Тепловые насосы: энергоэффективность оборудования

1. Общие сведения

Организация систем тепло(холодо)снабжения на базе промышленных и полупромышленных высокотемпературных парокомпрессионных тепловых насосов является наиболее перспективной. На сегодняшний день установка тепловых насосов в составе систем тепло(холодо)снабжения зданий востребована ввиду современных тенденций к экономичному потреблению топливных ресурсов и общему повышению эффективности работы инженерных систем, что отражено в Энергетической стратегии России на период до 2030 года (ЭС-2030, утв.распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009г.№1715-р: www.energystrategy.ru )

Экологичность, удобство эксплуатации и обслуживания, надежность работы, широкая линейка мощностей и номенклатуры тепловых насосов, возможность реализации разнообразных теплотехнических схем делают эту технологию трансформации энергии наиболее привлекательной как для крупных жилых и промышленных комплексов, так и для объектов частного строительства.

Срок службы тепловых насосов составляет более 20-ти лет с минимальными затратами на обслуживание, а срок окупаемости инвестиций с учетом дисконтирования (стоимость денег с учетом фактора времени) лежит в пределах 3-4 лет.

Наша организация выполняет устройство автономных источников тепло(холодо)снабжения, тепловых пунктов и систем утилизации тепла на базе промышленных/полупромышленных высокотемпературных тепловых насосов единичной мощностью от 12 кВт до 50 МВт под ключ (все стадии проектирования: «К» (концепция), «ПД» (проектная документация), «РД» (рабочая документация), установка тепловых насосов и систем автоматизации и диспетчеризации на объектах, пуско-наладка и сдача в эксплуатацию)

2. Принцип работы тепловых насосов

Парокомпрессионный тепловой насос – это установка для трансформации тепла, обеспечивающая повышение потенциала тепла путем переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к потребителю с более высокой температурой за счет термодинамического парокомпрессионного цикла: испарение-сжатие-конденсация-расширение хладагентов (озонобезопасные фреоны: R134, R134a, R410а, R407C и др., R744: диоксид углерода (СО₂)).

Эффективность работы при установке тепловых насосов оценивается отопительным коэффициентом СОР (coefficient of performance), который равен отношению тепловой мощности на выходе к потребляемой электрической мощности компрессора теплового насоса.

Тепловые насосы нового поколения работают на диоксиде углерода (R744) и обеспечивают нагрев теплоносителя до 90°С (www.r744.com ).

3. Источники низкопотенциального тепла для тепловых насосов

3.1 Нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ):

• окружающий воздух в диапазоне температур от минус 25-30⁰ до плюс 35-45⁰С;
• поверхностные (0,7-1,5м) и глубинные (от 20 до 150м) грунтовые массивы;
• водные бассейны прудов, водоемов, рек, озер, морей и океанов;
• подземные воды (грунтовые, артезианские, геотермальные);
• солнечная энергия.

3.2 Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) :

• «сбросное» тепло обратных магистралей ТЭЦ;
• тепло сточных вод турбинных цехов ТЭЦ;
• теплота сбросных вод целлюлозно-бумажных комбинатов;
• теплота шахтных вод, образующихся при разработке месторождений сланцев, антрацитов, урановых руд. и др.
• тепловая энергия дымовых газов, включая скрытую теплоту испарения (конденсации) водяных паров, от коге- и тригенерационных установок с газопоршневыми и газотурбинными агрегатами, котельных, ТЭЦ, трубчатых печей химических, нефтехимических и нефтеперабатывающих заводов, промышленных печей и сушилок с вращающимся барабаном и псевдоожиженным (кипящим) слоем, двигателей автомобилей и др.;
• тепловая энергия воздуха для турбонаддува и охлаждения рубашки двигателей газопоршневых и газотурбинных агрегатов;
• теплота паро-газовоздушных смесей от технологических установок, сушилок древесных материалов, включая скрытую теплоту испарения (конденсации) водяных паров;
• вытяжной воздух от вентагрегатов зданий и сооружений промышленного, гражданского, церковного и оборонного назначения.;
• канализационные стоки зданий и сооружений, в т.ч. производственные стоки промышленных предприятий;
• жидкие продуктовые потоки технологического оборудования молочных ферм, пивоваренных заводов, химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов;
• системы оборотного водоохлаждения печей, изостатических прессов, компрессоров, мощных электроагрегатов, реакторов, теплообменников технологических установок химических, нефтехимических и нефтеперабатывающих заводов и др.;
• тепловая энергия от охладителей зернистых материалов (охладители с вращающимся барабаном, псевдоожиженным (кипящим) слоем, с движущимся плотным слоем дисперсного материала и др.) в химической промышленности, на заводах по производству строительных материалов и минеральных удобрений;
• теплота отвалов пород (терриконов), образующихся при разработке угольных пластов.

4. Области применения тепловых насосов:

• отопление, вентиляция, кондиционирование, производство воды на нужды горячего водоснабжения (ГВС) и на подогрев и охлаждение воды в бассейнах для жилых и производственных зданий и зданий общественного назначения (детские сады, школы, поликлиники, больницы, медицинские центры, церкви, музеи, бизнес-центры, гостиничные и спортивные комплексы, рестораны, автостоянки, паркинги и др.);
• системы тепло(холодо)снабжения зданий и сооружений гражданского, церковного и оборонного назначения, удаленных от источников централизованного теплоснабжения (фермерские хозяйства, животноводческие комплексы, птицефабрики, молочные фермы, рыбоводные заводы, тепличные комплексы, метеостанции, церковные храмы и обители, таможенные и пограничные посты, специальные фортификационные сооружения (СФС) пусковых комплексов, жилые и общественные здания нового строительства и др.);
• системы тепло(холодо)снабжения общественных туалетов, кафе и ресторанов, расположенных в лесопарковой зоне;
• системы тепло(холодо)снабжения зданий и сооружений гражданского, церковного и оборонного назначения, расположенных в непосредственной близости от источников низкопотенциального тепла (сбросное тепло обратных магистралей ТЭЦ, трубопроводы канализационных стоков, водные бассейны океанов, морей, рек, водоемов и озер и др.);
• системы тепло(холодо)снабжения Центров курортного отдыха и Гостиничных комплексов с забором морской воды на расстоянии от берега, ориентировочно, 200-400м и на глубине 12-15м и с последующим возвратом части морской воды после промежуточных теплообменников тепловых насосов в прибрежную зону моря и использования остальной части для плавательных бассейнов с морской водой;
• системы технологического подогрева воды в бассейнах для выращивания рыб (форель, лосось и др.), работающих по проточной или замкнутой схемам водоснабжения, на рыбоводных заводах;
• системы поддержания микроклимата в теплицах и тепличных комплексах для выращивания растительных культур (сеянцы/рассада, овощи, фрукты, цветы и др.);
• системы обогрева и кондиционирования стойловых помещений, теплоснабжения производственных помещений, охлаждения свежевыдоенного молока, нагрева воды для технологических нужд и ГВС на животноводческих комплексах и молочных фермах;
• системы теплоснабжения устройств антиобледенения и снеготаяния тротуаров, кровель зданий, площадок открытых автостоянок, пандусов складских комплексов, спортивных площадок, взлетно-посадочных полос аэродромов и железнодорожных платформ;
• системы тепло(холодо)снабжения подвижных составов метрополитена и железных дорог, речных, морских судов и плавательных средств, плавающих домов;
• системы обогрева резервуаров моторных масел и мазута;
• системы утилизации тепла ВЭР промышленных предприятий и энергетических комплексов, включая АЭС, а также коге- и тригенерационные установки для выработки электроэнергии, тепла и холода.

5. Комплекс проектных и строительно-монтажных услуг

5.1 Обследование объекта проектирования и/или анализ исходных данных для проектирования.

5.2 Разработка Технического задания на проектирование с выбором оптимальной теплотехнической схемы установки тепловых насосов типа:

• «воздух-вода»
• «воздух-воздух»
• «вода-вода» («грунт-вода»)
• «вода-воздух» («грунт-воздух»)

ведущих зарубежных и отечественных компаний :

- FRIOTHERM (Швейцария: www.friotherm.com )

- THERMEA.ENERGIESYSTEME (Германия: www.thermea.de )

- ITOMIC (Япония: www.itomic.co.jp/english/ )

- MAYEKAWA (Япония: www.mayekawa.com )

- NIBE AB (Швеция: www.nibe.comwww.nibe-evan.ru )

- CTC (Швеция: www.ctc-heating.com )

- WATERKOTTE(Германия:www.waterkotte.atwww.g-term.czwww.rosteplocom.ru)

- SmartHeat (Германия:www.smartheat.de)

- OСHSNER (Австрия: www.ochsner.atwww.geoteplo.com.ua )

- MITSUBISHI ELECTRIC (Япония: www.mitsubishi-aircon.ruwww.zubadan.ru )

- CIAT (Франция: www.ciat.comwww.ciat.ru )

- CARRIER (США,Франция: www.carrier.comwww.carrier.itwww.carrier.grwww.carrier.nl )

- EKOTEPLO (Украина: www.ekoteplo.com )

- ЭЙРКУЛ (Россия: www.aircool.su )

- НПФ «ЭКИП» (Россия: www.ekip-projects.ru )

или других зарубежных и отечественных изготовителей с учетом пожеланий Заказчика и экономической целесообразности.

5.3 Разработка предпроектных технико-коммерческих предложений.

5.4 Разработка концепции (стадия «К») и технико-экономическое обоснование (стадия «ТЭО»).

5.5 Разработка проектной (стадия «ПД»), сметной (стадия «СД») и/или рабочей документации (стадия «РД») с разделами: технологические решения (ТХ: геотермальные зонды с наружными трубопроводами низкопотенциального тепла), тепломеханические решения (ТМ), автоматизация и диспетчеризация (АТМ), силовое электрооборудование (ЭМ).

5.6 Экспертиза проектно-сметной документации в составе общего раздела проекта инженерного обеспечения, разрабатываемого Генпроектировщиком, в Управлении Государственной экспертизы.

5.7 Согласование, при необходимости, ПД и/или РД с согласующими и инспектирующими государственными органами (МТУ Ростехнадзора, энергоснабжающие организации, Комитет по природоиспользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности, Территориальном Управлении Федерального агентства по водным ресурсам и др.)

5.8 Поставка оборудования, установка тепловых насосов и систем автоматизации и диспетчеризации, выполнение прочих строительно-монтажных и пуско-наладочных работ.

5.9 Сдача объекта в эксплуатацию.

6. Реализация тепло(холодо)снабжения зданий Комплекса Отдыха
на базе тепловых насосов.

6.1 Общие сведения

ЗАО «НТО «ГАЛАКС» в 2009-2010г.г. разработало проектную, сметную и рабочую документацию для тепло(холодо) снабжения зданий Комплекса Отдыха.

Отличительной особенностью технических решений данного проекта является использование в качестве источника тепло(холодо) снабжения высокоэффективных тепловых насосов фирмы «NIBE» (Швеция) с грунтовыми теплообменными (геотермальными) зондами и модулей «пассивного» охлаждения.

На проектно-сметную документацию теплового пункта с тепловыми насосами в составе общего раздела проекта инженерного обеспечения зданий, выполненного Генеральным проектировщиком ООО «ПроектСтройСервис», получено положительное заключение Управления Государственной экспертизы.

Нагрузки тепло(холодо)снабжения для основного здания составили: 300кВт (тепло) и 107кВт(холод).

Силами специалистов ЗАО «НТО «ГАЛАКС» изготовлены силовой шкаф и шкаф управления системы автоматизации и диспетчеризации тепло(холодо)снабжения основного здания, осуществлено программирование контроллеров программно-аппаратного комплекса «КОНТАР», выполнена наладка системы автоматизации и диспетчеризации.

Источник тепло(холодо) снабжения на базе тепловых насосов мощностью 300 кВт (тепло) и 107 кВт (холод)

6.2 Технологические решения

В индивидуальном тепловом пункте (ИТП) основного здания применены промышленные высокотемпературные тепловые насосы фирмы «NIBE» серии «FIGHTER-1330-60kW» 5шт. по 60 кВт с отопительным коэффициентом СОР (coefficient of performance – отношение тепловой мощности к потребляемой электрической мощности компрессора теплового насоса) не менее 2,7, что обеспечивает использование низкопотенциального тепла грунта Земли с удельной выработкой не менее 2,7 кВт тепловой энергии для систем теплопотребления здания при затратах электрической мощности в 1 кВт. Температурный график теплоносителя тепловых насосов: 65/58^оС.

Системы теплопотребления здания (отопление, вентиляция, теплообменники ГВС и подогрева воды в бассейне) подключены к тепловым насосам через теплоаккумулятор (гидравлический разделитель).

В первичных контурах тепловых насосов, подключенных через распределительные колодцы к геотермальным зондам, с помощью одинарных насосов осуществляется циркуляция теплоносителя низкопотенциального тепла – антифриза (33% водный раствор пропиленгликоля).

В тепловых насосах осуществляется перевод (трансформация) низкопотенциального тепла антифриза (Т=+5ºС) первичного контура в высокопотенциальное тепло теплоносителя (до Т=+65ºС) вторичного контура за счет парокомпрессионного цикла на фреоне R410A.

К первичным контурам тепловых насосов дополнительно подключены модули «пассивного» охлаждения, выполненные на базе паяных теплообменников , 3-х ходовых регулирующих клапанов, одинарных насосов для вторичного контура, запорной арматуры и КИП. Эти модули предназначены для охлаждения воды систем кондиционирования здания за счет передачи теплоты грунту через грунтовые теплообменные зонды. Температурный график в системе кондиционирования здания: 9/14^оС.

Работа системы «пассивного» охлаждения в отопительный и межотопительный периоды обеспечивает «отогрев» грунта и дополнительное накопление теплоты глубинными массивами грунта, что в конечном итоге повышает отопительный коэффициент (COP) теплового насоса.

Отличительной особенностью данного проекта явилось необходимость размещения пяти тепловых насосов, модулей «пассивного» охлаждения и другого вспомогательного оборудования в техническом помещении размерами в плане 3500х4230 мм. Для реализации такой компоновки использовано размещение оборудования, не входящего в состав тепловых насосов, в технологических металлических шкафах, что в целом обеспечило компактность индивидуального теплового пункта с тепловыми насосами.

Помещение теплового пункта оборудовано приямком с дренажным самовсасывающим насосом и кондуктометрическим датчиком уровня, сигнализатором утечки фреона, фэнкойлами, подключенными к системе «пассивного» охлаждения, для отвода теплоизбытков в летний период, а также приточно-вытяжной вентиляцией с механическим побуждением.

6.3 Автоматизация и диспетчеризация

Автоматизация и диспетчеризация индивидуального теплового пункта основного здания выполнена на базе встроенных в тепловые насосы специализированных контролеров и контроллеров МС8 с модулем расширения МЕ20 программно-аппаратного комплекса «КОНТАР».

Управление модулями «пассивного» охлаждения» обеспечивают свободно-программируемые контроллеры МС8 , смонтированные в металлическом шкафу управления системы автоматизации и диспетчеризации.

Контроллеры МС8 обеспечивают также управление сдвоенным циркуляционным насосом с частотным приводом, предназначенным для подачи теплоносителя на распределительный коллектор систем теплопотребления, и дренажным насосом для откачки воды из приямка в канализацию.

Кроме того, на основе этих контроллеров построена местная диспетчеризация системы теплоснабжения, предназначенная для сбора, архивирования измерительной информации, управления оборудованием и отображения в реальном режиме времени параметров работы индивидуального теплового пункта с тепловыми насосами на жидкокристаллической 15-ти дюймовой панели управления фирмы «Weintek» (Тайвань). При этом технически возможна передача всей информации и параметров на верхний уровень системы диспетчеризации инженерного оборудования Оздоровительной базы.

Управление тепловыми насосами осуществляется встроенными в них специализированными контроллерами.

Все пять контроллеров тепловых насосов соединены между собой информационной сетью, в которой один контроллер является ведущим (Master), а остальные ведомыми (Slaves). Алгоритм работы контроллеров тепловых насосов обеспечивает поддержание требуемой температуры в подающем трубопроводе за счет циклов включения/выключения компрессоров с учетом температуры в обратном трубопроводе.

Автоматика ИТП обеспечивает возможность независимого включения каждого модуля «пассивного» охлаждения.

Автоматизация и диспетчеризация обеспечивают дополнительно следующие функции:

• определение количество включенных в данный момент модулей «пассивного» охлаждения ;
• включение/выключение насосов контура «пассивного» охлаждения и подачи холодоносителя на коллектор системы кондиционирования ;
• поддержание требуемой температуры воды для системы кондиционирования с помощью 3-х ходового регулирующего клапана и путем подключения/отключения контуров циркуляции антифриза.

Автоматизация и диспетчеризация имеют экранный интерфейс, выполненный в виде мнемосхемы индивидуального теплового пункта с тепловыми насосами на жидкокристаллической панели управления.

Ниже приведены изображения некоторых экранов пульта управления системы автоматизации и диспетчеризации.

Нами разработана звуковая видео-иллюстрация работы системы автоматизации и диспетчеризации основного здания Комплекса Отдыха, увидеть и услышать звуковую видео-иллюстрацию можно здесь>>