего лишь в 1,5-2 единиц.

Рисунок 4 – Использование грунта в качестве источника тепла

В первую очередь это происходит по причине того, что не учитывались климатические особенности нашего региона при сооружении горизонтальных геотермальных контуров. Кроме того, отопительный сезон в Алтайском крае длится с сентября по май, а это означает, что интенсивный отбор тепла из окружающей среды, и, соответственно, дополнительное промораживание грунта происходит более длительное время. То есть, для зарубежных производителей имеется достаточно существенное расхождение по расчетным данным, касаемо отбора тепла из окружающей среды в условиях нашего региона.

Так же, одна из серьёзных проблем низко заглублённого горизонтального геоконтура - это долгое оттаивание грунта над геотермальным полем, которое происходит только лишь во второй половине июня. Поэтому горизонтальный контур целесообразно применять лишь в том случае, когда бурение скважин по каким либо причинам не возможно.

Опыт эксплуатации тепловых насосов для систем отопления за последние 10 лет показал, что наиболее эффективно применение нескольких вариантов исполнения геотермальных систем, включая систему, работающую по принципу прямого испарения с импульсным отбором тепла от грунта – так называемый контур-DX (рисунок 5).  

Рисунок 5 - DX геотермальный контур прямого испарения

Проект на основе теплового насоса с DX-контуром, был реализован для системы отопления школы в пос. Лебяжье (рисунок 6).

Рисунок 6 – Монтаж системы с DX-контуром

Экспериментируя с различными видами геоконтуров, таких как горизонтальный, кластерный, ярусный и различными типами теплосъёмных зондов (от классических на ПНД трубах до коаксиальных - из термостабилизированного полипропилена), был сделан вывод о том, что для систем отопления на основе тепловых насосов в условиях Сибири, следует выбирать вертикальное исполнение геоконтура (рисунок 7).  

Рисунок 7 - Вертикальное исполнение геоконтура

Преимущество вертикального геоконтура обусловлено тем, что теплообмен с грунтом осуществляется более равномерно и, фактически, в любой точке глубины зонда. При этом было замечено, что чем меньше глубина геотермальных зондов, тем более интенсивно происходит восстановление теплового баланса на всем геополе. Связано это с тем, что в зависимости от времени года  изменяется инсоляция (мощность солнечного излучения), т.е. увеличивается продолжительностью светового дня – растёт инсоляция.

Как показали исследования, на мелкозаглубленных скважинах с февраля по апрель наблюдается незначительное повышение температуры рассола на входе в тепловой насос. Соответственно, это позитивно сказывается и на величине значения COP и эффективности всей системы.

При неглубоком залегании грунтовых вод, наиболее эффективно использовать переливные (проточные) системы тепловых насосов, реализованные по типу «вода-вода».  

Применяя и отрабатывая все новые технологии для геотермальных систем, удалось добиваться стабильного усредненного показателя COP в течение всего отопительного сезона в пределах 3,5-4 единицы. Но, это только при условии применения низкотемпературной системы отопления внутри самого помещения.  

Стоит отметить еще один, но не менее важный факт. Практически все зарубежные системы, особенно разработанные в США, изначально рассчитывались на прямой нагрев воздуха в помещении, будь то фанкойлы или воздуховоды. Такое решение для российских потребителей тепловой энергии не совсем понятно, труднореализуемо или практически не выполнимо, по большей части - в силу нашего менталитета. В России считается, что  «греть зимой должны батареи отопления, или теплый пол, а все остальное – от лукавого».  

В этой связи, в своей работе при внедрении отопительных систем на основе теплового насоса, ООО «Центр РАТИВЭ» стремится, прежде всего, модернизировать внутреннюю систему отопления потребителя - перевести ее в низкотемпературный режим работы.

В настоящее время более 80 % существующих систем отопления построены по высокотемпературному принципу. За последние десятилетия, параллельно с развитием систем отопления на основе тепловых насосов, бурными темпами развивались и теплогенерирующие установки. Величина КПД таких установок уже  стала близка к теоретически возможной. Но, если в сфере генерации тепловой энергии КПД современных тепловых установок можно увеличить лишь на единицы процентов, то в сфере потребления тепловой энергии, при переходе на низкотемпературный режим отопления, как показывает практика - КПД отопительной системы может быть увеличен на десятки процентов.

Основными недостатками традиционных высокотемпературных источников теплоснабжения являются их низкая энергетическая, экономическая и экологическая эффективность. Особенно это применимо к малым котельным. Кроме того традиционное теплоснабжение является одним из основных источников загрязнения в городах и поселках. Плюс к этому - высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей.

Кроме того, нельзя  не учитывать  и такой серьезный недостаток высокотемпературных систем отопления, как низкий эксергетический КПД (отношение полезно усвоенной эксергии к затраченной) использования химической энергии топлива для традиционных систем теплоснабжения. Данный показатель составляет в среднем 6-10 %, для котлов высокого давления, работающих на газе и мазуте –  порядка всего 4-5 %, а на твердом (пылевидном) топливе, только – 6-8 %.  

Чрезвычайно велики затраты  и на тепловые сети, которые являются самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения.  

Поэтому в сфере именно потребления тепловой энергии очень высока эффективность капитальных вложений в энергосбережение, так как теплоснабжение требует весьма больших  затрат топлива, которые превосходят почти в 2 раза затраты  на электроснабжение.  

Все перечисленные  негативные факторы традиционного  теплоснабжения как раз подталкивают конечного потребителя тепла на использование нетрадиционных методов.

Одним из таких  методов  является полезное использование рассеянного низкотемпературного  природного или сбросного промышленного тепла  для  теплоснабжения с помощью  тепловых насосов. Тепловые насосы в силу того, что  они  избавлены  от большинства выше перечисленных недостатков централизованного теплоснабжения, сегодня все чаще находят свое широкое применение.

Большую перспективу представляет использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно,  что в годовом  цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление  здания. Источником низкопотенциальной тепловой энергии в этом случае может служить тепло как естественного, так и искусственного происхождения.  

В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

-  тепло земли;

-  подземные воды;

-  наружный воздух.

В качестве искусственных  источников низкопотенциального тепла могут выступать:

-  вытяжная вентиляция;

-  сточные воды канализации;

-  промышленные сбросы;

-  тепло технологических  процессов;

-  бытовые тепловыделения.

Например, в начальной школе № 93 (пос. Лебяжье), вместе с системой отопления, дополнительно была реализована система отбора тепла от вентиляции пищеблока для нагрева системы ГВС с помощью теплового насоса. Аналогичный проект был реализован ООО «Центр РАТИВЭ» в одном из магазинов сети «Леруа Мерлен» в Барнауле.

Согласно нашего техзадания, производителями тепловых насосов была разработана система бесконтактного отбора тепла от канализационных стоков, которая предназначалась для автономного отопления одного из зданий канализационно-насосной станции (КНС) Барнаульского водоканала. Несмотря на то, что данный проект не был реализован, системы отопления с использованием бесконтактного отбора тепла от канализационных стоков имеют большую перспективу. Так, например, водоканал г. Москвы успешно внедрил у себя данную разработку и  продолжает внедрять её на нескольких своих КНС.  

Достаточно интересной является возможность применение тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды, которая возвращается на ТЭЦ из системы центрального теплоснабжения [3]. Данная идея не нова, но важным её достоинством на сегодня является то, что при такой схеме снижается температуры обратной воды, а это в свою очередь позволяет повысить комбинированную выработку электроэнергии на ТЭЦ. Так, например, снижении температуры воды всего на 1 °С выработка электроэнергии на ТЭЦ увеличивается в среднем на 2-2,5 %.  

Как показали расчёты, сетевая вода, поступающая из обратного трубопровода системы теплоснабжения, сначала направляется в тепловой насос, где охлаждается с 58 до 46 °С, и далее, возвращается на ТЭЦ. При этом вода из обратной линии внутреннего контура системы отопления, так же направляется в тепловой насос, где подогревается с 58 до 88 °С, после чего возвращается к потребителю тепла. Тепловые насосы в этом случае могут заменить электрические и водогрейные котлы конечного потребителя тепла, при этом выработка электроэнергии на ТЭЦ не будет снижена.  

Тепловые насосы могут выступать и в качестве чиллеров (аппарат для охлаждения жидкости)  - охладителей с возможностью полезной утилизацией тепловой энергии. Они могут самостоятельно работать и в качестве систем кондиционирования в летний период, используя для охлаждения всё туже низкотемпературную отопительную систему здания.  

Таким образом, с учётом вышеизложенного, можно сделать однозначный вывод о том, что в Алтайском крае существуют огромные потенциальные возможности и перспективы использования тепловых насосов в системах отопления и ГВС.  Это позволит решить актуальные в настоящее время проблемы, связанные с повышением энергоэффективности, энергосбережением и обеспечит наиболее динамичное развитие новых технологий и ВИЭ.

Список используемой литературы

1. Дерягин, В. В. Эффективность работы тепловых насосов / В. В. Дерягин // Тенденции развития науки и образования. – 2022. – № 85-1. – С. 98-100. – DOI 10.18411/trnio-05-2022-28. – EDN FDCMCP.

2. Томсон, Уильям (лорд Кельвин) [Электронный ресурс]: Википедия. Свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Томсон,_Уильям_(лорд_Кельвин) (дата обращения: 20.09.2022).

3. Николаев Ю. Е., Бакшеев А. Ю. Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ // Промышленная энергетика. 2007. № 9.

Информация об авторе

Честных  А. С. – директор ООО «Центр РАТИВЭ», РФ, Алтайский край, г. Барнаул

-