Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет сегодня собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой, по-видимому, будет иметь определяю¬щее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, но и для сохранения среды его обитания. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологические последствия его сжигания обусловили в последние десятилетия значительное повышение интереса к этим технологиям прак¬тически во всех развитых странах мира. Преимущества технологий теплоснабжения, использующих нетрадиционные источники энергии, по сравнению 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 с новыми возможностями в области повышения степени автоном¬ности систем жизнеобеспечения. По всей видимости, в недалеком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке теплогенерирующего оборудования [1].
В последнее десятилетие все большее распространение в мире получают новые энергоэффективные технологии жизнеобеспечения зданий, базирующиеся на применении теплонасосных систем теплохла- доснабжения с использованием геотермальной тепловой энергии. Системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли, или системы теплосбора, в общем случае включают в себя грунтовый теплообменник и трубопроводы, соединяющие его с теплонасосным оборудованием.
Чаще всего используют вертикальные и горизонтальные грунтовые теплообменники. Горизонталь¬ный теплообменник устраивается, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время). Использование горизонтальных грунтовых теплообменников огра-ничено размерами имеющейся площадки. Если система с горизонтальным грунтовым теплообменником используется только для получения тепла, то для ее эффективной эксплуатации необходимы достаточ¬ные теплопоступления с поверхности земли от солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников не должна находиться в тени.
Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже нейтральной зоны (15—20 м от уровня земли). Системы с вертикальными теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность грунта. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или сухого гравия.
В 2009 г. сотрудниками факультета холодильной техники СПбГУНиПТ было проведено исследова¬ние на предмет возможности использования теплонасосной установки для обеспечения нужд отопления в зимний период года и кондиционирования в летний бизнес-центра общей площадью 22 000 м2.
В виду отсутствия централизованного газо- и теплоснабжения объекта перед сотрудниками уни-верситета была поставлена задача разработать энергосберегающие системы жизнеобеспечения здания с использованием только электрической энергии и тепловой энергии грунта. В качестве исследуемых систем жизнеобеспечения были выбраны следующие:
Вариант № 1 — режим отопления — тепловой насос, режим кондиционирования — тепловой насос и два чиллера.
Вариант № 2 — режим отопления — тепловой насос и два электрических котла, режим кондицио-нирования — тепловой насос и два чиллера.
Вариант № 3 — режим отопления Daikin VRV Cold Region, режим кондиционирования — VRV система.
Вариант № 4 — режим отопления — электрокотлы режим кондиционирования — три чиллера.
При использовании системы по варианту № 1 в зимний период года предполагалось компенси¬ровать теплопотери здания при помощи теплового насоса. Мощности теплового насоса в режиме кон-диционирования оказалось недостаточно для компенсации теплоизбытков летом, поэтому в схему кондиционирования воздуха вдобавок к тепловому насосу, работающему в режиме кондиционирования, были добавлении две водоохлаждающие хо¬лодильные машины (чиллер). С целью снижения затрат на обустройство вертикального геотермального теплообменника была предложена система по варианту № 2.
В этой системе предполагалось часть теплопо- терь компенсировать при помощи теплового насоса, а часть при помощи электрокотла.
Кроме геотермальных тепловых насосов используются аэротермальные, источником низкопотен-циальной энергии в которых является атмосферный воздух. В области аэротермальных тепловых насосов преуспела компания Daikin выпустив серию оборудования VRV Cold Region, которое позволяет эффек¬тивно работать в режиме отопления даже при температуре уличного воздуха минус 25 0 С. Аэротермальные тепловые насосы позволяют избежать устройства дорогостоящих грунтовых теплообменников, поэтому данная система жизнеобеспечения здания была предложена в качестве альтернативы геотермальным тепловым насосам. В четвертом варианте исследовалась традиционная, при имеющихся в распоря¬жении заказчика энергоносителей, система обеспечения микроклимата здания, а именно установка электрических котлов для нужд систем теплоснабжения и чиллеров для систем кондиционирования воздуха.
Из диаграммы рис. 1 видно, что наименьшее годовое потребление электроэнергии у системы предложенной по варианту № 3 — системы на базе аэротермальных тепловых насосов. А самая энерго-неэффективная система, как и следовало предполагать, это система по варианту № 4 — традиционная система поддержания параметров микроклимата в зимний и летний периоды года.
Для того, чтобы оценить преимущество энергоэффективных теплонасосных систем перед тради-ционными системами в денежном эквиваленте, были проведены расчеты стоимости оборудования и материалов по каждой из систем. От собственника здания были получены данные о реальной стоимости подключения к сетям ЛенЭнерго, а так же посчитаны эксплуатационные затраты. Результаты расчетов приведены на диаграмме № 2.
Как видно из диаграмм наибольшие затраты на оборудование и материалы присуще система по варианту № 3 — аэротермальные тепловые насосы, а наименьшие по варианту № 4 — традиционная система отопления и кондиционирования воздуха. Однако, традиционной системе (вариант № 4) при¬суще наибольшая стоимость подключения к городским электросетям и наибольшие эксплуатационные затраты, которые по большей части состоят из оплаты за годовое электропотребление.
Таким образом, несмотря на относительно невысокую стоимость системы отопления на базе электрических котлов, она обладает высоким электропотреблением и как следствие высокими эксплуа-тационными затратами. Полученные данные позволяют оценить экономию денежных средств во время эксплуатации теплонасосных систем вместо системы электрокотел — чиллер. На диаграмме № 3 приве¬ден результат расчета срока окупаемости теплонасосных систем в сравнении с традиционной системой по варианту № 4.
Таким образом, расчеты показали, что в тех случаях, когда отсутствует возможность подключения к централизованной системе тепло и газоснабжения выгоднее использовать энергоэффективные тепло- насосные системы вместо традиционного электрообогрева. При этом наиболее выгодной оказывается комбинированная система по варианту № 2 со сроком окупаемости 7,5 лет, которая для нужд обогрева использует совместную работу теплового насоса и электрообогрева. Такая схема может быть реали¬зована, например, следующим образом: тепловой насос компенсирует теплопотери здания в зимний период года когда температура воздуха на улице не опускается ниже минус 15 0С, а в схему циркуляции теплоносителя включен электрокотел, который начинает работать при понижении температуры окру¬жающего воздуха ниже минус 15 0С. Такая комбинированная схема позволяет существенно снизить затраты на обустройство геотермального теплообменника, что в свою очередь приводит к более сжатым срокам окупаемости, чем при использование геотермального теплового насоса для компенсации всех теплопотерь здания.
Использование же аэротермальных тепловых насосов (вариант № 3) в виду дороговизны основ¬ного оборудования и материалов, используемых при их монтаже, не представляется экономически обоснованным.
Список литературы
1. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. Москва, издательский дом «Граница», 2006.
2. Теоретические основы хладотехники. Ч. 2. Тепломассообмен // Под редакцией д-ра техн. наук, проф. Э. И. Гуйго, М.: «Колос», 1994.
Комментариев пока нет