Вопросы-ответы по проектированию теплонасосных систем теплохолодообеспечения

Проанализировав сферы применения технологических решений с задействованием альтернативных восполняемых энергетических источников, российские эксперты сделали вывод, что перспектива их использования связана с инженерными системами, без которых не представляется жизнь современного человека в условиях густонаселенной местности. Вместе с тем эффективность применения данных технологий отражается на тепловых насосах геотермального типа, которые питают тепловую энергию из средних грунтовых недр.

В развитых странах необходимость использования тепловых насосов подтверждается всевозможными директивами об энергетической эффективности. Разрабатывало ли подобную нормативную базу российское правительство?

Шесть лет назад власти России завершили работу над федеральным законом №261, на основании которого были созданы правовые, экономические и организационные основы целесообразности использования энергосберегающих технологий и энергетически эффективного оборудования. Через некоторое время было обнародовано правительственное постановление №18. В документе были прописаны общие правила, на основании которых устанавливалась энергетическая эффективность строительных объектов и сооружений, а также определялся класс энергоэффективности многоэтажных строительных объектов жилого назначения. В итоге правительству удалось создать нормативную базу, которая принуждает владельцев различных объектов строительства постепенно снижать уровень потребления энергии. С момента ее создания и до конца прошлого года правительство ставило планы по пятнадцатипроцентному уменьшению энергопотребления. Для следующих четырех лет данный барьер поднят до тридцати процентов, а в перспективе власти хотят добиться сорокапроцентного уменьшения потребления энергии при эксплуатации зданий и сооружений. Тем самым, всем собственникам объектов строительства, эксплуатация которых стартует в текущем году (в эту категорию попадают и здания, в которых проводились капитальные ремонтные работы), обязаны будут позаботиться о снижении энергопотребления на тридцать процентов в сравнении с нормативами, установленными для минувшего периода времени.

В Таблице 1 можно ознакомиться с законодательно установленными показателями потребления энергии зданиями жилого назначения, эксплуатация которых осуществляется в столице России.

Таблица 1. Нормированное удельное потребление энергии недавно возведенными объектами многоэтажного строительства Москвы

Анализируя распределение энергетических нагрузок в помещениях объекта жилого назначения (в качестве базисного берется годовой норматив, равный 160 кВт*ч/м²), можно обнаружить, что большая часть потребления связана с обеспечением здания горячей водой. Привычной методикой повышения энергосберегающих свойств строительного объекта является его тепловая защита, уровень которой должен быть максимальным. Однако современная тепловая защита здания дает возможность значительно уменьшить потери тепловой энергии. Тем самым, посредством наружных стен проходит максимум 25 процентов тепловых потерь от общего количества энергонагрузок объекта строительства. В связи с этим эксперты считают нерациональным дополнительно увеличивать тепловую защиту.

Конечно же, можно проделать эксперимент по двукратному увеличению тепловой защиты объекта, однако и это не даст нам желаемых 130 кВт*ч/м², которые будут соответствовать нормативным предписаниям. Такое решение способствует лишь двенадцатипроцентному снижению энергетического потребления объекта, в то время как с начала текущего года уровень энергопотребления должен быть снижен на девятнадцать процентов. Поэтому в данный момент времени двукратное утепление является технически и экономически необоснованным решением.

Наше мнение сводится к нахождению энергосберегающих резервов в устанавливаемом инженером оборудовании. Если позиционировать тепловую изоляцию в качестве пассивной процедуры, в данном случае можно рассматривать активное сохранение энергии, которое обеспечивается эффективными инженерными системами и специальными энергосберегающими устройствами, позволяющими контролировать работу устанавливаемых в зданиях инженерных систем. Также современное оборудование восполняет тепловые потери и позволяет рационально использовать возобновляемые энергетические источники.

В последнее время все чаще приходится сталкиваться с тепловыми насосами как объектом массовых обсуждений. Многие пишут, что такие устройства является очень эффективным энергосберегающим решением. Хотелось бы увидеть конкретные примеры использования тепловых насосов и реальные показатели их эффективности. Существует ли такое в практике?

Раньше в столичных исследовательских учреждениях проводилось экспериментальное строительство и проектирование. Изначально для отработки новых технологический решений, которые были способны концептуально изменить строительный комплекс, использовались экспериментальные строительные объекты. Так, с учетом государственного согласия выбирались тестируемые здания, в которых испытывались всевозможные материалы и новое оборудование. Четырнадцать лет назад в юго-западной части столицы России началось возведение семнадцатиэтажного объекта недвижимости жилого назначения, который был оборудован несколькими тепловыми насосами для обеспечения здания горячей водой. Несколько лет назад установленную теплонасосную систему пришлось реконструировать с целью изменения ее концепции.

Строительный объект располагает системой централизованного теплообеспечения, которая в первую очередь используется для отопительных целей. Также в здании есть вентиляционная система, которая представлена централизованной вытяжкой с механической регуляцией воздушных потоков и естественным притоком посредством клапанов, которые монтированы в оконные блоки квартир.

Для подготовки горячей воды используются тепловые насосы, которые извлекают тепловую энергию из освобождаемой вентиляционной воздушной массы, а также из грунтовых слоев. В связи с изменением нормативной базы семь лет назад при содействии компании Danfoss инженеры разработали новый индивидуальный тепловой пункт, который умеет функционировать в паре с устройствами централизованной тепловой сети с целью рабочего дополнения. Такая уникальная система работает следующим образом: изначально система извлекает тепловую энергию из высвобождаемой воздушной массы, что позволяет предварительно нагреть холодную воду. На следующем этапе воду нагревает теплонасосное оборудование, однако параметры воды не позволяют использовать ее в бытовых целях по причине нагрева жидкости до пятидесяти градусов Цельсия. Напомним, что в санитарных правилах и нормах указано, что используемая в хозяйственно-бытовых целях вода должна иметь температуру минимум шестьдесят градусов Цельсия в крайней точке водоразборного устройства. Необходимую температуру вода набирает благодаря работе обычного индивидуального теплового пункта. Следует отметить, что такой пункт работает с гарантией недопущения выхождения за рамки положенного температурных параметров воды, которая поступает обратно в сеть.

По истечении нескольких месяцев после запуска обновлений был проведен ряд исследований, которые заключались в сравнении экономических результатов, полученных при эксплуатации тепловых насосов, с экономическими результатами использования централизованной системы теплоснабжения. Исследования показали, что система с использованием теплонасосного оборудования на 150 процентов эффективнее в финансовом аспекте. Все расчеты проводились не с учетом стоимости воды, а с учетом тепловой энергии, расходованной на нагрев рабочей жидкости. Вместе с тем энергетическая эффективность новой системы на 55 процентов превышает аналогичный показатель стандартной системы.

По схожей схеме специалисты организовали теплонасосную систему на похожем столичном объекте. Так, исследования проводились в семнадцатиэтажном доме, который имеет совмещенный спортивно-оздоровительный центр и подземный гараж. Однако, по сравнению с предшествующим проектом, здесь работа тепловых насосов была направлена как на организацию горячего водоснабжения, так и на производство холодного воздуха. В итоге энергетическая экономия на исследуемом объекте составила более шестидесяти процентов.

Если строительный объект оборудован теплонасосной системой, по идее его стоимость должна увеличиться. Верное ли такое суждение?

Если предметом обсуждения темы является энергосберегающее или энергоэффективное оборудование, планирующий занять жилплощадь обыватель должен быть готов к повышению стоимости объекта минимум на сорок-пятьдесят процентов. Основываясь на нашем личном опыте и опыте наших партнеров, мы выяснили, что средний процент удорожания (с учетом характеристик теплонасосной системы) составляет не более десяти процентов. Однако данный случай предусматривает удорожание на три процента, что в стоимостном эквиваленте составляет прибавку в размере 1,7 тысячи рублей за квадратный метр жилой площади. С учетом подорожания данный объект включает тепловые насосы геотермального типа, систему переработки тепловой энергии выходящего из вентиляционных узлов воздуха, насосную станцию холодного водоснабжения, противопожарную систему, индивидуальный тепловой пункт и систему кондиционирования. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что необоснованное удорожание является исключительно теоретическим явлением, которое никак не связано с практическими аспектами использования энергоэффективных и энергосберегающих систем.

Проводились ли исследования на объектах, где тепловые насосы использовались для организации отопления зимой и получения охлажденного воздуха летом?

Безусловно! Наглядным тому примером является строительный объект смешанного назначения (в большей части офисного), расположенный рядом с главной окружной дорогой Москвы. Невзирая на близость газовой инфраструктуры, мнение заказчика оказалось не в пользу газовых источников по причине малой экономической эффективности. В результате инженеры получили задачу выполнения индивидуального теплообеспечения объекта с использованием теплонасосных устройств. При этом разработчики инициировали применение весьма неординарных технологических решений. Так, здание было введено в эксплуатацию без отопительных приборов. В качестве замены специалисты воспользовались поверхностным отоплением и охлаждением. Напольная и потолочная часть, а также стены оборудованы транспортными узлами Z-образного типа. Подобные системы дают возможность снижать температуру теплоносителя с целью повышения эффективности теплонасосных устройств. Вмонтированная инженерная система оснащена грунтовыми теплообменниками, которые выполнены в виде двойных У-образных трубопроводов, имеющих диаметр 3,2 сантиметра и толщину стенок 0,3 сантиметра. Узловая часть изготовлена из полиэтилена, который работает в условиях низкого давления. Теплообменники имеют длину 33 километра.

Также необходимо было рассчитать области расположения скважин. Извлечение из почвы тепловой энергии сопровождается уменьшением ее температуры. В случае недостаточного восстановления грунтовой температуры перед грядущим отопительным сезоном его температура будет пониженной. С такой нисходящей температурной тенденцией придется сталкиваться на протяжении всего периода использования теплового насоса. При этом отметим, что по истечении пятилетнего срока изменение температурных параметров грунта становится практически неощутимым по причине приобретения грунтом нового температурного режима. Известным является тот факт, что от температурных корректив зависит функционирование грунтового теплообменного оборудования, являющегося неотъемлемой частью геотермального теплового насоса. В случае неправильного проектирования системы теплонасосные устройства могут демонстрировать недостаточные мощностные параметры из-за функциональных изменений. Помимо этого, проект требовал наличия большого числа (свыше трехсот) мест погружения грунтовых устройств теплообмена на незначительной по площади территории, поэтому инженерам требовалось определение теплового взаимодействия между устройствами обмена. Данный фактор также является немаловажным. Между расположенными в центральной части поля грунтовыми теплообменниками и теми, которые находятся на периферии, остается незначительный объем грунта, в связи с чем приток грунтовой тепловой энергии наблюдается в нижней части так называемых «центральных» теплообменников, в то время как крайние устройства получают тепло одновременно с нескольких сторон. В итоге расположенные в центральной зоне теплообменники являются менее эффективными по сравнению с периметральными устройствами. Не следует игнорировать взаимодействие теплообменников между собой на ограниченной площади, так как это может стать причиной вышеуказанных последствий.

Чтобы восстановить температуру почвы и уменьшить энергетические расходы на систему кондиционирования, проект разрабатывался с применением пассивного холодообеспечения в теплое время года. По той причине, что объект подвергался незначительным архитектурным коррективам из-за использования панорамного остекления, при эксплуатации теплонасосного оборудования наблюдалось превышение нагрузки на производство холода по сравнению с нагрузкой на обеспечение помещений теплом. В количественном выражении нагрузка составила 2,17 тысячи киловатт и 535 киловатт соответственно. Из-за наличия массивного поля скважин, которые на протяжении зимнего периода являются местами накопления холода, появилась целесообразность использования его летом, чтобы охлаждать помещения. Вместе с тем данный случай предусматривает извлечения холода почти бесплатно. В результате мы получаем систему, которая способна функционировать на производство тепловой энергии с наступлением холодов и охлаждение обслуживаемых помещений в летнее время. Помимо этого, мы сталкиваемся с двойным положительным эффектом: параллельным обеспечением охлаждения помещений объекта и восстановлением температурного потенциала почвы, которая перед началом планируемого отопительного сезона является не остывшей, а, при идеальных обстоятельствах, минимально нагретой.

Также исследуемый объект подвергался натурному мониторингу устройств грунтового теплообмена. Кроме того, проводился анализ фактической отдачи тепловой энергии и холода, чтобы подтвердить созданные калькуляционные параметры. Для получения последних использовались специальные средства. Также специалисты позаботились о создании программного комплекса HeatPump, моделирующего эксплуатационные режимы тепловых насосов геотермального типа и предназначенного для определения оптимальных параметров базового насосного оборудования. Работа комплекса направлена и на выполнение расчетов, связанных с грунтовым теплообменом, учитывая всевозможные факторы (в первую очередь это касается замерзания почвы и процесса конденсации). В результате исключаются ошибки, допущенные во время упрощенной калькуляции на основе увеличенных и усредненных данных, которыми располагают зарубежные нормативные документы. В случае допущения подобных ошибок можно оказаться в ситуации полного прекращения функционирования системы. Вторично проведенные расчеты, которые базировались на заранее подготовленной программе, дают право предугадывать состояние почвы на среднесрочный период (минимум пять лет).

Хотелось бы узнать исчерпывающую информацию о нормативно-техническом регулировании при эксплуатации тепловых насосов. Например, какие документы регулируют использование таких устройств?

Появление нормативной базы, на основании которой используются тепловые насосы, зафиксировано не так давно. Изданные тринадцать лет назад Строительные нормы и правила по отоплению, кондиционированию и вентиляции преобразованы в Свод правил, который не посвящен работе с тепловыми насосами. В данном документе можно увидеть лишь несколько строк с упоминанием такого оборудования.

В итоге ситуация сложилась таким образом, что заказчикам и инженерам пришлось испытать дефицит нормативной базы, несмотря на их желание использовать теплонасосные устройства.

Прошло некоторое время, и соответствующие органы утвердили Государственный стандарт 54865, посвященный теплообеспечению объектов строительства. Также в документ включили расчетную методику, которая позволяет определить энергетическую потребность и эффективность системы тепловой генерации с теплонасосным оборудованием. Вышедший стандарт очень тесно связан с тепловыми насосами. На основании приведенных в нем методических рекомендаций можно провести расчеты энергетических затрат на функционирование теплонасосной системы, учитывая ее режимы функционирования, конструкционные особенности, а также параметры основных и дополнительных устройств. В основе методики лежат приведенные в документах эксплуатационные характеристики устройств, а также их параметры, утвержденные на тестировании согласно российской и международной методик. В Государственном стандарте указаны и достойные внимания прочие эксперименты, а также результаты районирования административных единиц Российской Федерации с учетом эффективности использования геотермального теплонасосного оборудования.

Также следует отметить появление НОСТРОЙ стандарта, в котором прописаны принципы установки, эксплуатации и запуска в работу тепловых насосов, объединенных в систему. Например, в стандарте НОСТРОЙ 149 можно ознакомиться с конструкционными особенностями теплонасосного оборудования, предназначенного для обеспечения строительных объектов тепловой энергией и холодом. Также здесь указан список правил, контрольных операций и требований, предъявляемых к работающим с подобным оборудованием лицам. Отметим, что представленный стандарт дополнил положения Свода правил 60.13330. Кроме того, он привнес конкретику в документ, направленный на разъяснение использования теплонасосных устройств, которые используют вторичные энергетические ресурсы и альтернативные возобновляемые энергетические источники. Выпуск похожего стандарта ожидался в НОП, однако в данное время такая инициатива является неосуществимой. По этой причине стандарт СТО НОСТРОЙ 149 дополнен приложением, посвященным созданию проектов с использованием тепловых насосов. Приложение имеет по большому счету описательный характер, нежели подробный.

Кроме того, на свет появилась техническая документация, в которой описано проектирование систем с использованием тепловых насосов и теплонасосного оборудования в отдельности. В созданной документации указаны и технологические схемы с рекомендациями по гибридному теплонасосному оборудованию, устанавливаемому на объектах жилого назначения, расположенных в густонаселенных городах. Также в документе описаны стандартные технические решения термических скважин накопления низкопотенциальной тепловой энергии из грунтовых слоев, а также перерабатывающих низкопотенциальное тепло вентиляционного воздуха блоков, которые используются в теплонасосных системах гибридного типа, обеспечивающих объекты многоэтажного строительства необходимым объемом тепловой энергии. Подобные технические дополнения способствуют улучшению нормативно-правового регулирования. Основываясь на опыте проведения экспертиз, можно быть уверенным в практическом использовании всех разработанных документов.

Также все вышеуказанные документы дополнены практическим пособием по увеличению уровня энергетической эффективности многоэтажных строительных объектов жилого назначения во время проведения ремонтных и реконструкционных работ. Концепцию разработки пособия инициировал специально созданный фонд, который всячески настаивает на реформировании Жилищно-коммунального комплекса Российской Федерации.

На основе материалов из журнала "АВОК"