В современном мире проблемы защиты окружающей среды и сохранности природных ресурсов являются очень актуальными. Во многих современных странах мира уже существуют и с каждым годом все более совершенствуются законы и стандарты об энергосбережении и зеленому строительству.
В России энергию всегда использовали крайне расточительно, не задумываясь о сохранности природных ресурсов. Для улучшения ситуации в стране 23 ноября 2009 года вступил в силу Федеральный закон № 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Для улучшения экологической обстановки в стране и для оценки влияния зданий на окружающую среду и человека в 2012 году впервые в России ввели национальный «зеленый» стандарт — ГОСТ Р 54964–2012 «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости» [4].
Одним из способов энергосбережения является замена традиционных источников на низкопотенциальные. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться теплота грунта, воды, воздуха, а так же теплота вторичных энергетических ресурсов (сточные воды, вентиляционные выбросы и т. п.). Системы, позволяющие использовать эту энергию, основаны на принципе теплового насоса.
В мире широко развита тенденция применения тепловых насосных установок (ТНУ) в инженерных системах. В США эксплуатируется приблизительно 19 млн. ТНУ, из которых жилищно-коммунальный сектор 60 %. В Японии каждый год продается около 500 тыс. ТНУ. В Китае — 18 млн. насосов. В Швеции более 50 % для отопления жилищного фонда используют ТНУ, что практически полностью заменило теплогенераторы, работающие на органическом топливе [5, 9]. В Стокгольме использование систем отопления с тепловыми насосами составляет 12 % [7].
Такая большая популярность внедрения ТНУ связана с ростом цен на энергию и с ухудшением экологической обстановки. За рубежом государство оказывает финансовую поддержку для производителей и потребителей тепловых насосов, что так же способствует все большему увеличению спроса на ТНУ [6, 10].
По сравнению с зарубежным опытом Россия существенно отстает по количеству внедрения ТНУ в инженерные системы. Однако с каждым годом увеличивается процент применения тепловых насосов.
Уже в 1998–2002 года был реализован проект теплового насоса для систем горячего водоснабжения (ГВС) многоэтажного жилого дома в микрорайоне Никулино-2, город Москва. Проект был выполнен Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией «НП АВОК» и ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» [1].
Согласно проекту, в насосной установке использовалась низкопотенциальная энергия поверхностных слоев грунта и тепло вытяжного воздуха. Так же возможно использование энергии сточных вод.
Рис. 1. Схема сбора низкопотенциального тепла удаляемого воздуха и грунта: 1 — вентиляционные шахты; 2 — вытяжной вентилятор; 3 — теплообменник-утилизатор; 4 — циркуляционный насос; 5 — испаритель теплового насоса; 6 — регулирующий вентиль
Результаты эксплуатации многоквартирного жилого дома за один год отопительного периода 2001–2002 г. показали экономию тепловой энергии на 45,5 % по сравнению с жилым домом, отапливаемым с помощью котельной.
В сентябре 1998 года в Ярославской области в деревне Филиппово была построена школа, в системе отопления которой использовалась теплонасосная установка, использующая тепло грунта в качестве источника низкопотенциальной энергии. Разработчиком данной системы является ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», оборудование теплового насоса изготовлено в ФГУП «Рыбинский завод приборостроения». Такое решение позволяет снизить от 30 до 45 % потребления тепловой энергии на отопление в год [3].
В 2006 году на Украине была реконструирована система теплоснабжения пригородной железнодорожной станции [5]. Проект реконструкции предусматривал применение грунтового теплового насоса для систем горячего водоснабжения и отопления, а в летнее время еще и для кондиционирования.
Рис. 2. Принципиальная схема системы тепло- и хладоснабжения здания станции на базе теплового насоса: 1 — ТНУ; 2 — бойлер-доводчик; 3 — бак горячей воды; 4 — бак-аккумулятор системы отопления; 5 — санитарный электронагреватель; 6, 7 — модули теплонасосной установки; 8 — грунтовый теплообменник; 9 — климатический модуль; 10 — фанкойлы; 11 — трёхходовой клапан
Данная система была спроектирована, смонтирована и налажена за два месяца. За первый год эксплуатации (2006–2007 гг.) теплонасосная система позволила сэкономить затраты, идущие на поддержание микроклимата в помещениях железнодорожной станции, в пять раз по сравнению с предыдущим годом (2005–2006 гг.).
В городе Зеленограде в 2004 году была разработана экспериментальная автоматизированная теплонасосная установка, использующая теплоту сточных вод. Установка применялась для подогрева водопроводной воды перед котлами районной тепловой станции № 3 [2].
Рис. 3. Принципиальная схема автоматизированной теплонасосной установки
Результаты испытаний теплонасосной установки показали экономию тепловой энергии до 67 %.
В качестве примера можно так же привести Ново-Курьяновскую теплонасосную станцию. Источником тепла служит Москва-река. Максимальная теплопроизводительность теплонасосной станции составляет 89 МВт. Доля ТНС в годовой выработке теплоты — около 74 %. Экономия топлива по сравнению с котельной той же мощности — 30 % [8].
Рис. 4. Принципиальная схема ТНС для открытой системы теплоснабжения: 1 — пиковая котельная; 2 — конденсатор; 3 — охладитель рабочего тела конденсатора (теплообменник); 4 — компрессор; 5 — испаритель; 6 — дроссель; 7 — вакуумный деаэратор
Целесообразность применения теплонасосных установок в инженерных системах зданий и сооружений зависит от значения абсолютных температур теплоносителя в испарителе и конденсаторе, необратимости процесса переноса теплоты и перепада теплоты между источником и теплоприемником.
Исходными данными для подбора теплового насоса являются [8]:
− количество теплоты, требуемое для инженерных систем;
− температура источника низкопотенциальной энергии;
− тепловая мощность источника низкопотенциальной энергии;
− температура теплоносителя в инженерных системах.
Проанализировав опыт использования тепловых насосов в инженерных системах зданий и сооружений в России, можно сказать, что оно имеет ряд преимуществ над традиционными системами, использующими невозобновляемые источники тепловой энергии, и большой потенциал для развития рынка.
Самым главным преимуществом применения теплонасосных установок является использование низкопотенциальных возобновляемых энергетических ресурсов, что позволяет сохранять не возобновляемое органическое топливо.
Массовое внедрение тепловых насосов в инженерные системы позволит значительно уменьшить выбросы СО2.
В промышленности, утилизация низкопотенциальной теплоты способствует повышению энергоэффективности предприятия, тем самым уменьшая себестоимость продукции.
В свою очередь, повсеместное внедрение теплонасосных установок в инженерные системы имеет ряд ограничений:
Во-первых, высокая стоимость основного оборудования теплового насоса, его монтажа и наладки. Во-вторых, не развита нормативно-техническая база и справочная литература для проектирования систем с тепловыми насосами. В третьих малая информированность потенциальных потребителей.
Из-за того, что применение теплонасосных установок в нашей стране, в основном, имеет экспериментальный характер, необходимо уделить больше внимания вопросам разработки и внедрения в массовое строительство систем с их использованием. Для решения этой проблемы на кафедре «Гидравлика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разрабатываются различные варианты инженерных систем зданий и сооружений с тепловыми насосами.
Один из вариантов — реконструкция ИТП общественного здания. Целью являться повышение эффективности теплопотребления за счет использования теплонасосной установки в традиционной схеме автоматизированного теплового пункта. В другом варианте разрабатывается система аварийного теплоснабжения с тепловым насосом, для обеспечения общественного здания альтернативным источником тепла в случае аварии на участке наружной тепловой сети.
Для достижения этих целей необходимо выбрать оптимальный источник низкопотенциальной энергии и подобрать тепловой насос, преобразующий необходимое количество теплоты из выбранного источника. В дальнейшем требуется оценить эффективность исследуемых систем, проанализировав экономические и энергетические затраты.
Литература:
- Васильев Г. П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 / Г. П. Васильев // АВОК. — 2002. — № 4.
- Васильев Г. П., Абуев И. М., Горнов В. Ф. Автоматизированная теплонасосная установка, утилизирующая низкотпотенциальное тепло сточных вод г. Зеленограда / Г. П. Васильев, И. М. Абуев, В. Ф. Горнов // АВОК. – 2004. — № 5.
- Васильев Г. П., Крундышев Н. С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области / Г. П. Васильев, Н. С. Крундышев // АВОК. — 2005. — № 5.
- Кошкина С. Ю., Корчагина О.А, Воронкова Е. С. «Зеленое» строительство как главный фактор повышения качества окружающей среды и здоровья человека / С. Ю. Кошкина, О. А. Корчагина, Е. С. Воронкова // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. — 2013. — № 47(3).
- Мацевитый Ю. М., Чиркин Н. Б., Остапчук В. Н., Богданович Л. С., Клепанда А. С. Альтернативная система теплоснабжения на базе теплового насоса с грунтовым теплообменником / Ю. М. Мацевитый, Н. Б. Чиркин, В. Н. Остапчук, Л. С. Богданович, А. С. Клепанда // Новости теплоснабжения. — 2009. — № 1(101).
- Филиппов С. П., Дильман М. Д., Ионов М. С. Перспективы применения тепловых насосов в России / С. П. Филиппов, М. Д. Дильман, М. С. Ионов // ЭНЕРГОСОВЕТ. — 2011. — № 5(18). — С. 42–45.
- Шуравина Д. М., Фокина Н. Б., Аверьянова О. В. Парокомпрессионные тепловые насосы как энергоэффективные устройства преобразования теплоты / Д. М. Шуравина, Н. Б. Фокина, О. В. Аверьянова // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2013. — № 10(15). — С. 62–76.
- Протасевич А. М. Энергосбережение в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: учеб. пособие / А. М. Протасевич. — Минск: Новое издание; М.: ИНФРА-М, 2015. — 286 с.: ил. — (Высшее образование: Бакалавриат).
- Багаутдинов И. З., Кувшинов Н. Е. Мировая тенденция внедрения тепловых насосов в систему отопления и горячего водоснабжения / И. З. Багаутдинов, Н. Е. Кувшинов // Международный научный журнал «Инновационная наука». — 2016. — № 3. — С. 44–45.
- Багаутдинов И. З., Кувшинов Н. Е. Преимущества тепловых насосов над традиционными системами отопления и горячего водоснабжения / И. З. Багаутдинов, Н. Е. Кувшинов // Международный научный журнал «Инновационная наука». — 2016. — № 3. — С. 45–46.
