Теплонасосная система теплохладоснабжения – перспективный путь использования альтернативных источников энергии в зданиях

Несмотря на имеющиеся запасы угля, нефти и газа, общемировые тренды по переходу на использование экологически чистых альтернативных источников энергии мотивируют специалистов к созданию и внедрению так называемых зеленых технологий. Рассмотрим виды вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии, которые могут использоваться в жилых и общественных зданиях, а также особенности их применения.

Особенности использования и виды альтернативных источников энергии

Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для тепло-, холодо- и электроснабжения зданий, выбор технологических схем, а также применяемого оборудования следует осуществлять с учетом неравномерности поступления ВЭР и ВИЭ, а также графиков потребления энергетических ресурсов инженерными системами зданий.

Использование вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии в зданиях должно сопровождаться расчетом величины экономии энергии в течение жизненного цикла здания с учетом взаимного влияния применяемых мероприятий.

В жилых и общественных зданиях могут быть использованы следующие вторичные энергетические ресурсы, такие как:

  • низкопотенциальная теплота и холод удаляемого вентиляционного воздуха;
  • низкопотенциальная теплота сточных вод;
  • теплота конденсации холодильных установок,

а также следующие виды возобновляемых источников энергии:

  • низкопотенциальная теплота грунта;
  • низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха;
  • солнечная энергия;
  • низкопотенциальная теплота водоемов;
  • кинетическая энергия ветра.

При проектировании жилых и общественных зданий, в которых предусматривается использование ВЭР и ВИЭ, необходимо стремиться к созданию энергетически эффективного здания, теплопотери и энергетические затраты которого сведены к минимуму.

Вторичные энергетические ресурсы и возобновляемые источники тепловой энергии (за исключением солнечной радиации) имеют низкий температурный потенциал, что, как правило, не позволяет напрямую использовать эти источники энергии в теплоснабжении зданий – требуется преобразование этой энергии с повышением ее температурного уровня. Основным инструментом в решении этой проблемы является теплонасосная система теплохладоснабжения (ТСТ).

Теплонасосная система теплохладоснабжения

Под теплонасосными системами теплохладоснабжения принято понимать комплекс технических средств, предназначенных для преобразования низкопотенциальной теплоты ВЭР и ВИЭ в теплоту более высокого потенциала с использованием обратного термодинамического цикла. В жилых и общественных зданиях наиболее часто применяют парокомпрессионные тепловые насосы. Реже применяются абсорбционные тепловые насосы.

Тепловые насосы классифицируются по следующим признакам:

  • по виду обеспечиваемой нагрузки – установки теплоснабжения (отопления, вентиляции или горячего водоснабжения) и установки теплохолодоснабжения, предназначенные для одновременной или сезонной выработки теплоты и холода;
  • по сочетанию вида теплоносителя источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды: типа «воздух–воздух», «воздух–вода», «вода–вода», «вода–воздух»;
  • по виду энергии, используемой для осуществления рабочего цикла, – электроприводные и с приводом от тепловых двигателей;
  • по температуре нагреваемого теплоносителя – низкотемпературные (до 50° С) и среднетемпературные (50–80 °С).

Теплонасосные системы могут быть как автономными, так и гибридными, т. е. использующими тепловую сеть в качестве доводчика. Схема энергетических потоков гибридной теплонасосной системы, обеспечивающей отопление, горячее водоснабжение и холодоснабжение (кондиционирование), показана на рисунке.

Тепловые насосы могут быть установлены как на полную, так и на частичную тепловую нагрузку, при этом полная нагрузка обеспечивается дополнительным источником тепла.

Для улучшения технико-экономических показателей теплонасосных систем следует проектировать их преимущественно с дополнительным (пиковым) источником тепла. Тепловая мощность тепловых насосов в системах с дополнительным (пиковым) источником тепла подбирается:

  • на отопительно-вентиляционные нужды: по величине базовых нагрузок;
  •  на нужды горячего водоснабжения: по среднечасовой нагрузке горячего водоснабжения с учетом доли нагрузки, покрываемой тепловыми насосами, и периода их работы в течение суток;
  • на нужды кондиционирования: по расчетной холодопроизводительности, а при использовании аккумуляторов холода – с учетом аккумулирования и периода работы тепловых насосов в течение суток.
Схема энергетических потоков гибридной теплонасосной системы, обеспечивающей горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха
Рисунок.
Схема энергетических потоков гибридной теплонасосной системы, обеспечивающей горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха

В отличие от систем на основе таких ВИЭ, как ветер, солнце и т. п., установка которых эффективна лишь в тех районах, где существует достаточный потенциал для их применения, ТСТ можно использовать практически повсеместно. В качестве источника тепловой энергии низкого температурного потенциала ТСТ используют грунт или комбинацию грунта и других источников (атмосферного воздуха, теплоты вентиляционных выбросов), которые доступны в любом месте и параметры которых (за исключением атмосферного воздуха) остаются стабильными и хорошо прогнозируемыми в течение всего года. Таким образом, ТСТ могут рассматриваться как наиболее перспективный путь использования ВЭР и ВИЭ в зданиях.

Цель – снизить энергопотребление здания

При выборе технических решений, использующих ВЭР и ВИЭ, важно учитывать их влияние на удельное годовое энергопотребление зданий и сооружений. Для этого следует выполнить соответствующие расчеты.

Количество энергии, вырабатываемое теплонасосной системой, следует вычислять по ГОСТ Р 54865–2011.

В настоящее время готовятся методические рекомендации по определению влияния использования вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии на энергопотребление здания, в которых будут представлены методики определения годового расхода энергии на отопление и вентиляцию здания, годового расхода энергии на горячее водоснабжение здания, а также суммарного удельного годового расхода энергетических ресурсов зданием. Отметим лишь, что применение решений по интеграции ВЭР и ВИЭ в проектах энергоснабжения зданий и сооружений должно предусматриваться таким образом, чтобы затраты энергии, необходимые для работы устройств, осуществляющих использование данных источников энергии, были значительно меньше того количества энергии, которое ими вырабатывается, чтобы энергопотребление здания снижалось.

Г. П. Васильев,доктор техн. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

В. Ф. Горнов, директор проектного отделения, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

А. С. Горшков, канд. техн. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

В. А. Личман, канд. физ.-мат. наук, ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»

По материалам: https://www.abok.ru