Тепловые насосы для зданий: полезно или модно?

 

 

Пожалуй, эта самая затрагиваемая тема при обсуждении современных технологий в инженерных системах. Ведь система отопления и кондиционирования – основной потребитель энергии в здании, поэтому минимизация ее потребления является задачей номер один.

 

Мы не будем говорить о воздушных тепловых насосах, т.е. о чиллерах, работающих на тепло, и о бытовых кондиционерах. В наши морозы ими не спасешься, ведь чем холоднее, тем больше электрической энергии необходимо для работы чиллера или кондиционера, и в какой-то момент ваш дорогой кондиционер станет таким же «энергоэффективным», как и масляные обогреватель.

 

Единственный тип теплового насоса, который может быть применим в России – это геотермальный тепловой насос, т.е. тот, который берет от Земли холод для кондиционирования или тепло для отопления.

 

Так все же, есть смысл применить тепловой насос в России? Ведь примеров их применения в больших зданиях в России очень мало, может это действительно не нужная технология?

 

 

Краткое описание геотермального теплового насоса (ГТН)

Для простоты считаем, что это обычный кондиционер, наружный блок которого закопан глубоко в прохладную землю. Т.е. когда кондиционер работает на охлаждение, то уносимое из помещения тепло передается не горячему уличному воздуху, а земле. А поскольку на большой глубине она намного прохладней, чем воздух на улице, то и затраты энергии на кондиционирование будут существенно меньше.

 

Есть одно серьезное конструктивное отличие системы на тепловых насосах от кондиционеров и чиллеров. Трубки в земле – это и есть аналог теплообменника в чиллере или наружном блоке кондиционера. Но в отличие от системы чиллер-фанкойлы, где компрессор (компрессоры) расположены в наружном блоке, в системе с тепловыми насосами компрессора находятся в каждом внутреннем блоке.

 

Зимой система хорошо работает на тепло, ведь температура земли на глубине всегда выше нуля, и этого тепла достаточно, чтобы согреть любое здание. Такова суть теплового насоса – обогрев помещений с помощью тепла от земли, воды, канализационных сливов и т.п.

 

Тепловой насос -  это универсальное средство, которое может черпать тепло/холод из любых источников. Т.е. наружный теплообменник может быть размещено в любом месте, где есть достаточное количества тепла или холода. Например:

- земля

- подземные воды

- озера и реки

- сточные воды от канализации

- горячий воздух от технологических выбросов и т.п.

 

Преимущества тепловых насосов в условиях России

 

Главное преимущество:  Меньшее потребление электроэнергии, чем традиционные системы кондиционирования. На сегодняшний день система чиллер-фанкойлы является самым энергоемким решением при кондиционировании. До недавних пор лидером по энергоэффективности были системы VRF. А теперь их сменили геотермальные тепловые насосы.

 

	Чиллер-фанкойлы	VRF	ГТН
Потребление электричества для производства 100 кВт холода с учетом насосов и др. затрат	40 кВт	32 кВт	28,5 кВт
Разница с чиллером-фанкойлом	0%	- 20%	- 29%

 

Это означает:

·         Уменьшение стоимости за подключение к электрической энергии, что при нынешних ценах в 50-100 000 руб. за кВт, довольно заметно. Для здания площадью 10 000 кв.м. экономия на подключении составит 6-12 млн. руб. Если к этому добавим затраты на более мощную трансформаторную подстанцию, электрощитовую и т.п., то экономия станет еще значительней.

·         Снижение эксплуатационных затрат. Для этого же здания экономия летом составит около 150 000 руб.

 

Другие преимущества. Они хоть и не являются определяющими, но, тем не менее, лишними не будут:

·         Одновременно часть помещений может работать на тепло, другая часть – на холод.

·         Очень высокая надежность системы, поскольку кроме главных насосов нет оборудования, от которого зависят все внутренние блоки.

·         Другие преимущества ценны в основном для Европы и Америке, но, надеюсь, это дойдет и до нас: меньшее потребление электричества и меньшее количества горячей воды от котельных позволяют наносить меньший ущерб экологии Земли.

 

 

Дополнительная экономия тепла и холода

·         По сравнению с чиллером-фанкойлами система на ГТН намного более гибкая, потому что в системе десятки небольших компрессоров (в каждом внутреннем блоке), а не 4-6 огромных, многокиловаттных. Скажем, если часть помещений холода не требует, то тепловые насосы отключатся, и электричество на компрессоры не будет тратиться. А в громоздкой системе чиллер-фанкойлы должно отключиться много фанкойлов, чтобы чиллер перешел на меньшее количество рабочих компрессоров.

·         Еще одной важной особенностью системы на тепловых насосах является способность переносить тепло/холод из одних помещений в другие. Скажем, в зимнее время, тепло, выделяемое от прачечной, от машинного отделения, от помещений с большим количеством людей (конференц-зал и т.п.) может быть передано с помощью тепловых насосов в помещения, где тепла не хватает. Поэтому зданию требуется меньше тепла от городских сетей.

 

 

Недостатки геотермальных тепловых насосов

 

По сути их два: экономический и технический.

 

Высокая стоимость

Система на геотермальных тепловых насосах – существенно дороже любых других систем кондиционирования и отопления.

Основная разница стоимости традиционных систем и систем с геотермальными насосами заключается в стоимости подземного контура. Затраты на этот контур существенно выше, чем стоимость градирен.

Система на тепловых насосах дороже в среднем на 20-40%.

 

	Чиллер-фанкойлы	VRF	ГТС
Цена за 1 кВт	1600 USD/кВт	1400 USD/кВт	1950 USD/кВт
Разница с VRF	115%	100%	140%

 

 

 

 

 

Структура цены на систему с геотермальным тепловым насосом

Как вы видите, стоимость подземного контура составляет треть затрат, и намного больше, чем сухая градирня в системе чиллер-фанкойлы.

Однако, в случае, если используется подземный контур, который использует подземные воды или в системе применяется контур, погружаемый в воду реки/озера, то стоимость системы существенно удешевляется и становится на уровень систем чиллер-фанкойлы.

 

Трудности с организацией подземного контура.

Существует несколько вариантов организации контура. В больших коммерческих зданиях используется в основном три:

·         Вертикальный замкнутый теплообменник (U-образная трубка), закопанный в землю.

 

·         Замкнутый теплообменник, уложенный на дно реки/озера

·         Не замкнутая система, забирающая воду из-под земли (подземные воды) или из водоема, и возвращающая ее обратно.

 

 

 

Вот некоторые данные, чтобы оценить, почему земляной контур обходится в треть стоимости:

В среднем с одного погонного метра вертикального теплообменника снимается 30 Вт холода. Т.е. для того, чтобы получить 1 Квт холода необходима трубка длиной 30 метров (диаметр полиэтиленовой трубки ¾-1 ¼ дюйма).

Это означает, что для здания площадью 10 000 кв.м. (1 000 квт холода) длина теплообменника составит 30 000 метров, т.е. длина всех отверстий (поскольку трубка имеет форму U) составит 15 км!

Расстояние между отверстиями должно быть 5-6 метров.

Средняя глубина скважины – 150-200 метров.

 

Теперь вы видите, что использовать геотермальный тепловой насос в зданиях большой площади довольно проблематично, ведь стоимость земляных работ будет очень высокой.

 

Поэтому, в больших зданиях используются открытые системы, т.е. в которых насосы подают к тепловым насосам воду из подземных рек или из открытых водоемов. В этом случае затраты на земляные работы будут меньше в 2.5 раза!

 

Самые мощные геотермальные тепловые насосы в Европе

 

Объект	Количество скважин	Глубина скважин, м	Общая глубина скважин, м
Госпиталь в Lorenskog, Норвегия	350	200	70 000
Офисное здание Nydalen, Осло, Норвегия	180	200	36 000
Институт химии, Лунд, Швеция	153	230	35 190
Торговый центр Umraniye, Стамбул, Турция	208	41-150	18 327
Институт Макса Планка, Германия	160	100	16 000

 

 

 

Примеры зданий с тепловыми насосами

 

Самая большая система на геотермальных тепловых насосах в мире

 

Офисно-гостиничный  комплекс GaltHouseEastLouisville, 161 000 кв.м.

Отель: 700 номеров и апартаментов.

Офис: 89 000 кв.м.

 

 

 

В 1984 году в Луизвилле, Кентукки  был построен отель GaltHouse East, в котором была установлена геотермальная система отопления и кондиционирования мощностью почти 6 000 кВт. Владелец этой гостиницы оказался настолько доволен этой системой, что 10 лет установил ее в новом бизнес центре. Ее мощность составляет 10 500 кВт.

Общая мощность системы составляет 16 мВт!

В здании установлено 1200 тепловых насосов.

Вода для охлаждения/обогрева тепловых насосов поступает из подземных вод через четыре 50 метровых отверстий. Вода после теплообмена поступает в реку.

Расход воды – 27 тонн в минуту.

 

В силу того, что владельцу зданий было разрешено использовать подземные воды в качестве источника холода и тепла, то общие затраты на систему отопления и кондиционирования оказались НИЖЕ, чем у традиционной системы чиллер-фанкойлы!

 

Месячная экономия на электроэнергии в ценах 1995-2005 года составляет 30 000 долларов/месяц.

При этом владелец здания подчеркивает отсутствие проблем с системой в течение 15 летней эксплуатации системы.

 

 

Бизнес центр Paragon, Пенсильвания

Здание площадь 24 000 кв.м.

 

Для помещений площадью 6 000 кв.м. была установлена геотермальная система отопления и кондиционирования, которая состоит из 77 внутренних блоков общей мощностью 700 кВт.

Земляной контур: 88 отверстий глубиной 40 метров каждое.

 

По первоначальному проекту система должна была иметь 55 отверстий по 150 метров глубиной, но геологическое исследование показало, что на глубине более 50 метров земля имеет структуру «голландского сыра», поэтому пришлось отказаться от применения только геотермального теплообменника.

Проектировщики предложили комбинированное решение: частичное использование подземных теплообменников и частично  с помощью градирни. Геотермальная часть системы удовлетворяет 40% потребности в тепле и холоде, что вполне достаточно для большей части года.

 

Максимальное потребление системы летом составляет 199 кВт, т.е. коэффициент эффективности составляет 3,51. В зимнее время коэффициент равен 5.

 

Обращу внимание, что это здание построено 15 лет назад. Современные тепловые насосы позволяют добиться еще большей эффективности!

 

В Европе за последние годы стали устанавливать геотермальные тепловые насосы в зданиях любого назначения.

 

Название	Описание	Фото
Штаб квартира DaimlerChrysler, Милтон Кейнс, Великобритания	Площадь 2000 кв.м.                                                      69 внутренних блоков. Мощность 162 кВт.
Meerpaal бизнес парк, Голландия	Площадь 2000 кв.м. 57 внутренних блоков.
Здание Pre Women, Голландия	Площадь  5 000 кв.м. 99 внутренних блоков. Мощность системы 290 кВт.
Гостиница Luton Hoo Hotel, Великобритания	120 внутренних блоков
Офис компании Ziengs Shoes, Ассен, Голландия	Площадь 3000 кв.м. 65 внутренних блоков Мощность 235 кВт
Гостиница Bluebrick Premier Inn, Великобритания	99 внутренних блоков
Middlesex University, Великобритания	59 внутренних блоков Мощность 235 кВт

 

 

Рекомендации для больших зданий

 

Давайте опишем систему, которая, исходя из опыта других стран, может быть использована в коммерческом строительстве в России.

 

Цель использования тепловых насосов очевидна – свести потребление электроэнергии и тепла к минимуму.

 

Мы знаем, что использование геотермальных тепловых насосов позволят снизить электропотребление на 15% по сравнению с самыми эффективными системами VRF и на 30% по сравнению с чиллерами.

 

Но мы сталкиваемся с большой проблемой – для крупного здания требуется десятки километров скважин, что не только дорогостояще, но и зачастую просто невозможно. Поэтому, для крупных зданий можно устанавливать только тепловые насосы с открытым контуром, т.е. насосы выкачивают воду из подземных источников (или водоемов) и возвращают обратно. В этом случае, мы не только экономим на капитальных затратах, вплоть до полного сокращения разницы в стоимости с традиционной системой,  но и получаем намного более энергоэффективную систему.

 

Судя по опыту иностранных коллег, довольно распространен случай, когда мощность теплового насоса (точнее мощность подземного теплообменника) недостаточна для полного покрытия пиковых потребностей в тепле или холоде. В этом случае в контур устанавливается дополнительный источник холода/тепла – градирня, чиллер, котел и др. Но по опыту они работают только 10-30% времени.

 

Важная особенность системы с тепловыми насосами, которая вносит очень существенный вклад в энергоэффективность – это возможность насосов переносить тепло/холод из одного помещения в другое без использования дополнительных внешних источников тепла/холода.  Скажем, в переходные периоды вполне возможна ситуация, когда в помещении на солнечной стороне тепло, а на теневой – холодно. В этом случае одни помещения с тепловыми насосами греются или охлаждаются за счет других помещений и наоборот.

 

Итак, мы рекомендуем для крупных зданий:

·         использовать геотермальную систему с открытым контуром (или при условии легкого доступа для естественного источника холода/тепла – река, озеро, сточные воды и т.п.)

·         дополнительно устанавливать в контур холодильную машину для пиковой жары и котел/теплообменник от городского теплоснабжения для особых холодов

·         применять тепловые насосы максимально эффективно в многофункциональных зданиях с разным назначением помещений для возможности переноса тепла или холода из помещения в помещения.

 

 

Если у вас есть вопросы или комментарии, пишите на или по телефону (495) 627-77-57

gruppatt.ru