Энергосбережение в России
К сожалению, застройщики редко вспоминают об энергосбережении, т.к. обычная цель инвестора — быстро и дешево построить, дорого продать — далеко не всегда предусматривает экономичность последующей эксплуатации. Существует и ряд других проблем, препятствующих более широкому применению ТНУ — нет заинтересованности подрядных организаций (как монтажных, так и проектных) в нестандартных решениях, практически отсутствует информация об опыте эксплуатации. Для проектировщиков дополнительными осложняющими факторами является недостаток методических и нормативных материалов (соответственно затягивается ожидание решения вопросов экспертизы).

Владелец объекта (служба эксплуатации) заинтересован в энергосбережении, надежности и комфорте. Минимальный комфорт в настоящее время достаточно просто обеспечивается локальными системами кондиционирования помещений с относительно скромными затратами на реконструкцию, что иллюстрируется огромным количеством внешних блоков сплит-систем на фасадах зданий. Но данное решение не является лучшим и единственным. Достаточно отметить повышенный расход электроэнергии, необходимость обслуживания (включая замену таких систем в ближайшие годы) и административные запреты на размещение внешних блоков на фасадах здания.

Модернизация климатических систем
Рассмотрим конкретную ситуацию на примере офисного здания Московского завода тепловой автоматики (МЗТА). Здание включает около ста помещений общей площадью свыше 5000 м2. Первые годы установки и эксплуатации двух десятков сплит-систем для отдельных помещений показали, что дальнейшее их распространение на все здание неприемлемо по указанным выше причинам, а также из-за невозможности обеспечения дополнительной электрической нагрузки (свыше 100 кВт). Проработка возможных вариантов с учетом специфики производства и заинтересованности в улучшении условий работы привели к решению о применении ТНУ.

Одновременно выполнялись следующие работы:
1. Создание демонстрационного зала МЗТА площадью 300 м2, оснащенного системой кондиционирования, которая включает в себя теплонасосную установку ЕМ072 для охлаждения/нагрева и рекуператор на линии подачи наружного воздуха.
2. Реконструкция теплового пункта, оборудование которого выработало ресурс и требовало замены. При реконструкции реализованы уже ставшие стандартными решения: применение пластинчатых теплообменников, насосов с частотным регулированием, закрытых мембранных расширительных баков для системы отопления, шаровой и дисковой запорной арматуры, полномасштабное автоматическое регулирование и диспетчеризация на базе комплекса «КОНТАР». Теплонасосная установка ЕМ072 для выставочного зала «водавоздух» конструируется в помещении теплового пункта и подключена по воде — к системам холодного и горячего водоснабжения.

Работа ТНУ в режиме охлаждения обеспечивается без внешних блоков — одновременной передачей тепла в систему горячего водоснабжения. За счет отводимого тепла выполняется предварительный подогрев водопроводной воды до ее подачи в первую ступень блока горячего водоснабжения теплового пункта.

При расходе холодной воды на нужды ГВС 3–4 м3/ч (расчетный средний расход воды в МЗТА) и ее подогреве на 5 °C обеспечивается отвод тепла около 20 кВт, что соответствует расчетной производительности ТНУ. Поскольку днем фактическое потребление воды на ГВС выше среднего, возможна работа установки без необходимости сброса тепла в окружающую среду и применения внешних устройств (градирен). Для обеспечения работы при сниженном водоразборе на ГВС в схеме предусмотрены циркуляция воды по замкнутому контуру, включающему бак-аккумулятор, а при необходимости — возможность передачи подогретой воды в систему холодного водоснабжения.

Экономические характеристики работы ТНУ при средних показателях: производительность по холоду 15 кВт; EER = 3; потребляемая электрическая мощность — 5 кВт; передача тепла в систему ГВС — 20 кВт. В расчете за год (1000 ч работы): холодопроизводительность — 15 000 кВт?ч; передача тепла в систему ГВС — 20 000 кВт?ч (17,2 Гкал); расход электроэнергии — 5000 кВт?ч.При тарифе на тепло 400 руб/Гкал = 0,344 руб/кВт?ч получаем, что стоимость сэкономленного на ГВС тепла составляет 6880 руб., а затраченной электроэнергии — 6500 руб. при тарифе 1,3 руб/кВт?ч или 3250 руб. — при плате за электроэнергию по двухставочному тарифу. Эти цифры показывают возможный эффект при распространении данного решения с одной установки на все здание.

Таким образом, ТНУ обеспечивает кондиционирование воздуха летом не только без сооружения градирен, сопутствующих потерь воды и расхода электроэнергии, но и снижает затраты на горячее водоснабжение. В переходный период установка обеспечивает воздушное отопление, в т.ч. в период перерывов работы теплосети, в этом случае источником низкопотенциального тепла является вода, идущая на холодное водоснабжение. Ее температура при этом снижается на 2–5 °С. Эксплуатационная составляющая стоимости тепла ТНУ составляет (при СОР = 4 в зависимости от тарифа на электроэнергию) от 140 до 280 руб/Гкал. Эти цифры показывают возможный эффект при распространении данного решения на все здание. Отметим, что для примененной установки ЕМ072 большую часть времени показатели будут выше принятых в расчете EER = 3 и COP = 4. Следующие этапы реконструкции климатической системы здания предусматривают мероприятия по энергосбережению: программное снижение температуры в отапливаемых помещениях в ночной период и нерабочие дни; пофасадное регулирование отопления для административного корпуса.

Нерабочее время
Первое решение теоретически наиболее эффективно — снижение температуры в помещениях на 5 °C обеспечивает уменьшение теплопотерь примерно на 15–20 % и просто реализуется системой автоматизации. Время работы на пониженных параметрах (ночное время и выходные) составляет свыше половины времени отопительного периода. Однако, с учетом реальных условий работы комплекса (сменная работа, особые требования отдельных потребителей) возможности энергосбережения за счет программного снижения подачи тепла ограничены. Так, возможное снижение температуры в отапливаемых помещениях в ночной период и нерабочие дни не может быть реализовано в полном объеме для существующей системы отопления. Ряд потребителей (около 5 %) требуют расчетного отопления постоянно и не допускают снижения температуры. Использование для них локальных электронагревателей неприемлемо, т.к. резко снижается экономический эффект, безопасность, а также надежность.

Решение данного вопроса обеспечивается применением для данных потребителей ТНУ «вода–воздух», последние в данном случае выступают в роли «доводчика» для отдельных помещений. Подключение теплового насоса «вода–воздух» по воде в обратную линию системы отопления позволяет при плановом снижении температуры воды в отопительном контуре до уровня 30–40 °C использовать это тепло для поддержания температуры воздуха на комфортном уровне. Одновременно это позволяет снизить температуру в системе и соответственно возвращаемой на ТЭЦ воды. Летом эти же установки обеспечивают охлаждение воздуха.

Пофасадное регулирование
Пофасадное регулирование отопления может принести ощутимый эффект экономии тепла (по проведенным в 1980–1990е годы экспериментам — на уровне 20 % от годового объема теплопотребления). Кроме того, пофасадное регулирование в период солнечной активности исключает «регулирование открытыми окнами» и снижает вероятность простудных заболеваний, одновременно обеспечивает комфортные условия и для помещений с наветренной стороны здания.

Одним из вариантов предусматривается разделение системы отопления по фасадам, вывод трубопроводов в ЦТП и организация двух контуров циркуляции и регулирования теплоносителя. Это требует нового оборудования и значительных работ по прокладке в существующих строительных конструкциях дополнительных трубопроводов. Предлагается и менее металло и трудоемкое решение — разделение системы отопления в двух узлах, где смешение реализовывается с помощью блока «контроллер + насос с частотным регулированием». При работе блока для солнечного фасада выполняется подмес теплоносителя из обратной линии в подающую для поддержания температуры на требуемом уровне. При этом снижается общий расход воды в системе отопления (на ЦТП реализовано частотное регулирование насосов отопления) и подача тепла в систему при стандартном температурном графике.

Максимальный эффект от пофасадного регулирования обеспечивается при быстром и адекватном реагировании системы на изменение погодных условий, а именно — понижении температуры воды на подаче в систему отопления в соответствии с изменением нагрузки. Так, для жилых зданий предлагалось осуществлять регулирование по температуре воздуха в контрольных помещениях или удаляемого из помещений системой вентиляции. Возможности автоматических комплексов позволяют реализовать как приведенные выше, так и любые другие алгоритмы регулирования (по температуре воды в обратной линии системы отопления данных помещений, по скорректированной температуре наружного воздуха и пр.), что и будет реализовано при опытной эксплуатации.

Более полно эффект пофасадного регулирования обеспечивается системой с тепловыми насосами «водавоздух», работающими на помещения или группы помещений по фасадам здания и объединенными по водяному контуру.

Температура воды в контуре поддерживается в пределах, оптимальных для работы ТНУ. В этом случае при охлаждении воздуха в помещениях на солнечной стороне удаляемое тепло переносится в водяной контур и используется в остальных помещениях, что сокращает потребность в тепле от внешнего источника. Реализация такой системы позволяет также обеспечивать воздушное отопление в помещениях независимо от нормативного начала или окончания отопительного периода. К достоинству таких систем можно также отнести меньшую расчетную потребность в электроэнергии летом за счет теплоаккумулирующих качеств водяного контура. При невозможности обеспечить полностью нагрузку кондиционирования за счет передачи тепла в систему ГВС, расчетная мощность градирни также существенно меньше, чем аналогичного оборудования для традиционных систем. Блицинтервью
Вадим ШАБАНОВ, инженер по эксплуатации «Ирис Конгресс Отель»

Какие ограничения существуют для применения теплонасосных установок?

В.Ш.: Сегодня у ведущих мировых производителей существует достаточно широкий набор оборудования для формирования теплонасосной системы под конкретные нужды заказчика в любых климатических и технических условиях. Технические спецификации, габариты установок очень разнообразны, и сконфигурировать все под конкретный объект не составляет труда. Россия не застала тот период, когда тепловые насосы только появились, — технология давно отработана в мире и доказала свою эффективность. Некоторые ограничения могут накладывать экономические аспекты внедрения и эксплуатации тепловых насосов. Главное преимущество кольцевой теплонасосной системы в ее экономичности за счет утилизации тепла, уже произведенного в здании. Поэтому если температура внутри всего здания стабильна, все здание круглый год требует только обогрева или только охлаждения, то затраты на поддержание температуры в контуре «съедают» всю потенциальную экономию. В связи с этим тепловые насосы наиболее эффективны в климатических условиях, где достаточно длинные переходные периоды. К таким регионам относится, например, средняя полоса России. В регионах Крайнего Севера тепловые насосы будут работать, но без особой экономии. Геотермальные тепловые насосы лишены этих ограничений. Необходима только техническая и формальная возможность пробурить скважину или прокопать траншеи для укладки теплообменников.

Какие достоинства и недостатки присущи тепловым насосам?

В.Ш.: Говоря о тепловых насосах, обычно имеют в виду водяные установки. Достоинства заключаются прежде всего в рентабельности, удобстве монтажа и эксплуатации, а также комфортности создаваемого климата. Капитальные затраты для крупных кольцевых теплонасосных систем ниже на 13–15 процентов, чем для подобных систем «чиллер–фанкойл». Это связано с тем, что предельно упрощена система инженерных коммуникаций, так называемой инфраструктуры. Нет необходимости прокладывать большие теплоизолированные воздуховоды по всему зданию — тепло передается с помощью подготовленной воды по нетеплоизолированным трубам малого диаметра. Наличие именно водяного контура также обуславливает безопасность водяных тепловых насосов по сравнению, например, с VRV-системами, где в контуре циркулируют ядовитые хладагенты.

Другой важный момент — это ресурс тепловых насосов. При правильной эксплуатации ресурс современных тепловых насосов составляет 20–25 лет. Это проверено на опыте. Тепловые насосы в одной из гостиниц Москвы успешно работают уже 16 лет и до сих пор не требовали серьезного ремонта или замены. Главный плюс теплонасосных систем — экономичность. В случае правильной проектировки в условиях умеренного климата снижение затрат на отопление в сравнении с центральным теплоснабжением составляет не менее 50 процентов. Для геотермальных систем на выходе мы получаем четыре-шесть киловатт тепла на каждый киловатт затраченной электроэнергии. Ну и последнее преимущество — комфортный климат. Соответствие температуры, влажности и давления позволяет получить наиболее благоприятные условия для жизни и работы человека.

Из недостатков можно отметить прежде всего некоторую сложность проектирования. Необходимо учитывать все теплоисточники в здании, положение здания по сторонам света и многие другие условия. Второй недостаток — высокая стоимость самого теплового насоса. Установка инсталлируется в каждом помещении — это самая большая статья затрат.

Эффективна ли с экономической точки зрения массовая модернизация жилого фонда на основе теплонасосных систем?

В.Ш.: Сегодня это очень насущная проблема. Мы специально ей занимались и вот к какому выводу пришли. Тепловые насосы могут работать с источниками тепла, несущими относительно низкие температуры. Это позволяет использовать тепловые насосы на участках теплоцентрали с недостаточным потенциалом. К примеру, 70 градусов в теплоцентрали было бы достаточно для обогрева районов частной застройки. В этом случае можно продолжить дальнейшую эксплуатацию имеющихся теплосетей, без расширения и модернизации. Кроме того, тепловые насосы могут быть использованы для понижения температуры воды в обратной ветви теплоцентрали. Низкопотенциальное тепло «обратки» трудно использовать, оно обычно выбрасывается в атмосферу через градирни ТЭЦ. Тепловые насосы могли бы целесообразно его использовать, решая многие проблемы. К сожалению, экономически обоснованно это можно реализовать лишь только после снижения тарифов на низкопотенциальное тепло.

Пока внедрением тепловых насосов заинтересовались только строители жилья класса «бизнес» и «бизнес+». Сегодня в домах класса «бизнес» не устанавливают систему центрального кондиционирования, что ведет к удорожанию, и клиенты предпочитают использовать сплит-системы. Возьмем, к примеру, типичную новостройку среднего класса. Так, в течение одного года она обрастает десятками и сотнями внешних блоков сплит-систем. Это портит фасад, является экономически невыгодным, а порой и небезопасным. Предложения в этой сфере сводятся к тому, чтобы на стадии проектировки в доме закладывалась прокладка кольцевого контура для тепловых насосов, а пластиковые трубы терминировались бы в каждой квартире. Эта операция не требует больших затрат и не приводит к удорожанию квадратного метра. В дальнейшем, если новоселы желают иметь у себя в квартире центральное кондиционирование и воздушное отопление, они самостоятельно делают выбор и покупают (или арендуют) необходимое количество тепловых насосов. Эти насосы необходимо только подключить к уже проложенным коммуникациям, и система начинает работать. Такой подход может стать решением проблемы изуродованных сплит-системами фасадов.

Возможна ли такая модернизация с технической точки зрения? Существуют ли примеры «очаговой» модернизации жилого фонда на территории России?

В.Ш.: Установка тепловых насосов в домах старой постройки, конечно, возможна. Нет необходимости в прокладке больших воздуховодов или сложных инженерных коммуникаций. По дому ведется обычный трубопровод, а сами тепловые насосы ставятся в подоконном пространстве вместо радиатора либо монтируются над фальшпотолками или в других доступных местах. Однако подобные модернизации проводят в основном для коммерческой недвижимости — гостиниц и офисов. Например, если рассмотреть семь сталинских высоток, то эта технология является оптимальной для создания в них современных комфортных условий работы или жилья. Кольцевая система тепловых насосов несколько лет назад была установлена в комплексе «Палас Культуры» в Варшаве.

В России интерес к тепловым насосам находится в зачаточном состоянии. Постепенно разворачиваются проекты внедрения этого энергоэффективного оборудования в Краснодарском крае, в некоторых северных районах. Чаще всего встречается использование тепловых насосов при индивидуальном строительстве — в коттеджных поселках.