Объекты и подходы

Дадим более детальное описание объектов, перечисленных во вступлении к статье. К ним относятся: многоквартирные жилые дома и комплексы; образовательные учреждения; объекты здравоохранения; объекты размещения людей (гостиницы, пансионаты, турбазы); торговые и развлекательные центры; спортивные комплексы и сооружения; предприятия промышленности, сельского хозяйства и т. п.

«Традиционные» подходы

«Традиционные» подходы для решения вопросов тепло- и холодоснабжения подобных объектов сводятся к использованию в качестве:

а) источников тепла: центральной теплосети (городской или районной) или автономной котельной (крышной, пристроенной, поквартирных котлов) или другие;

б) источников холода: чиллеры, мультизональные системы, VRVи VRF-системы, сплит-системы, абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ) или другие.

Тепловые насосы как альтернатива

«Альтернативная» технология — это установки на базе тепловых насосов, которые позволяют вырабатывать тепловую и холодильную энергию одним и тем же агрегатом. Таким образом, можно заменить традиционную систему «источник тепла + холодильная машина» на альтернативную систему «тепловой насос».

Тепловой насос вида «воздух-вода»

Современные тепловые насосы вида «воздух-вода» имеют среднегодовые (сезонные) коэффициенты энергоэффективности — Seasonal Coefficient of Performance (SСОР) или Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER), то есть отношение выработанной тепловой или холодильной энергии к потреблённой электроэнергии, — в пределах 3,0–5,0 и сохраняют работоспособность с приемлемой эффективностью СОР = 1,5–2,0 в зимний период до температуры окружающего воздуха −25°C. Причём источником низкопотенциального тепла (НПТ) для тепловых насосов вида «воздух-вода» может служить окружающий воздух, выбросы воздуха вентиляционных систем зданий, промышленных предприятий и др.

Критерием целесообразности применения «традиционного» или «альтернативного» источника тепло- и холодоснабжения объекта для заказчика может служить сравнительная оценка капитальных затрат на строительство источника и издержек при его эксплуатации.

В качестве примеров рассмотрим объекты, построенные в городе Сочи: жилой комплекс «Сосновый бор» и апарт-отель «Миррор». Сравнительные технико-экономические оценки этих объектов представлены в табл. 1. Оценки сделаны по характеристикам оборудования, ценам поставщиков, тарифам и курсу рубля на первый квартал 2021 года и на основании опыта компании в строительстве систем коммунальной энергетики, котельных, климатических систем, тепловых насосов.

Объект ЖК «Сосновый бор»

Жилой комплекс «Сосновый бор» бизнес-класса располагается в Хостинском районе (микрорайон Бытха) города Сочи. Площадь 12-этажного комплекса 8600 м², он включает 120 квартир. ЖК «Сосновый бор» оснащён четырёхтрубной системой отопления/кондиционирования и ГВС.

Тарифы для многоквартирных домов в Сочи (на второе полугодие 2023 года):

а) ОАО «ТНС энерго Кубань» (электрическая энергия): 6,0 руб/ кВт·ч — для МКД с центральным отоплением; 4,71 руб/ кВт·ч (с 00:07 до 23:00) + 2,253 руб/ кВт·ч (с 23:00 до 00:07), среднесуточный тариф 3,98 руб/ кВт·ч — для МКД с электроплитами и электрическим отоплением;

б) МУП «Сочитеплоэнерго» (теплосеть): тепло — 3325 руб/Гкал; ГВС — 241 руб/м³; чиллер (холод) — 2584 руб/Гкал.

Стоимость тепловой энергии, полученной от теплового насоса, составила (тепло/холод) 1893 руб/Гкал, а стоимость ГВС — 152 руб/м³.

Заказчик рассмотрел три варианта энергообеспечения объекта (табл. 1). На основании анализа технико-экономических оценок вариантов заказчик принял решение о строительстве системы тепло- и холодоснабжения на базе теплового насоса «воздух-вода». На крыше здания было установлено пять агрегатов фирмы Mammoth (модель МАС-0330) номинальной мощностью 550 кВт, с рекуперацией тепла на ГВС при кондиционировании. ИТП был размещён в подвальном помещении здания.

Объект сдан в эксплуатацию в четвёртом квартале 2021 года.

Апарт-отель Mirror

Апарт-отель «Миррор» располагается на ул. Навагинской Центрального района города Сочи. Площадь пятиэтажного отеля составляет 9900 м², он включает 209 номеров. Апарт-отель «Миррор» оснащён четырёхтрубной системой отопления/кондиционирования и ГВС.

Тарифы на энергоснабжение для коммерческого объекта в городе Сочи (на второе полугодие 2023 года):

а) ОАО «ТНС энерго Кубань» (электрическая энергия) — 10 руб/ кВт·ч.

б) МУП «Сочитеплоэнерго» (теплосеть):

  • тепло — 4600 руб/Гкал;
  • ГВС — 326 руб/м³;
  • чиллер (холод) — 4153 руб/Гкал.

Стоимость тепловой энергии, полученной от теплового насоса, составила (тепло/холод) 3877 руб/Гкал, а стоимость ГВС — 281 руб/м³.

Заказчик рассмотрел один вариант энергообеспечения объекта (табл. 1).

На основании анализа технико-экономических оценок вариантов заказчик принял решение о строительстве системы тепло- и холодоснабжения на базе теплового насоса вида «воздух-вода». На крыше здания были установлены ИТП и восемь агрегатов фирмы Mammoth (модель МАС-0330) номинальной мощностью 880 кВт, с рекуперацией тепла на системах ГВС и кондиционирования. Объект сдан в эксплуатацию в четвёртом квартале 2021 года.

Помимо выгодного для заказчика экономического фактора присутствует и социальный фактор, поскольку технология теплового насоса позволяет снизить для жителей многоквартирных домов тарифы на отопление/кондиционирование и горячую воду. Кроме того, тепловой насос является наиболее экологически безопасным источником тепловой или холодильной энергии с высокой степенью пожарои взрывобезопасности. Оценочные данные представлены в табл. 2.

Современные технические решения тепловых насосов вида «воздух-вода» с использованием рабочего процесса с промежуточным впрыском фреонового пара по схеме EVI позволяют эффективно применять технологию вплоть до температур окружающего воздуха порядка −25°C, однако уже при температурах воздуха менее −15°C снижение тепловой мощности тепловым насосом может составить до 40–50%, и в этом случае необходимо включать в работу так называемый «пиковый» источник тепла, например, электрический котёл, что позволит пережить период сильных заморозков. В московском регионе, например, это период январь — март, причём суммарная продолжительность периода очень низких температур, как правило, не превышает одного месяца.

Сравнительные технико-экономические оценки систем для объекта московского региона представлены в табл. 3. Оценки сделаны по характеристикам оборудования, ценам поставщиков, тарифам и курсу рубля на первый квартал 2023 года, а также на основании опыта компании по строительству систем коммунальной энергетики, котельных, климатических систем, тепловых насосов.

Преимущества тепловых насосов вида «воздух-вода» как источников тепло- и холодоснабжения:

  • ниже стоимость строительства и эксплуатации источника тепло- и холодоснабжения;
  • нет теплосетей, нет газовой котельной, значит нет многочисленных вопросов и согласований с МУП «Теплоэнерго», АО «Горгаз», «Ростехнадзором», «Росприроднадзором» и другими организациями;
  • меньше согласований — короче сроки сдачи и ввода объекта в эксплуатацию;
  • не требуются работы по теплосетям или газовым магистралям на дорогах, улицах, газонах;
  • высвобождаются участки земли от строительства котельных, газовых магистралей и теплосетей;
  • возможность строительства объектов в районах и на участках, не имеющих газовые магистрали, теплосети;
  • фасады зданий не загромождаются наружными блоками кондиционеров;
  • автономность источника тепла/холода, регулирование работы по сезону и погоде;
  • возможность удалённого контроля и управления источником тепла/холода;
  • отсутствие перерывов в подаче ГВС в летний период, как это бывает при проведении регламентных работ в котельных и на теплосетях;
  • экологичность, значительно чище воздух, нет выбросов продуктов горения, возможно размещение источника тепла/холода на объектах в санитарных, водоохранных и заповедных зонах;
  • высокая пожаро- и взрывобезопасность оборудования;
  • выгодно — низкая себестоимость выработки ресурса (тепло, холод, ГВС) для формирования выгодных тарифов на ресурсы для населения и потребителей.

Тепловой насос вида «вода-вода»

Современные тепловые насосы вида «вода-вода» имеют среднегодовые коэффициенты энергоэффективности (SСОР/SEER) 4,0–5,0, но позволяют получить более высокую энергоэффективность (величины SСОР/SEER = 7–12) в зависимости от проектного решения схемы теплонасосной установки (ТНУ) и в особенности от типа источника низкопотенциального тепла. ТНУ вида «вода-вода» сохраняют работоспособность с высокой энергоэффективностью при любых температурах окружающего воздуха в зимний/летний периоды.

Источником НПТ для тепловых насосов вида «вода-вода» может служить земляной грунт, вода геотермальных источников, грунтовая вода из скважины, вода природных источников (рек, озёр, морей) и искусственных водоёмов, промышленные и канализационные стоки, сбросные воды очистных сооружений и др. Критерием целесообразности применения «традиционного» или «альтернативного» источника тепло- и холодоснабжения объекта для заказчика может служить сравнительная оценка капитальных затрат на строительство источника и издержек при его эксплуатации.

В качестве примеров далее представлен ряд объектов с тепловыми насосами вида «вода-вода».

Гостиничный комплекс «Гамма»★★★★

В 2008 году было завершено строительство четырёхзвёздочного гостиничного комплекса (отеля) «Гамма», расположенного в селе Ольгинка Туапсинского района Краснодарского края. 16-этажный комплекс имеет площадь 13 тыс. м² (200 номеров) и включает пять спальных корпусов площадью 7400 м² (150 номеров).

В энергоцентре комплекса установлены восемь тепловых насосов фирмы Rhoss общей тепловой мощностью 1,0 МВт. Источником низкопотенциального тепла служит грунтовая вода из скважин. Резервным источником НПТ является воздух, система съёма состоит из восьми драйкулеров.

Система тепловых насосов проектировалась со средним ЕСОР = 5,0, но в проекте применены аккумуляторы тепла/холода (40 м³), а в летний период используется режим «пассивного» кондиционирования, то есть без включения в работу теплового насоса. Температура грунтовой воды из скважины в среднем составляет +10…+14°C. Сочетание этих факторов позволило снизить потребление электроэнергии и получить среднегодовой коэффициент эффективности ТНУ порядка ЕСОР = 9–12, то есть для выработки 1000 кВт·ч тепловой/холодильной энергии затрачивается 85–100 кВт·ч сетевой электрической энергии.

Затраты на строительство энергоцентра составили 18 млн руб. (при курсе рубля и в ценах 2008 года). За время эксплуатации энергозатраты комплекса только по электричеству снизились в десять раз. Окупаемость проекта составила три года относительно первоначального решения со строительством источников тепла/холода от электрокотельной и чиллера.

Гостиница «Парк-отель»★★★

В 2012 году была сдана в эксплуатацию трёхзвёздочная гостиница «Парк-отель», расположенная в городе Краснодаре (Центральный район, ул. Береговая). Применена теплонасосная установка вида «вода-вода» из пяти агрегатов фирмы Mammoth общей тепловой мощностью 330 кВт, которая обеспечивает отопление, кондиционирование, ГВС и подогрев / охлаждение контрастных бассейнов спа-комплекса. Источником низкопотенциального тепла является грунтовая вода из скважин.

Стоимость строительства — 3,1 млн руб. (при курсе рубля и в ценах 2012 года). Срок окупаемости составил три года относительно варианта с городской центральной теплосетью и установкой мультизональных VRV-систем кондиционирования.

МФК «ТЦ «Квартал»

В 2014 году был сдан в эксплуатацию многофункциональный комплекс «Торговый Центр «Квартал», расположенный на ул. Навагинской Центрального района города Сочи. ТЦ «Квартал» включает большую одноуровневую автостоянку, обрамлённую рядом трёх- и пятиэтажных зданий, общей площадью 23 тыс. м².

Энергию тепла/холода для зданий объекта вырабатывают теплонасосные установки ТНУ вида «вода-вода» общей мощностью 1,4 МВт. Источником низкопотенциального тепла является грунтовая вода из скважин.

В каждом здании применены индивидуальные ИТП с группой тепловых насосов, которые расположены на кровле зданий. Подача грунтовой воды к каждому ИТП происходит по вертикальным стоякам от общего коллектора, проложенного по территории комплекса и связывающего все скважины в один контур.

Система состоит из блок-модулей по 200–300 кВт тепловой мощности. В блок-модулях смонтировано по два-три тепловых насоса фирмы Altal по 100 кВт тепловой мощности каждый. Расчётное потребление электроэнергии ТНУ не превышает 350 кВт при полной нагрузке.

Стоимость выработки 1 Гкал тепла тепловым насосом при существующем тарифе на электроэнергию является конкурентной стоимости тепла от индивидуальной газовой котельной, и она в полтора-два раза меньше, чем покупка тепла у сетевого поставщика тепла МУП «Сочитеплоэнерго». Величина накладных расходов при эксплуатации тепловых насосов — в три раза меньше, чем при эксплуатации газовой котельной.

Сравнение технико-экономических показателей капитальных и эксплуатационных затрат системы ТНУ вида «вода-вода» относительно вариантов решений с центральной теплосетью или газовой котельной (как источников тепла) и чиллера (как источника холода) определило срок окупаемости системы ТНУ вида «вода-вода» менее трёх лет.

Производственный цех ООО «Исток — Полиэстер»

Цех по производству композитных бассейнов компании «Исток — Полиэстер» располагается в посёлке Октябрьский Туапсинского района Краснодарского края. Здание обеспечивается отоплением, кондиционированием и ГВС. Площадь здания — 2000 м², объём — 15000 м³. В ИТП установлено два тепловых насоса вида «вода-вода» фирмы Mammoth общей мощностью 200 кВт. Источник низкопотенциального тепла — грунтовая вода из скважины. В ИТП площадью 40 м², пристроенном к зданию цеха, размещены тепловые насосы и вспомогательное оборудование. Отопление и кондиционирование цеха осуществляется при помощи водяных фанкойлов.

Основная задача ТНУ — поддержание температуры воздуха в цехе в пределах +20…+22°C круглогодично, 24 часа в сутки, и обеспечение потребности в ГВС (7 м³ на одну смену). При работе на кондиционирование тепловые насосы схемы «3 в 1″ осуществляют утилизацию тепла на подогрев горячей воды для системы ГВС. Удалённый контроль и управление теплонасосной установкой и системой отопления/кондиционирования и ГВС данного объекта обеспечены с помощью панели оператора Weintek. Сравнение технико-экономических показателей капитальных и эксплуатационных затрат системы теплонасосных установок вида «вода-вода» относительно вариантов решений с котельной на твёрдом топливе (источника тепла) и чиллера (источника холода) определило срок окупаемости системы ТНУ «вода-вода» менее одного года.

Выводы

Применение технологии теплонасосных установок (ТНУ) в качестве источников тепловой/холодильной энергии для объектов социальной, производственной, коммерческой инфраструктуры — реально и актуально. Критерием целесообразности применения «традиционного» или «альтернативного» источника теплои холодоснабжения для объекта заказчика может служить сравнительная оценка капитальных затрат на строительство источника и издержек при его эксплуатации.

В различных регионах России имеются действующие объекты с использованием тепловых насосов. Характеристики некоторых объектов, выполненных компанией Geothermax, представлены в табл. 4.

Заключение

Так что же препятствует широкому внедрению теплонасосных технологий в РФ? Анализ ситуации показывает, что это:

  • относительно низкая стоимость «традиционных» топливных ресурсов, которая длительное время не требовала новых энергоэффективных технологий, однако в настоящее время ситуация меняется;
  • отсутствие внятной государственной политики стимулирования энергосбережения, энергоэффективности в промышленности и в быту;
  • отсутствие в России производства тепловых насосов и комплектующих к ним, а также программы импортозамещения в этой области, что ведёт к закупке оборудования за рубежом;
  • таможенная политика, ведущая к росту цен на тепловые насосы на внутреннем рынке (налоги, пошлины, издержки, формальные барьеры и т. п.);
  • недостаток специалистов в энергетической отрасли, знающих, понимающих и умеющих практически внедрять инновационные технологии;
  • сопротивление «газового лобби», не желающего упускать из своих рук существенный сектор энергетического рынка, дабы не ущемлять интересы «народного достояния»;
  • недостаточная образовательная, информационная, просветительская и рекламная работа среди населения государственными структурами и инновационными компаниями по причине ограниченности «политических», финансовых и кадровых ресурсов.