Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии

ПРАВИТЕЛЬСТВО МОСКВЫ

МОСКОМАРХИТЕКТУРА

РУКОВОДСТВО

ПО ПРИМЕНЕНИЮ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ И НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

РАЗРАБОТАНО ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" (Васильев Г.П., к.т.н., Председатель Совета директоров, руководитель темы; Хрустачев Л.В., зам. генерального директора; Розин А.Г., ведущий специалист; Абуев И.М., ст. научный сотрудник; Горнов В.Ф., инженер; Орлов В.О., д.т.н., ст. научный сотрудник; Воробьев Н.В., к. ф-м. н., научный сотрудник)
ПОДГОТОВЛЕНО к утверждению и изданию Управлением перспективного проектирования и нормативов Москомархитектуры (инж. Ионин В.А., Щипанов Ю.Б.)
УТВЕРЖДЕНО И ВВЕДЕНО В ДЕЙСТВИЕ указанием Москомархитектуры от 31.01.2001 г. № 8.

ВВЕДЕНИЕ
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из актуальных проблем. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий и оборудования, использующих нетрадиционные источники энергии.

В качестве приоритетного направления более широкого использования нетрадиционных источников энергии наибольший интерес представляет область тепло-хладоснабжения, являющаяся сегодня одним из наиболее емких мировых потребителей топливно-энергетических ресурсов. Преимущества технологий тепло-хладоснабжения, использующих нетрадиционные источники энергии, в сравнении с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения. Представляется, что именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке тепло-хладогенерирующего оборудования как в нашей стране, так и за рубежом.

Тепло-хладоснабжение с помощью тепловых насосов относится к области энергосберегающих экологически чистых технологий и получает все большее распространение в мире. Эта технология по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями (использование солнечной, ветровой энергии, энергии Океана и т.п.), относится к технологиям XXI века.

В общем случае тепловой насос - это устройство, используемое для обогрева и охлаждения. Он работает по принципу передачи тепловой энергии от холодной среды к более теплой, в то время как естественным путем тепло перетекает из теплой области в холодную (см. Рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема работы компрессионного теплового насоса
Таким образом, тепловой насос заставляет двигаться тепло в обратном направлении. Например, при обогреве дома тепло забирается из более холодного внешнего источника и передается в дом. Для охлаждения (кондиционирования) дома тепло забирается из более теплого воздуха в доме и передается наружу. Тепловой насос в чем-то подобен обычному гидравлическому насосу, который перекачивает жидкость с нижнего уровня на верхний, тогда как в естественных условиях жидкость перетекает с верхнего уровня на нижний.

В основу принципа действия наиболее распространенных парокомпрессионных тепловых насосов положены два физических явления:

- поглощение и выделение тепла веществом при изменении агрегатного состояния - испарении и конденсации соответственно;

- изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления.

Соответственно, основные элементы парокомпрессионного контура - теплообменник-испаритель, теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель. В испарителе рабочее тело, обычно хладон, находится под низким давлением и кипит при низкой температуре, поглощая теплоту низкопотенциального источника. Затем рабочее тело сжимается в компрессоре, приводимом в действие электрическим или иным двигателем, и поступает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая теплоту испарения приемнику тепла, например, теплоносителю системы отопления. Из конденсатора рабочее тело через дроссель вновь поступает в испаритель, где его давление снижается и снова начинается процесс кипения.

Тепловой насос может забирать тепло из нескольких источников, например, воздуха, воды или земли. И таким же образом он может сбрасывать тепло в воздух, воду или землю. Более теплая среда, воспринимающая тепло, называется теплоприемником. В зависимости от типа источника и приемника тепла испаритель и конденсатор могут выполняться как теплообменники типа "воздух-жидкость", так и "жидкость-жидкость".

Регулирование работы систем теплоснабжения с применением теплового насоса в большинстве случаев производится его включением и выключением по сигналам датчика температуры, установленного в приемнике (при нагреве) или источнике (при охлаждении) тепла. Настройка теплового насоса обычно производится изменением сечения дросселя (терморегулирующего вентиля - ТРВ).

В зависимости от сочетания вида источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды тепловые насосы делятся на следующие типы:

- воздух - воздух;

- воздух - вода;

- грунт - воздух;

- грунт - вода;

- вода - воздух;

- вода - вода.

Эти типы тепловых насосов отличаются конструктивным исполнением теплообменной части (испарителя и конденсатора) и температурными режимами реализуемых термодинамических циклов.

Настоящее Руководство разработано ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в развитие СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование" и МГСН 2.01-99 "Энергосбережение в зданиях" и освещает вопросы применения теплонасосных систем теплохладоснабжения (ТСТ), использующих вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ).

Руководство имеет своей целью оказание помощи заказчикам и проектировщикам в выборе рациональных энергосберегающих технических решений систем тепло-хладоснабжения, предусматривающих применение тепловых насосов, и предназначено для использования при проектировании новых и реконструкции существующих объектов.

При разработке Руководства использован опыт применения тепловых насосов в зарубежной и отечественной практике, в частности опыт работы предприятий группы "ИНСОЛАР" по внедрению в России теплонасосных систем тепло-хладоснабжения в различных областях гражданского и промышленного строительства, включая результаты научно-исследовательских работ, выполненных ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в рамках Государственной научно-технической программы России "Экологически чистая энергетика".
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. При проектировании систем тепло-хладоснабжения (отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения) зданий и сооружений с использованием тепловых насосов и тепловых узлов к ним следует руководствоваться следующими нормативными документами:

- СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха";

- СНиП 2.04.01-85* "Водоснабжение и канализация";

- СНиП 2.04.07-86* "Тепловые сети";

- МГСН 2.01-99 "Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению";

- СП 41-101-95 Свод правил "Проектирование тепловых пунктов",

а также другими нормативными документами федерального и регионального (московского) уровня, касающимися энергосбережения при проектировании объектов индивидуального и общественного жилищного строительства, объектов коммунального и промышленного строительства.

1.2. Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Термодинамический цикл теплового насоса в T-S диаграмме представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Термодинамический цикл теплового насоса в T-S диаграмме
1.3. Как и холодильная машина, тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла (привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса - отношение теплопроизводительности к электропотреблению - зависит от уровня температур в испарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5 до 5, т.е. на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производит от 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. Температурный уровень теплоснабжения от тепловых насосов 35-55 °С. Экономия энергетических ресурсов достигает 70%.

Промышленность технически развитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловых насосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.

На рисунке 3 представлены зависимости идеального и действительного (реального) коэффициента преобразования ТН от температур испарения и конденсации хладагента.

Рис. 3. Зависимость идеального и действительного (реального) коэффициента преобразования ТН от температур испарения и конденсации хладагента
1.4. Энергетический баланс ТН записывается следующим образом:

Q_конд = Q_исп + L_комп, где

Q_конд - теплота, отводимая от конденсатора;

Q_исп - теплота, подводимая к испарителю;

L_комп - работа компрессора.

1.5. Коэффициент преобразования ТН определяется по формуле:

 = Q_конд / L_комп =  · T_конд / (T_конд – T_исп), где

T_конд - температура конденсации рабочего тела;

T_исп - температура испарения рабочего тела;

 - суммарный коэффициент потерь ТН (потери цикла, потери в компрессоре, потери от необратимости при теплопередаче и т.п.).

Идеальный коэффициент преобразования ТН:

 = T_конд / (T_конд – T_исп).

1.6. Системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов - теплонасосные системы теплоснабжения - могут быть применены для отопления, подогрева вентиляционного воздуха, нагрева воды для горячего водоснабжения и т.п.

В качестве низкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться:

а) вторичные энергетические ресурсы:

- теплота вентиляционных выбросов;

- теплота серых канализационных стоков;

- сбросная теплота технологических процессов и т.п.

б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:

- теплота окружающего воздуха;

- теплота грунтовых и геотермальных вод;

- теплота водоемов и природных водных потоков;

- теплота солнечной энергии и т.п.;

- теплота поверхностных и более глубоких слоев грунта.

Следует учесть, что использование тепловых насосов для тепло-хладоснабжения с использованием ВЭР и НВИЭ представляет собой новую современную технологию и требует современных архитектурно-планировочных, конструктивных и инженерно-технологических решений по всему объекту в целом. ТСТ должна быть органично вписана в объект и рационально сопряжена с остальными инженерными системами объекта.
2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗМОЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НИЗКОГО ПОТЕНЦИАЛА И ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
2.1. Теплота окружающего воздуха

Теплота окружающего воздуха, как источника низкопотенциальной теплоты, характеризуется, как правило, сезонными и краткосрочными колебаниями температуры в зависимости от погодных условий, что влечет за собой колебания режимов работы теплового насоса, снижающие его эффективность. Кроме того, средний уровень температуры окружающего воздуха влияет на коэффициент трансформации: чем ниже температура, тем ниже коэффициент трансформации.

В этой связи теплоту окружающего воздуха целесообразно использовать в климатических зонах с достаточно высокой (не ниже +5 °С) температурой и со стабильными погодными условиями.

Для климатической зоны г. Москвы с колебаниями температуры воздуха в отопительный период от 0 °С до -30 °С, что определяется высокой циклонической деятельностью в этот период, применение этого низкопотенциального источника не целесообразно.
2.2. Теплота грунтовых и подземных вод

Грунтовые и подземные воды обладают достаточно высокой теплоотдачей и имеют постоянную температуру, что обеспечивает эффективность и стабильность режимов работы тепловых насосов. Для утилизации теплоты создается циркуляционный контур: вода из грунта подается в теплообменник, связанный с испарителем теплового насоса, охлаждается и закачивается обратно в грунт (см. Рис. 4). Однако использование этих источников связано с более интенсивным вмешательством в гидрологический режим недр и требует согласования с соответствующими службами.

Рис. 4. Теплонасосная система теплоснабжения, использующая тепло подземных вод

1 - водонагреватель; 2 - тепловой насос; 3 - колодец; 4 - насос; 5 - дренаж
Следует также учесть, что использование грунтовых и подземных вод в качестве аккумулятора теплоты невозможно.

Подземные воды, так же как и поверхностные слои земли, могут быть использованы в качестве источника тепла для индивидуальных домов, многоквартирных зданий и районных котельных. Температура подземных вод обычно является постоянной на глубине 1520 м, и для Москвы и Московской области составляет 6-8 °С.

Для извлечения тепла подземных вод используются обычные методы бурения скважин диаметром 1020 см, глубиной 50-150 м. Как и при использовании озерной воды, применяются два различных принципа сбора тепла. В одном случае замкнутая трубопроводная система опускается в скважину. В таком коллекторе циркулирует теплоноситель, который извлекает тепло из подземной воды и переносит его в испаритель теплового насоса.

Для небольшого теплового насоса мощностью около 10 кВт, который может использоваться для индивидуальных домов, требуется расход подземного потока около 12 м³/ч (в зависимости от температуры).

В другом варианте подземная вода закачивается непосредственно в испаритель, и после охлаждения сбрасывается в специальную скважину, достаточно далеко от места забора, чтобы исключить охлаждение источника подземной воды.

При использовании грунтовых и подземных вод в качестве источника низкопотенциального тепла для ТСТ необходимо учитывать риск нарушения их гидрологического и экологического баланса.

Возможности использования тепловых насосов на грунтовых и подземных водах ограничены территориями, где температура этих вод меньше +4,5 °С.

В условиях достаточно плотной застройки в Москве применение таких методов проблематично, поскольку требует наличия подземного водного потока под площадкой или вблизи площадки застройки. Однако при изучении геологической подосновы следует иметь в виду такую возможность.
2.3. Теплота водоемов и природных водных потоков

Температура воды в водоемах и водных потоках на поверхности земли подвержена сезонным изменениям в соответствии со средней температурой окружающего воздуха, причем наиболее низкая температура приходится на конец периода максимальной тепловой нагрузки. Утилизация низкопотенциальной теплоты производится теплообменниками, погруженными в воду. Использование этих естественных источников в качестве аккумуляторов теплоты невозможно. Однако специально созданные искусственные водоемы (например, противопожарные резервуары) можно использовать как тепловые аккумуляторы, предусмотрев при этом мероприятия от размножения водной флоры и фауны, чему могут способствовать периоды повышенной температуры воды.

Для условий Москвы представляет интерес использование теплоты многочисленных малых рек, заключенных в коллекторы. Этот вопрос следует рассматривать при проектировании конкретных объектов с учетом их территориального расположения. При этом следует оценить энергетический потенциал таких малых рек - величину стока воды и ее температуру в отопительный период.
2.4. Солнечная энергия

Целесообразность использования солнечной энергии зависит от климатических условий района применения. Потенциал этого источника довольно велик, однако плотность потока солнечной радиации сравнительно невелика - около 0,6 кВт на 1 м², что требует значительных площадей поглощающей поверхности солнечных коллекторов. Кроме того, этот источник обладает еще одним существенным недостатком - приход солнечной радиации неравномерен. Это требует применения теплоаккумулирующих устройств как для суточного, так и для сезонного аккумулирования.

Климатические условия Москвы характеризуются достаточно высокой циклонической деятельностью под влиянием Исландского минимума, что влечет за собой неравномерное поступление солнечной радиации и относительно малое - 1758 - количество дней солнечного сияния. Отношение наблюдаемого количества дней солнечного сияния к возможному согласно климатическому справочнику составляет 39%. По этим причинам использование солнечной энергии в качестве единственного источника низкопотенциальной теплоты малоэффективно.

Возможным решением может быть комбинация этого источника с другими, например, с грунтом, который может быть использован как в качестве аккумулятора, так и источника теплоты (см. Рис. 6).
2.5. Теплота грунта поверхностных слоев Земли

2.5.1. Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр. Падающая на земную поверхность солнечная радиация и сезонные изменения ее интенсивности оказывают влияние на температурный режим слоев грунта, залегающих на глубинах 10-20 метров.

Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже глубин проникновения тепла солнечной радиации, формируется только под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата.

Таким образом, на сравнительно небольшой глубине от поверхности имеются слои грунта, температурный потенциал которых в холодное время года значительно выше, чем у наружного воздуха, а в жаркое время года - значительно ниже.

2.5.2. При устройстве в грунте вертикальных или горизонтальных регистров труб (систем сбора низкопотенциального тепла грунта) с циркулирующим по ним теплоносителем, имеющим пониженную (повышенную) относительно окружающего грунтового массива температуру, происходит отбор (сброс) тепловой энергии (холода) от грунта и их отвод потребителю.

2.5.3. Поскольку грунт является довольно сложной и многообразной структурой при проектировании систем сбора низкопотенциального тепла грунта следует учитывать факторы и использовать методики, изложенные в ПРИЛОЖЕНИЯХ 2 и 5.

2.5.4. При расположении системы сбора низкопотенциального тепла под фундаментами зданий и сооружений следует оценить эффект подъема поверхности грунта при замораживании грунтовой влаги. Пример такого расчета приведен в ПРИЛОЖЕНИИ 3.

2.5.5. Грунт поверхностных слоев Земли, в связи с его повсеместной доступностью и достаточно высоким температурным потенциалом, является наиболее перспективным источником тепловой энергии низкого потенциала для испарителей ТН.

На рисунках 5 и 6 представлены примеры горизонтальной и вертикальной систем сбора низкопотенциального тепла грунта.

Рис. 5. Горизонтальная система сбора низкопотенциального тепла грунта

1 - воздушный отопительный аппарат; 2 - тепловой насос; 3 - пластиковый трубопровод

Рис. 6. Вертикальная система сбора низкопотенциального тепла грунта

1 - тепловой насос; 2 - солнечный коллектор; 3 - бойлер для горячего водоснабжения;

4 - нагревательные приборы системы отопления; 5 - циркуляционные насосы;

6 - вертикальные термоскважины системы сбора низкопотенциального тепла грунта
2.6. Теплота воздуха, выбрасываемого вентиляционными системами

2.6.1. Тепловые насосы, использующие тепло выбрасываемого вентиляционными системами воздуха (здания с механической системой вентиляции), температура которого составляет около +20 °С и мало изменяется в течение года, могут быть установлены в многоквартирных и индивидуальных зданиях. Это позволяет получить более высокий коэффициент преобразования тепла по сравнению с другими источниками низкопотенциального тепла. С другой стороны, вентиляционный воздух является сравнительно ограниченным источником тепла и экономически невыгодно увеличивать воздушный вентиляционный поток, так как в результате это приведет к увеличению потребности в теплоснабжении. В данном случае, как и для тепловых насосов, использующих наружный воздух, стоимость источника тепла ниже, чем для большинства других типов тепловых насосов.

2.6.2. Конфигурация системы зависит от места расположения теплового насоса в здании. Извлеченное тепло транспортируется в накопитель тепла, который может быть размещен, например, в подвале здания. Тепловой насос, с целью сокращения длин трубопроводов, может быть установлен либо в чердачном помещении, рядом с каналом выброса вентиляционного воздуха, либо рядом с водяным накопителем тепла в подвале (Рис. 7 и 8).

Рис. 7. Теплонасосная система, использующая тепло вентвыбросов

1 - новая часть стены; 2 - дополнительная изоляция из минеральной ваты; 3 - старая часть стены; 4 - набивка минеральной ватой; 5 - третье стекло; 6 - рекуперация тепла вентилируемого выбросного воздуха с помощью теплового насоса; 7 - тепловой насос на выбросном воздухе;

8 - бак аккумулятор горячей воды; 9 - теплообменник

Рис. 8. Теплонасосная система, использующая тепло вентвыбросов приточно-вытяжной системы вентиляции

1 - теплообменник; 2 - вентилятор; 3 - бойлер; 4 - бак аккумулятор; 5 - тепловой насос
2.6.3. Среднегодовой коэффициент преобразования тепла в таких системах составляет от 3 до 4, что подтверждает целесообразность их применения как для горячего водоснабжения, так и для отопления.