Киевская городская государственная администрация приняла решение об альтернативном теплоснабжении одной из школ Оболонского района от тепловых насосов с использованием теплоты грунта. При этом замена существующей системы отопления пока не планируется. В перспективе здание школы должно быть утеплено.

Школа, построенная в 70-х годах прошлого столетия, получает тепловую энергию от ТЭЦ-6. Отапливаемая площадь 6160 м2. Согласно проекту тепловая энергия должна потребляться системами отопления мощностью 342 930 ккал/ч, горячего водоснабжения мощностью 248 000 ккал/ч и вентиляции мощностью 215 400 ккал/ч. Фактически приточные вентиляционные системы в школе отсутствуют. Смонтированная по проекту система отопления сохранилась, но большинство чугунных радиаторов заменены на биметаллические, а стальные трубы — на полимерные. В тепловом пункте школы установлен модульный тепловой пункт с теплосчетчиком. Фактическое потребление тепла в 2010 году составляло 715,35 Гкал, в том числе в январе 2010 года — 162,5 Гкал, а в мае (только горячее водоснабжение) — 6,81 Гкал.

Более детальный анализ показателей фактического потребления тепла показывает, что максимальный расход сетевой воды составляет 6,7 м3/ч. При расчетной разности температур в тепловой сети 150 – 70 = 80 °С это отвечает расчетной тепловой мощности 0,536 Гкал/ч, или 623 кВт, что на 56% больше проектной тепловой мощности. Это означает, что теплоснабжающая организация, исходя из фактических нужд здания, увеличила лимит потребления относительно проектных данных, и тепловые мощности тепловых насосов должны учитывать это увеличение.

Расчетная тепловая мощность существующей системы отопления 623 кВт будет обеспечена, если в нее будет подаваться теплоноситель с расчетными температурами 95-70 °С. При работе теплового насоса максимальные температуры теплоносителя не превысят 55-45 °С. Тепловая мощность QTH, кВт, системы отопления, работающей от теплового насоса, может быть рассчитана по формуле:

где QР — тепловая мощность существующей системы отопления, работающей от тепловой сети, кВт;
QР = 623 кВт.
t1 и t2 — температуры теплоносителя при работе от теплового насоса, °С.
t1 = 55; t2 = 45;
T1 и T2 — температуры теплоносителя при работе от теплового пункта, °С. T1 = 95; T2 = 70;
n — экспонента отопительных приборов; n = 1,3.

Фактическое, измеренное теплосчетчиком потребление тепла системой горячего водоснабжения, составляет 6,81 Гкал в месяц. Горячая вода потребляется на протяжении 22 рабочих дней. Таким образом, за сутки потребляется 6,81 / 22 = 0,31 Гкал, а средняя за час тепловая мощность составляет 0,31 / 24 = 0,013 Гкал/ч, или 15,1 кВт.

Для отопления школы выбирается тепловой насос, холодильная, тепловая и электрические мощности которого в различных режимах показаны в табл. 1.

В течение короткого времени работы теплового насоса в расчетном режиме его коэффициент преобразования будет находиться в диапазоне значений 2,6…2,5, однако в течение большей части отопительного периода (средний режим) он будет увеличиваться до 3,6.

В режиме наибольшей нагрузки должны работать три тепловых насоса общей тепловой мощностью 374 кВт, что на 15% превышает тепловую мощность существующей системы отопления при температурах теплоносителя 55-45 °С .

На протяжении большей части отопительного периода должны работать один или два тепловых насоса в зависимости от погоды.

Для системы горячего водоснабжения выбирается отдельный тепловой насос. Такое решение обосновано двумя факторами:

1. На протяжении большей части отопительного периода отопительные тепловые насосы будут работать при температурах конденсации, которые недостаточны для системы горячего водоснабжения.
2. Нет смысла включать весьма мощные отопительные тепловые насосы в мае–сентябре, когда отопление не работает.

Для горячего водоснабжения школы выбирается тепловой насос, холодильная, тепловая и электрическая мощности которого в режиме подогрева воды в конденсаторе до температуры 55 °С составляют, соответственно, 14, 22,7 и 8,7 кВт. Будет работать один тепловой насос вместе с аккумуляционной емкостью, что обеспечит нужды горячего водоснабжения школы с запасом 150% .

Неотъемлемой частью системы теплоснабжения школы останется тепловой пункт. Через него тепловая энергия будет подаваться:

• при сильных морозах, когда температура теплоносителя +55 °С в системе отопления будет недостаточной для нормального отопления здания. Этого режима можно будет избежать после надлежащего утепления наружных стен и крыши школы;
• в случае выхода из строя тепловых насосов.

Таким образом, системы отопления и горячего водоснабжения школы должны работать от двух тепловых источников, а именно, от тепловых насосов и от тепловой сети. Это вызывает потребность переоборудовать тепловой пункт с обеспечением независимого от тепловой сети присоединения системы отопления, а также соответствующей реконструкции системы приготовления воды для горячего водоснабжения.

Источником тепла для тепловых насосов являются вертикальные грунтовые теплообменники, которые должны проектироваться в зависимости от свойств грунта на объекте. В связи с отсутствием данных геологических изысканий на глубине до 100 м, общая длина скважин, в которые будут установлены спаренные теплообменники, принимается из предположения, что удельный тепловой поток от грунта к теплообменнику, работающему в системе отопления, q0 = 50 Вт/м, что отвечает средним показателям работающих систем. Для системы горячего водоснабжения удельный тепловой поток от грунта принимается qГВС = 40 Вт/м в связи с практически беспрерывным на протяжении года охлаждением грунта.

Общая длина LО, м, скважин, которые будут работать на систему отопления, рассчитывается по формуле:

где n — количество одновременно работающих тепловых насосов в режиме наибольшей нагрузки; n = 3;

QX — холодильная мощность, Вт, одного теплового насоса в режиме наибольшей нагрузки, которая равняется (табл. 1) 77 200 Вт;
Общая длина LГВС, м, буровых скважин, которые будут работать на систему горячего водоснабжения, рассчитывается по формуле:

где m — количество одновременно работающих тепловых насосов; m = 1;
QX — холодильная мощность, Вт, одного теплового насоса, которая равняется 14 000 Вт;
qГВС — удельный тепловой поток от грунта, который принят 40 Вт/м.

Таким образом, потребуется 48 скважин глубиной 100 м каждая для нужд отопления и 4 скважины той же глубины для нужд горячего водоснабжения. Шаг скважин 6 м.
Принципиальная схема отопления показана на рис. 1.

Патрубки испарителей тепловых насосов 1 присоединены к насосу 2, который обеспечивает циркуляцию водного раствора пропиленгликоля между испарителями и грунтовым теплообменником 4. Подогретая в конденсаторах тепловых насосов вода циркуляционными насосами 3 подается в гидравлическую стрелку 5, откуда она насосом 6 распределяется по ветвям существующей системы отопления СО. При необходимости насос 6 будет подавать теплоноситель системы отопления к теплообменнику 7, который обогревается теплоносителем централизованной системы теплоснабжения через тепловой пункт ИТП.

Температура в подающем трубопроводе системы отопления, которая фиксируется датчиком температуры Dt1, должна поддерживаться соответственно температурному графику в зависимости от температуры наружного воздуха, которая измеряется датчиком Dt2. В начале отопительного периода включается насос 2, который должен работать беспрерывно, пока работает хотя бы один компрессор теплового насоса. Через 5 минут должен включиться один из компрессоров теплового насоса, а также соответствующий насос 3 конденсатора. При этом автоматизированный запорный вентиль 10 открыт, а вентили 11 закрыты. Если при работе одного теплового насоса не удается поддерживать необходимую температуру в подающем трубопроводе тепловой сети, автоматически включается второй и третий тепловые насосы вместе с соответствующими насосами 3. При сильных морозах, если при работе всех тепловых насосов температура теплоносителя в подающем трубопроводе системы отопления останется недостаточной, все компрессоры тепловых насосов, а также насосы 2 и 3 выключаются, автоматизированный запорный вентиль 10 закрывается, а вентили 11 приоткрываются. При этом необходимая температура в подающем трубопроводе системы отопления поддерживается при работе электрического регулирующего клапана 12, который подает теплоноситель тепловой сети к теплообменнику 7.

После повышения температуры наружного воздуха к уровню, при котором были отключены тепловые насосы, должен быть включен насос 2. Через 5 минут должны включиться все компрессоры тепловых насосов и насосы 3, открыться вентиль 10, а вентили 11 закрыться. При дальнейшем повышении температуры наружного воздуха должны отключаться компрессоры и соответствующие насосы 3 тепловых насосов.

Принципиальная схема горячего водоснабжения показана на рис 2. Патрубки испарителя теплового насоса 1 присоединены к насосу 2, который обеспечивает циркуляцию водного раствора пропиленгликоля между испарителем и грунтовым теплообменником 4. Подогретая в конденсаторе теплового насоса вода циркуляционным насосом 3, который имеет встроенные приборы частотного регулирования, подается в баки 6, откуда она под давлением городского водопровода В подается в существующую систему горячего водоснабжения ГВС. При отсутствии разбора горячей воды она накапливается в баках 6, которые постепенно заполняются горячей водой. При максимальных расходах горячей воды она вытесняется холодной водой из баков в систему ГВС.

При необходимости горячая вода в систему может подаваться также от теплообменника ТО существующего ИТП. Температура в трубопроводе подогретой в тепловом насосе 1 воды, которая фиксируется датчиком температуры Dt1, должна постоянно поддерживаться на уровне +55 °С. Перед началом работы теплового насоса 1 включается насос 2, который должен работать в продолжение дня беспрерывно. Через 5 минут должен включиться компрессор теплового насоса 1, а также насос 3 конденсатора. Насос 3, который имеет встроенные приборы частотного регулирования, изменяет количество оборотов ротора с тем, чтобы датчик температуры Dt1 фиксировал постоянную температуру + 55 °С. Если из бака 6 поступает холодная вода (например, после окончания периода пикового разбора воды), то число оборотов насоса должно быть минимальным, а при подаче из бака 6 более теплой воды, число оборотов должно увеличиваться. Если из бака 6 поступает вода с температурой 50 °С, которая фиксируется датчиком температуры Dt2, это означает, что баки 6 заполнены горячей водой, В этом случае компрессор теплового насоса 1, а также насос 3 должны быть автоматически отключены. Через 20 минут после автоматического отключения компрессор теплового насоса 1 и насос 3 должны автоматически включиться снова.

Если из бака 6 подается вода с температурой 50 °С после 7 часов вечера, должны быть автоматически отключены не только компрессор теплового насоса 1 и насос 3, но и насос 2. На следующий день (если это не выходный или каникулярный день) в 5 часов утра должны автоматически включиться насос 2, а через 5 минут компрессор теплового насоса 1 и насос 3 конденсатора.

Сопоставимые технико-экономические характеристики систем теплоснабжения школы представлены в табл 2. Таким образом, после установки тепловых насосов бюджетные затраты школы при неизменных тарифах на энергоносители уменьшатся на 117 тыс. грн. в год. Правда, при этом заметно увеличатся эксплуатационные расходы на амортизацию оборудования, а также на обслуживание тепловых насосов, надежная работа которых без квалифицированных специалистов холодильщиков, автоматчиков и электриков практически невозможна.

Проект пока не реализован, и точная сумма капитальных затрат на его реализацию станет известна после завершения строительных работ. Если исходить из опыта реализации других подобных проектов, то, возможно, удастся уложиться в 5 млн гривен. В любом случае, сроки окупаемости проекта лежат далеко за пределами значений, которые могли бы привлечь инвестора, действующего на коммерческой основе.

С другой стороны, говорить о сроках окупаемости проекта, реализуемого на объектах бюджетной сферы, имело бы смысл, если бы он инвестировался из государственного или из местного бюджета. Проект, о котором идет речь, будет реализован за японские деньги в рамках Киотского протокола. Япония, как и многие другие развитые страны, обязалась вкладывать средства в проекты, конечной целью которых является уменьшение выбросов в атмосферу, что, как убеждены многие, предотвратит глобальное потепление. Поскольку считается, что на своей территории японцы уже сделали в этом плане все, что можно было сделать, им приходится вкладывать средства в энергосберегающие проекты, реализуемые в других странах, в частности, в Украине. Логичным требованием японской стороны является использование в проекте тепловых насосов японского производства, что позволит стране-донору вернуть хотя бы часть затраченных средств. Получив японский подарок в виде достаточно весомого инвестиционного вклада в проект с тепловыми насосами в оболонской школе, можно было бы рассчитывать на долговременный энергосберегающий эффект в Украине, связанный с сокращением бюджетных затрат школы на энергоносители, а также с экономией природного газа.

На самом деле, сокращение бюджетных затрат школы не состоится, потому что некоторое уменьшение затрат на энергоносители будет сопровождаться более существенным увеличением затрат на обслуживание тепловых насосов и на амортизацию достаточно дорогого оборудования. В то же время, теплоснабжающая организация понесет убытки, связанные с сокращением потребления тепловой энергии, и эти убытки будет вынуждена компенсировать администрация из городского бюджета, поскольку, как известно, киевские тепловые сети уже много лет дотируются городом. Таким образом, фактически в результате реализации проекта общие бюджетные расходы на теплоснабжение не сократятся, а возрастут.

Еще хуже обстоит дело с реальной экономией природного газа. Газ для Оболони сжигают в котлах ТЭЦ-6, и уменьшение теплового потребления для любой ТЭЦ вызывает необратимые потери энергии. Вся тепловая энергия, которую удастся сэкономить в оболонской школе в результате применения тепловых насосов, будет выброшена в атмосферу через градирни ТЭЦ-6, и природного газа будет сожжено в котлах ТЭЦ столько же, сколько сжигается и теперь, пока проект не реализован. Естественно, выбросы парниковых газов, ради снижения которых и был в свое время учрежден механизм Киотского протокола, тоже останутся неизменными.

Экономии природного газа при соответствующем сокращении выбросов парниковых газов теоретически можно было бы достичь, если бы школа с тепловыми насосами обогревалась не от ТЭЦ, а от районной котельной. Правда, системы теплоснабжения от современных киевских районных котельных тоже мало пригодны для эффективной работы совместно с тепловыми насосами, потому что, тепловая энергия, сэкономленная на одном объекте, перераспределится во множество других объектов, и расход газа в котельной практически не изменится. Такая система могла бы эффективно работать, если бы на всех абонентских вводах разветвленной тепловой сети была установлена автоматика, обеспечивающая потребление тепла в каждом здании в нужном для этого здания количестве. Пока такая элементарная автоматика работает у нас далеко не везде, о широком применении высокотехнологичных тепловых насосов не следовало бы и беспокоиться.

Вместе с тем, осуществление проекта установки тепловых насосов на достаточно крупном общественном здании в Киеве позволит отечественным специалистам накопить необходимый опыт сооружения подобных объектов с тем, чтобы в перспективе ближайших лет эта техника могла применяться там, где она может работать действительно эффективно.

Автор: В.Ф. ГЕРШКОВИЧ, к.т.н., ЧП «Энергоминимум»