Примеры внедрения тепловых насосов в мире
Бюджетная сфера является достаточно энергоемкой: по доли затрат на энергоресурсы и воду себестоимость услуг объектов бюджетной сферы превышает машиностроение, строительство, сельское хозяйство и даже цветную металлургию. На региональном и государственном уровнях крупнейшими бюджетными потребителями являются учреждения образования и здравоохранения. Для модернизации всех объектов бюджетной сферы, включая меры по повышению эффективности использования коммунальных ресурсов, необходимы значительные денежные средства. Государство не способно выделить такой объем ресурсов на эти цели. Однако потребность в них может быть существенно снижена при запуске механизмов, в которых экономия финансирует модернизацию.
Рассмотрим на примере двух канадских школ пример
внедрения энергосберегающих технологий на базе грунтовых
(геотермальных) тепловых насосов (ГТН). Во время их внедрения
ставились следующие задачи: максимальное повышение уровня
энергонезависимости, уменьшение энергопотребления и покрытие
пиковых потребностей. В условиях недостаточного бюджета школы
использование этих энергосберегающих технологий позволяет
эффективно решать задачи по снижению затрат на обогрев и
кондиционирование помещений, приготовление горячей воды,
одновременно повышая комфорт школьных помещений. Кроме того, данное
оборудование имеет долгий срок службы, является безопасным и может
даже улучшить внешний вид здания.
Две такие теплонасосные системы, а именно с горизонтальным и
вертикальным расположением грунтового контура теплового насоса,
были установлены в двух средних школах в Квебеке (Канада). Целью
было продемонстрировать эксплуатационные свойства в условиях
холодного климата и в случае получения хороших результатов
расширить их внедрение по всем канадским учебным заведениям.
Грунтовые тепловые насосы использует солнечную энергию, которая предварительно, в период избыточной солнечной радиации (летний период), была накоплена в почве. Кроме того, в системе применяются другие источники энергии, такие как прямое солнечное излучение и тепло воздуха из системы вентиляции. Главная задача заключалась в оптимизации конструкции и системы контроля для уменьшения капитальных затрат и повышения спроса на рынке.
Описание системы
Горизонтальный грунтовой контур длиной 167000 м служит источником тепла для теплового насоса мощностью 584,5 кВт и был установлен в школе общей площадью 11426 м2, где обучалось 500-700 школьников. 60% площади здания (северная сторона) обогревается 35 тепловыми насосами (мощностью 12,2-21 кВт) типа рассол-воздух. 11 из этих теплонасосов обеспечивают кондиционирование периферийных и центральных помещений.
В качестве основного энергоисточника используется электричество и газ. Природный газ применяется на стадии предварительного подогрева воздуха, в то время как электричество – для привода компрессора теплового насоса и циркуляции рассола. Стоит отметить, что южная сторона здания также используется для предварительного подогрева воздуха. Низкопотенциальное тепло жидкости, охлаждающей двигатель, также сохраняется и аккумулируется в баке-аккумуляторе объемом 100 м3. Трехходовые клапаны направляют геотермальный теплоноситель между грунтовыми теплообменниками и этим баком-аккумулятором.
Энергопотребление
В промежутке между ноябрем и мартом тепло, передаваемое от грунтового теплообменника, обеспечивает 39% общих тепловых потребностей здания. Коэффициент преобразования теплового насоса составлял 3,5. В этот период большая часть тепловых насосов работает в режиме охлаждения – 7,5 % рабочего времени. Большая часть годовых энергозатрат на эту систему идет на компрессоры тепловых насосов, воздуходувы и предварительный электроподогрев (всего 74%). На циркуляцию рассола и на внешние воздушные вентиляторы расходуется 19% электроэнергии, и окончательно 7% на электроподогрев периферийной зоны. Согласно мониторингу энергопроизводства в течении первой зимы было произведено примерно 192 кВт*ч/м2, хотя система налаживалась несколько раз. Эта мощность лишь на 8% меньше среднего потребления всех провинциальных школ.
Принципиальная схема системы геотремального теплового насоса с горизонтальным грунтовым контуром
Доля электропотребления составляющих системы на базе теплового насоса
Опыт эксплуатации
В течение первого отопительного сезона теплонасосная система работала относительно хорошо, но не достаточно. Усовершенствование было нацелено в основном на работу бака-аккумулятора. Теплоноситель от источника тепла поочередно перенаправляется с помощью трехходового клапана в грунтовый контур теплового насоса и наружный теплообменник, в зависимости от температуры рассола. Это обеспечивает лучший теплосьём из грунта и исключает бесполезные потери тепла. Как следствие, мощность системы повысилась на 20% в течение второго отопительного сезона.
СИСТЕМА ТЕПЛОГЕНЕРАЦИИ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ГРУНТОВЫМ КОНТУРОМ
Основной характеристикой данной автономной системы теплогенерации с использованием теплового насоса, которая была внедрена в 2003 году в средней школе в Монреале, является простота конструкции, что минимизировало ее стоимость. К тому же, отсутствие шумов при работе и долгий срок службы является преимуществом данной системы перед аналогичной с горизонтальным контуром. Система использует солнечную энергию пассивно, непосредственно через солнечные стены для предварительного подогрева воздуха, тем самым снижая выбросы парниковых газов.
Описание системы
Двухэтажная школа общей площадью 2682
м2. Количество учащихся - 220 школьников. Резервный
электрообогреватель на 110 кВт покрывает пиковые тепловые нагрузки.
Но никаких устройств по сбросу избыточного тепла (градирни) нет.
Насосная станция прокачивает теплоносистель от источника тепла в
замкнутом контуре, который соединен с 25 тепловыми насосами типа
грунт-вода мощностью от 2,6 до 35 кВт (общая мощность 203 кВт).
Грунтовый теплообменник состоит из 18 вертикальных U-образных
грунтовых теплообменников, глубиной 119 м, что составляет 2196 м
общей длины.
Две пассивные солнечные системы предварительно на первом этапе
подогревают кондиционируемый воздух. Первая стена площадью 51
м2размещена на восточной стороне дома, а вторая 40
м2- на западной. На втором этапе воздух подогревается
тепловым насосом теплом от выходящего воздуха. После смешивания с
рециркулируемым воздухом, при необходимости, он догревается
электрообогревателем. Четвертая и последняя стадия подогрева
происходит с применением теплового насоса на 35кВт.
Принципиальная схема системы ГТН с вертикальным грунтовым контуром
Результаты
В течение отопительного сезона свежий воздух почти полностью догревался обратным воздухом. Солнечные стены обеспечивали подогрев (6 кВт) тепловой энергией до температуры 22 ˚С. Тепловые насосы давали 7 кВт (в среднем за сезон), что зимой нагревало воздух на 10 ˚С. Электрообогрев работал на 5% от своей максимальной мощности 1,2 % всего времени работы. Вентилятор для циркуляции свежего воздуха работал 5,4% времени всегда на 50% установленной мощности.
Срок окупаемости
Гипотетически, такой системой с тепловыми насосами экономится 75% энергии. На момент установки данных систем ( 2004) срок окупаемости составлял 7,4 года.