Автор В.Ф. Гершкович, канд. техн. наук, Центр энергосбережения КиевЗНИИЭП

Теме использования тепловых насосов для теплоснабжения зданий посвящается все большее количество статей в технических изданиях, но они посвящены, главным образом, пропаганде этого направления. Научные исследования в этой области у нас не проводятся, а зарубежные фирмы, прикладывающие немало усилий для того, чтобы убедить отечественных клиентов в привлекательности тепловых насосов, не утруждают себя распространением научной информации о физических характеристиках тех или иных деталей теплонасосных систем теплоснабжения. Полное отсутствие отечественного опыта в сфере применения тепловых насосов не оставляло нам никаких надежд на то, что такого рода информация станет доступной широкому кругу специалистов, проявляющих интерес к этой теме.

Когда в 2006 году была изготовлена по разработанной в Центре энергосбережения КиевЗНИИЭП конструктивной схеме опытная установка с тепловым насосом, использующим теплоту канализационных стоков жилого дома и теплоту грунта, появилась возможность получить опытным путем некоторые физические характеристики этой установки. В течение полугода собирались данные измерений различных параметров, и теперь можно реально увидеть многое из того, о чем прежде можно было утверждать только предположительно.

Эти исследования не претендуют на полноту, потому что тепловая мощность установленного теплового насоса была недостаточной для того, чтобы он мог полностью обеспечивать все потребности здания в горячей воде в зимний период, когда температура водопроводной воды была близка к нулю градусов. Зимой вместе с тепловым насосом работал параллельно включенный теплообменник, в котором вода подогревалась теплоносителем из тепловой сети, и тепловой насос автоматически включался лишь в часы повышенного водоразбора.

Тем не менее, полученные в результате исследований данные, в особенности, относящиеся к работе сточно-гликолевого теплообменника, могут быть интересны специалистам, поскольку сами теплообменники такого рода в литературе не описаны, и уж совсем было неведомо, на что они способны.

1. Испытательный стенд

В работе [1] описаны назначение и особенности установки горячего водоснабжения общежития аспирантов КиевЗНИИЭП, где было проведено исследование работы теплового насоса, работающего на низко-потенциальной энергии грунта и канализационных стоков. На рис. 1 представлена схема фрагмента теплового пункта этого здания, который использовался в качестве испытательного стенда для исследования теплового насоса.

Два сточно-гликолевых теплообменника 1 , выполненные из нержавеющих коаксиально установленных труб диаметром 100 и 125 мм, работают в общем циркуляционном контуре с 60-тью грунтовыми теплообменниками 2 , выполненными из полиэтиленовых U-образной формы труб диаметром 14 мм, погруженных в грунт трехметровыми петлями. Водный раствор этиленгликоля циркулирует посредством насоса 6 между источниками низко-потенциального тепла 1 и 2 и испарителем теплового насоса 5. При работе компрессора теплового насоса в его конденсаторе подогревается вода, циркулирующая при помощи насоса 7 , подающего подогретую воду в баки-накопители 9 . Параллельно конденсатору теплового насоса установлен теплообменник 3 , присоединенный по греющей воде к узлу ввода тепловой сети 4. Для регулирования теплового потока, кроме регулятора, встроенного в тепловой насос 5 , использованы регуляторы 11 , 12 и 13 .

Регулятор, встроенный в тепловой насос 5 , настроен для работы в системе горячего водоснабжения таким образом, что он автоматически включает компрессор теплового насоса при температуре поступающей на конденсатор воды ниже 26 °С, а при поступлении из бака воды с более высокой температурой компрессор автоматически отключается. Таким образом, если баки-накопители настолько заполнены горячей водой, что в самой холодной точке бака температура превышает 26 °С, то тепловой насос работать не будет.

Другой автомат, встроенный изготовителем в тепловой насос, не позволит компрессору по условиям его защиты включится ранее, чем через 7 минут после того, как он выключился. Поэтому в схему включен электромагнитный клапан 12 , который сблокирован с компрессором теплового насоса так, что при работе компрессора он открыт, а при останове клапан закрывается. Если бы этого клапана не было, то холодная вода могла бы в течение семи минут, свободно протекая через конденсатор неработающего теплового насоса, поступать прямо в самую горячую часть бака-накопителя, в результате чего жители, принимающие теплый душ, могли внезапно оказаться под струей холодной воды. Конструктивно клапан 12 выполнен с возможностью пропуска небольшого расхода воды при закрытом клапане. Это сделано для того, чтобы датчик температуры встроенного в тепловой насос регулятора мог уловить момент, когда на конденсатор начнет поступать пода с температурой ниже 26 °С, чтобы тепловой насос мог вовремя включиться.

Температура холодной воды, поступающей на подогрев в конденсатор теплового насоса, изменяется в интервале от 1 до 26 °С, в то время как температура подогретой воды должна находиться в более узком диапазоне допустимых температур 50…55 °С.

Обеспечить такой диапазон удалось при помощи регулятора температуры прямого действия 11 и ручного балансировочного вентиля на байпасной линии. Головка балансировочного вентиля установлена таким образом, что при открытии электромагнитного клапана 12 в то время, когда клапан 11 закрыт, через балансировочный вентиль проходит минимальный расход воды. Если бы байпаса не было, то при пуске компрессора и отсутствии протока воды через конденсатор сработал бы автомат защиты, который при повышении давления конденсации холодильного агента отключает компрессор без возможности последующего автоматического запуска.

При наличии байпасной линии холодная вода сразу после пуска компрессора начинает поступать на подогрев в небольшом объеме, ограниченном положением балансировочного вентиля. Через несколько секунд, после того как температура подогретой воды достигнет 50 °С, автоматически и постепенно открывается регулятор температуры прямого действия 11 , и расход подогреваемой воды увеличивается, в то время как ее температура остается все время на уровне 50…55 °С. Регулятор 11 поддерживает эту температуру в течение всего времени работы компрессора, увеличивая расход нагреваемой воды при повышении температуры и уменьшая его при понижении температуры. Компрессор теплового насоса выключится автоматически при поступлении на подогрев из бака-накопителя 9 относительно теплой (26 °С) воды.

Как только это произойдет, через автоматически закрывшийся электромагнитный клапан 12 начнет просачиваться небольшое количество не подогретой воды. Это обусловит закрытие клапана 11 , и только балансировочный клапан на байпасе будет находиться всегда в частично открытом зафиксированном положении. Циркуляционные насосы 6 и 7 работают безостановочно. При случайной остановке насоса 6 встроенное в тепловой насос реле протока не позволит ему включиться. Насос 7 подает воду не только в конденсатор теплового насоса, но и в теплообменник 3 , тепловая мощность которого регулируется клапаном 13 по обычной для тепловых пунктов схеме.

Основными теплофизическими параметрами теплонасосной установки являются расходы и температуры жидкостей, циркулирующих в различных контурах. Расходы сточной воды в канализационных трубах измерить практически невозможно, но они определялись косвенным путем на основе теплового баланса сточно-гликолевого теплообменника.

Расходы водного раствора этиленгликоля измерялись по разности давления до и после балансировочных вентилей 10 , дросселирующие органы которых были зафиксированы в положениях с известной пропускной способностью.

Для измерения температур жидкостей были установлены датчики температуры ДТ1…ДТ5 в местах, указанных на рис. 1 . Электронные датчики системы Smart Reader записывали температуры через каждые 10 минут в течение 200 дней с августа 2006 по февраль 2007 года. После снятия датчиков со стенда значения температур были переписаны с помощью компьютерной программы Trend, трансформированы в Excel и представлены графически.

2. Температурные кривые термотрансформации

Рис. 2 наглядно демонстрирует, как изменялись 17 августа 2006 года температуры жидкостей, участвовавших в процессе преобразования тепловой энергии в тепловом насосе. Температуры сточной жидкости дважды показаны на одном рисунке, для того чтобы можно было более четко рассмотреть в более крупном масштабе (на верхней части рисунка) характер изменения температур.

По кривым рис. 2 , графически отобразившим показания температурных датчиков ДТ1…ДТ5 , нетрудно воссоздать динамику процессов преобразования теплоты, происходивших в тот день.

Тепловой насос отключился за несколько минут до полуночи, и в течение шести ночных часов он не работал, потому что баки-накопители были заполнены горячей водой.

Только примерно без двадцати три кто-то из жителей, принявших среди ночи душ, вызвал кратковременное понижение температуры воды на входе в тепловой насос, который при этом автоматически включился, но ненадолго.

В 5.45 утра проснулись самые активные жители, и начался водоразбор. Холодная вода устремилась в конденсатор теплового насоса, в результате чего он автоматически включился, и температура охлажденного этиленгликоля начала понижаться. До без четверти восемь тепловой насос дважды отключался на короткое время, (скорее всего, на семь минут, предусмотренных заводскими установками программы управления) и это видно по характеру изменения температур этиленгликоля. После этого тепловой насос работал беспрерывно вплоть до 11.30, когда после утреннего пикового водоразбора баки заполнились горячей водой, что послужило сигналом для его отключения.

Вечерний раунд активной работы теплового насоса начался примерно в 16.30, а до этого времени он включался всего лишь несколько раз и ненадолго. Этот раунд длился вплоть до полуночи, когда баки заполнились горячей водой после вечернего пикового водоразбора. В течение этого периода тепловой насос несколько раз отключался, но после 20.30 уже никаких отключений не было, и тепловой насос работал с полной отдачей.

За несколько минут до полуночи тепловой насос, исправно выполнявший в течение дня свою необычную работу, отключился до утра.

3. Летний режим

Температура в канализационной трубе в течение ночи оставалась на уровне 23 °С, потому что было лето, и вода из водопровода, попадающая в небольшом количестве в канализацию через неплотности смывных бачков, имела примерно такую же температуру. В дальнейшем температура стоков, поступающих в греющий контур сточно-гликолевого теплообменника, изменялась в диапазоне от 23 до 31 °С, а температура стоков, покидающих дом, была на 1…4 градуса ниже.

Колебания температур сточной жидкости носят случайный характер, и уложить эти колебания в рамки строгих математических зависимостей вряд ли возможно. Самые теплые стоки отмечены во время пиковых водоразборов, и это вполне естественно, а достаточно резкие колебания температур в это время можно объяснить тем, что потребителей горячей воды в доме, где проживает 150 человек, относительно немного, и влияние каждого открытого крана здесь более заметно, чем это было бы в большом доме.

Температура охлажденного этиленгликоля в день 17 августа колебалась от 8 до 19 °С. Эти значения можно рассматривать как равновесные в режимах работающего и остановленного теплового насоса. Продолжительность выхода на низшую (8 °С) равновесную температуру — около 2,5 часов (от 5.45 до 8.15), а на высшую (19 °С) — примерно два часа (от 11.30 до 13.30). В течение суток 17 августа тепловой насос работал 12 часов и 45 минут.

В отличие от режима активного охлаждения теплообменников, когда температура на входе этиленгликоля в теплообменники была самой низкой в системе, в режиме повышения температур, возникшем при остановке теплового насоса, самой низкой температурой становится температура этиленгликоля после грунтового теплообменника.

Это происходит из-за того, что при работающем тепловом насосе на температуру этиленгликоля оказывают воздействие три теплообменных аппарата — испаритель, а также грунтовый и сточно-гликолевый теплообменники, в то время как при неработающем компрессоре испаритель исключен из этого процесса, и теплообмен происходит между грунтом и стоками. Реализуется этот процесс при посредничестве этиленгликоля, который при неработающем компрессоре продолжает циркулировать в своем контуре, играя роль промежуточного теплоносителя.

Как оказалось, важность этой роли трудно переоценить, потому что, благодаря именно этой необычной* роли, постоянно подогреваемый теплыми стоками грунт легко восстанавливает свой температурный потенциал, способствуя работе теплового насоса с неизменно высоким коэффициентом преобразования. Известно, что грунтовые теплообменники, охлаждающие грунт постоянно в течение зимы, к концу отопительного сезона обрастают ледяными наростами, что заметно ухудшает коэффициент преобразования теплового насоса, и даже за летний период изначальный тепловой потенциал грунта не всегда восстанавливается полностью. В нашей схеме достаточно двух с половиной часов, в течение которых тепловой насос «отдыхает», для того, чтобы грунт восстановил свою естественную температуру, которая, как это видно из кривых на рис. 2 , находится вблизи +17 °С. Напомним, что в данном случае речь идет не о грунте вообще, а о трехметровом слое грунта, расположенном непосредственно под пятном здания.

На рис. 2 не нанесены температуры воды на выходе из конденсатора теплового насоса, которые автоматически поддерживались на уровне 47…52 °С.

4. Поздней осенью…

Изначально тепловой насос общежития аспирантов предназначался для работы в летний период с использованием теплоты атмосферного воздуха. С этой задачей он успешно справлялся в течение восьми лет, и после подключения новых источников низкопотенциальной теплоты его эффективность при работе в летний период еще более повысилась.

К концу осени экспериментальный тепловой насос, номинальная тепловая мощность которого составляет всего 25 кВт, перестал справляться с задачей обеспечения бесперебойного горячего водоснабжения шестиэтажного общежития, для которого по действующим нормам проектирования необходим (с учетом имеющихся емкостей) водоподогреватель мощностью 35 кВт. Когда вода стала поступать из городского водопровода с температурой 10 °С и ниже, в конденсаторе не удавалось подогревать ее до температуры 50 °С. Поэтому зимой параллельно тепловому насосу был включен водоподогреватель, работающий на сетевой воде ТЭЦ, и день 17 ноября был последним днем поздней осени, когда тепловой насос грел воду самостоятельно ( рис. 3 ).

Только к двум часам ночи баки-аккумуляторы заполнились горячей водой в этот день поздней осени, и это дало возможность отключиться тепловому насосу, но уже в 6 часов утра он снова включился, работая практически безостановочно до трех часов ночи следующего дня. В отличие от летнего дня, когда температура этиленгликоля не понижалась ниже +7 °С, теперь его самая низкая температура достигала -1 °С. Именно при такой температуре устанавливалось в конце ноября тепловое равновесие в теплообменной системе «грунт-этиленгликоль». Самая высокая температура этиленгликоля не превысила 15,5 °С, и это на 3,5 градуса ниже, чем в августе. Температура в канализационной трубе опускалась до 14 °С, потому что водопроводная вода, попадающая в канализацию, в основном, через неплотности смывных бачков, имея изначальную температуру около 8 °С, подогревалась в неизолированных трубопроводах водоснабжения, в смывных бачках, а также в канализационных стояках, проходящих через отапливаемые помещения. В течение суток температура стоков, поступающих в греющий контур сточно-гликолевого теплообменника, изменялась в диапазоне от 14 до 30 °С, а температура стоков, покидающих дом, была на 0,5…3 градуса ниже.

Верхний температурный уровень грунтового массива понизился по сравнению с летним периодом от 17 до 14 °С. Так же, как и летом, температура грунта успевает восстановиться до верхнего уровня во время ночного перерыва в работе теплового насоса, правда, для этого потребовалось не два с половиной, а четыре часа, потому что период активного охлаждения более продолжителен, чем летом.

Продолжительность выхода на равновесные температуры составила около 4 часов (от 6 до 12 в режиме активного охлаждения и от 2 часов ночи до 6 утра в режиме «отдыха»).

В течение суток 17 ноября тепловой насос работал 20 часов. Температуры воды на выходе из конденсатора теплового насоса в этот период поддерживались на уровне 44…47 °С.

5. В разгар зимы

Чтобы поднять температуру горячей воды на нормативный (50…55 °С) уровень, пришлось призвать на помощь теплосеть, задействовав теплообменник 3 ( рис. 1 ). Начиная с 18 ноября, в течение всей зимы тепловой насос автоматически включался только в часы пикового водоразбора. На рис. 4 показано, как изменялись температуры жидкостей, участвовавших в процессе преобразования тепловой энергии в тепловом насосе в течение суток 31 января.

Температура стоков в канализационной трубе ночью снижалась до 7 °С, потому что попавшая в канализацию водопроводная вода с изначальной температурой около 2 °С подогревалась в трубопроводах, проложенных внутри дома. В течение суток температура стоков, поступающих в греющий контур сточно-гликолевого теплообменника, изменялась в диапазоне от 7 до 32 °С, а температура стоков, покидающих дом, была на 0,5…4 градуса ниже.

Температура охлажденного этиленгликоля в день 31 января колебалась от 4 до 20 °С. Эти значения рассматриваются как равновесные в режимах работающего и остановленного теплового насоса. Продолжительность выхода на низшую равно весную температуру составляет примерно 2,5 часа, а на высшую — около пяти с половиной часов. Период активного использования низкопотенциальных источников энергии в это время года не превышал 7 часов в сутки. Вода в конденсаторе теплового насоса подогревалась при этом до 50…58 °С. ■