Опыт применения геотермальных тепловых насосов для отопления коммерческих и инфраструктурных объектов

Применение и преимущества геотермальных тепловых насосов

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от низкопотенциального источника к системе отопления. Это надёжная, экономичная и экологичная альтернатива классическим источникам тепла, использующая для отопления и нагрева горячей воды возобновляемую энергию из окружающей среды (грунт, воздух, вода). Концепция теплового насоса была разработана в середине XIX века, а практическое применение оборудования для отопления началось с 1940-х годов. Сегодня мировой рынок тепловых насосов уверенно растёт — например, ежегодные объёмы продаж только на территории Европы составляют более одного миллиона агрегатов, из них порядка 100 тыс. — геотермальные.

Фото 1. Тепловой узел на базе геотермального теплового насоса Thermex Energy

Для геотермальных тепловых насосов низкопотенциальным источником тепла выступает грунт, температура которого ниже глубины промерзания практически весь год составляет от +5 до +10°C. Тепловая энергия собирается заглублённым в почву геотермальным контуром, накапливается в теплоносителе и передаётся в тепловом насосе хладагенту через испаритель, где хладагент переходит в газообразное состояние. Компрессор всасывает хладагент и сжимает его, при этом сильно повышается его давление и температура. Горячий хладагент поступает в конденсатор — теплообменник, в котором происходит передача тепла, полученного из окружающей среды в отопительную систему. Перешедший обратно в жидкую форму в процессе охлаждения хладагент после снижения давления и температуры посредством расширительного клапана может снова отбирать тепло из окружающей среды, и цикл начинается сначала.

Геотермальные тепловые насосы применяются для решения задач отопления, нагрева горячей воды и охлаждения в индивидуальных жилых домах, таунхаусах, многоквартирных домах, на разнообразных коммерческих объектах (от отелей и турбаз до магазинов и АЗС, фото 1), в производственных и складских зданиях, на объектах инфраструктуры (школы, вокзалы и пр.), а также для утилизации бросового тепла.

Ключевые преимущества геотермальных тепловых насосов

Эффективность и экономичность в течение всего года. Выработка до 5 кВт тепла на 1 кВт затрачиваемой электрической энергии и, соответственно, экономия на платежах за отопление и ГВС до 80% в сравнении с прямым электроотоплением, получение «холода» для кондиционирования с минимальными издержками.

Независимость от газовой сети и больших электрических мощностей, от поставок и систем хранения сырья. Геотермальные тепловые насосы быстро монтируются и не требуют регулярного специализированного обслуживания.

Безопасность и комфорт. Здесь нет процессов горения, дымохода; не нужны ёмкости для хранения топлива; отсутствуют специальные требования к котельному помещению; система занимает небольшую площадь и не требует ручных операций.

Надёжность. Высокий уровень автоматизации и автономности работы, срок службы до 25 лет, возможность дистанционного мониторинга и диагностики.

Экологичность. Геотермальные тепловые насосы используют до 80% возобновляемой энергии и не производят выбросов CO₂ в месте установки.

Российский рынок тепловых насосов стабильно развивается. Одна из самых перспективных точек роста рынка — применение геотермальных систем отопления на коммерческих и инфраструктурных объектах с ограниченным доступом к инженерным коммуникациям (центральному теплоснабжению, газу, электричеству). Ввиду высоких тарифов на энергоносители для юридических лиц и стремления организаций к повышению автоматизации и автономности энергоснабжения зданий использование геотермальных тепловых насосов в данном сегменте является оптимальным и с экономической, и с эксплуатационной точек зрения. В представленных далее кейсах мы делимся нюансами и результатами реализации проектов устройства геотермального отопления в школе, супермаркете и административном здании в Ленинградской области и Пермском крае.

Фото 2. Здание МБОУ «Житковская СОШ»

Перевод здания школы на геотермальное отопление

В конце 2020 года мы реализовали знаковый проект по переводу среднеобразовательной школы в посёлке Житково Выборгского района Ленинградской области на отопление на базе геотермальных тепловых насосов. Житковская школа стала первым в регионе образовательным учреждением, оборудованным геотермальной системой отопления.

До реализации проекта удалённое от центральных сетей кирпичное здание школы 1965 года постройки общей площадью 1150 м² (фото 2) отапливалось электрическими конвекторами, установленными в каждом помещении. Расчётные теплопотери здания — 112 кВт. Годовые затраты на отопление составляли в среднем около 3,5 млн рублей (электроэнергия по тарифу для юридических лиц) и являлись ключевой статьёй затрат на содержание здания. Для сокращения эксплуатационных затрат и повышения безопасности системы для учеников и преподавателей было решено перевести школу на геотермальное отопление. Комплексный проект включил в себя устройство геотермального контура, монтаж теплового узла на базе геотермальных тепловых насосов Thermex Energy и монтаж внутренней радиаторной системы отопления. Все работы были выполнены менее чем за два месяца (ноябрь — декабрь) без остановки учебного процесса.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии для объекта выступает геотермальный контур — на прилегающей к зданию школы территории пробурено 14 скважин по 145 м, в которые заведены геотермальные зонды (ПНД-труба диаметром 40 мм с U-образным наконечником). 14 зондов сведены в единый геотермальный колодец, где установлен коллектор с ротаметрами и запорной арматурой. Соединение геоколлектора с тепловым узлом внутри здания выполнено из ПНД-труб диаметром 90 мм. В качестве теплоносителя в геоконтуре мы использовали безопасный для человека и окружающей среды пропиленгликоль. Благодаря геологическим особенностям локации объекта (обводнённые граниты) гарантирован стабильный теплосъём круглый год. В январе 2021 года температура пропиленгликоля на входе в испаритель составляла в среднем от-1,0 до +0,7°C.

Тепловой узел (фото 3) включил следующие основные элементы: каскад на базе трёх геотермальных тепловых насосов Thermex Energy Pr- 35, вспомогательный электрокотёл мощностью 21 кВт, буферная ёмкость объёмом 1000 л, а также насосное оборудование. Суммарная тепловая мощность теплонасосной установки при работе на радиаторную систему отопления составляет 112 кВт (при B0/W55, то есть при температуре теплоносителя в геотермальном контуре на входе в испаритель 0°C и температуре теплоносителя в контуре системы отопления на выходе из конденсатора +55°C).

Фото 3. Каскадная теплонасосная установка в МБОУ «Житковская СОШ»

Двухкомпрессорные геотермальные тепловые насосы Thermex Energy Pr- созданы для независимости и экономичности в вопросах теплоснабжения крупных жилых и коммерческих зданий с ограниченным доступом к центральным коммуникациям. Модельный ряд включает девять моделей мощностью от 12 до 56 кВт с возможностью объединения в каскад до 16 единиц. Серия Pr- обладает расширенным встроенным функционалом: отопление (управление двумя независимыми контурами отопления), нагрев горячей воды (два режима — постоянно и только ночью), пассивное охлаждение (кондиционирование), нагрев бассейна, погодозависимое регулирование, управление вторым источником тепла, термическая дезинфекция бойлера.

Базовая комплектация включает два современных спиральных компрессора, теплообменники увеличенной площади, полную заводскую электроподготовку, встроенное УЗО, двухступенчатую систему блокировки при превышении нагрузок, две встроенные защиты от низкого качества электроснабжения, пять встроенных защит тепловой установки, русскоязычный контроллер с графическим дисплеем. В мобильном приложении можно отслеживать и настраивать ключевые параметры работы нескольких тепловых насосов, установленных на разных объектах.

В качестве внутренней системы отопления в здании школы были смонтированы более 100 низкотемпературных радиаторов (с увеличенной площадью теплообмена), оборудованных термоголовками для покомнатного регулирования. Температурный график системы 55/45°C.

Ключевыми фактором принятия решения в пользу геотермального отопления в большинстве случаев являются экономическая целесообразность, то есть будущая экономия на платежах за отопление и сроки окупаемости первоначальных вложений, а также надёжность, простота эксплуатации системы и безопасность.

Достичь высоких показателей эффективности работы и отказоустойчивости на данном объекте позволяет комплекс технических и программных решений, реализованных в тепловых насосах Thermex Energy Pro:

1. Погодозависимое регулирование в базовой комплектации. Изменение температуры подачи теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха в сочетании с использованием логарифмической зависимости для расчёта температуры подающей линии контура отопления обеспечивает повышение эффективности: до 6% по сравнению с тепловыми насосами с погодозависимым регулированием и линейной зависимостью и до 30% по сравнению с тепловыми насосами, не имеющими погодозависимого регулирования.

2. Ступенчатое управление мощностью. Каскад из трёх двухкомпрессорных тепловых насосов даёт шесть ступеней мощности всей установки. Нагрузка распределяется в каскаде равномерно с учётом суммарной наработки каждого компрессора: вторая ступень в тепловом насосе включается только при условии, что в остальных тепловых насосах включён хотя бы один компрессор. Это обеспечивает, во-первых, более энергоэффективный режим работы при неполной нагрузке и более точное поддержание температурных параметров без «перетопов» и, во-вторых, повышенную отказоустойчивость и надёжность функционирования системы.

3. Отсечение неработающего фреонового контура. В геотермальных тепловых насосах Thermex Energy Pr-35 реализованы два независимых холодильных контура. При задействовании только одного из них второй отсекается соленоидным клапаном, что позволяет не допустить раздвоения потока перед нагревом и дальнейшего смешения тёплого и холодного потоков. Всё это позволяет снизить энергопотребление оборудования минимум на 12,5% при частичных нагрузках.

4. Управление вторым источником тепла. Данная функция тепловых насосов Thermex Energy позволила включить в схему в качестве седьмой ступени мощности вспомогательный электрический котёл на 21 кВт для покрытия пиковых теплопотерь здания школы в самые холодные периоды. Данное решение позволило без ощутимых потерь в эффективности и экономичности снизить капитальные затраты на устройство геотермальной системы отопления на 30% в сравнении с вариантом, когда вся необходимая тепловая мощность покрывается тепловыми насосами. Так, согласно расчётам, суммарное потребление тепловой энергии на объекте за год составит ориентировочно 344 МВт·ч, из них на электрокотёл будет приходиться только 2,3 МВт·ч, то есть всего 0,7%.

По итогам реализации проекта ежегодные затраты на отопление школы снизятся на 70–75%. Согласно предварительным расчётам, значение сезонного показателя эффективности SCOP на данном объекте составит ориентировочно 3,7. Дополнительным плюсом является высокий уровень автоматизации теплонасосной установки и возможность дистанционной диагностики, что избавляет систему от необходимости проведения регулярного сервисного обслуживания.

Благодаря вышеописанным преимуществам и результатам проект перевода социально-значимого объекта на геотермальное отопление привлёк внимание общественности и был широко освещён в федеральных и региональных средствах массовой информации, что свидетельствует о растущем интересе к энергоэффективным решениям и способствует общей популяризации технологии.

Фото 4. Испытательный стенд на производстве ООО «Термекс Энерджи»

Геотермальное отопление супермаркета

Одним из самых активно растущих и перспективных направлений применения тепловых насосов является сегмент малых и средних коммерческих объектов с затруднённым доступом к центральным сетям теплоснабжения и высокими тарифами на электроэнергию.

Осенью 2020 года наши партнёры реализовали проект перевода здания супермаркета в Пермском крае на геотермальное отопление с использованием оборудования Thermex Energy. Исходные параметры объекта: здание площадью 1000 м² из сэндвич-панелей с утеплением, внутренняя система отопления — тёплые полы. Теплопотери здания при расчётной температуре −35°C составляют 35 кВт.

На объекте была смонтирована система отопления на базе геотермального теплового насоса Thermex Energy Pr-35. Благодаря высокой температуре теплоносителя на входе в испаритель теплового насоса и низкой требуемой температуре воздуха в помещении (15°C) на данном объекте в моменте достигается высокое значение коэффициента COP — до 6,1.

Фото 5. Теплообменник для отбора тепла от сточных вод

Утилизация тепла сточных вод для отопления административного здания КОС

Среди областей применения геотермальных тепловых насосов с наиболее высокими показателями эффективности и, соответственно, экономичности отопления стоит выделить утилизацию бросового тепла, в частности, тепла сточных вод, температура которых весь год держится на высоком уровне.

В практике нашей команды есть несколько подобных реализованных проектов. Один из них — устройство системы отопления административного здания площадью 570 м² на станции канализационных очистных сооружений в Ленинградской области. Ввиду специфики деятельности комплекс канализационных очистных сооружений расположен на значительном удалении от населённого пункта и инженерных коммуникаций.

Основным источником тепла в реализованной схеме отопления является геотермальный тепловой насос номинальной теплопроизводительностью 42 кВт, смонтированный в тепловом узле здания АБК. Тепловой насос осуществляет отопление объекта, обеспечивая температуру в подающем трубопроводе до +58°C. В качестве резервного источника тепла использован электрокотёл.

В качестве низкопотенциального источника тепла на объекте выступают сточные воды с температурой не ниже +12°C в зимний период. В сточные воды погружен теплообменник из нержавеющей стали, который обеспечивает отбор низкопотенциального тепла (фото 5). Теплообменник спроектирован и изготовлен на основании тщательного анализа химического состава воды, скорости потока и особенностей монтажа. Установка теплообменника произведена на раму таким образом, чтобы обеспечить удобный доступ для обслуживания в межсезонье. Предусмотрено резервирование циркуляционных насосов с возможностью ротации и автоматическим переключением на резервные. Между теплообменником и тепловым насосом в тепловом узле смонтирована теплотрасса, по которой циркулирует водный раствор пропиленгликоля.

Система отопления данного здания спроектирована с учётом температурного графика 55/45°C, смонтированы низкотемпературные радиаторы, оборудованные термоголовками для покомнатного регулирования. Температура подачи теплоносителя регулируется по погодозависимому графику.

За счёт высокой температуры сточных вод на объекте достигается повышенная эффективность работы теплонасосной установки: в моменте значение коэффициент COP доходит до 6,0, а среднегодовой показатель SCOP составляет 4,5. По итогам перевода здания с электроотопления на отопление с использованием тепла сточных вод годовые затраты на отопление сократились на 80%.

О компании Thermex Energy

Thermex Energy — это российский производитель тепловых насосов, создаваемых с учётом особенностей российского рынка и климата. Компания входит в структуру корпорации «Термекс» и опирается на 70-летний опыт в разработке и производстве передового теплового оборудования и энергосберегающей продукции. Сборка тепловых насосов осуществляется на заводе «Тепловое оборудование» в городе Тосно Ленинградской области — главной производственной площадке «Термекс» в России.

Команда Thermex Energy обладает более чем десятилетним опытом в реализации комплексных проектов теплоснабжения жилых, коммерческих и промышленных объектов на основе использования тепловых насосов. В составе производственной команды работают участники национальной сборной WorldSkills по компетенции «Холодильная техника и системы кондиционирования».

Мощность производства серийных моделей геотермальных тепловых насосов теплопроизводительностью от 6 до 56 кВт составляет до 700 единиц в год. Возможна индивидуальная разработка промышленных теплонасосных установок высокой мощности. В 2021 году планируется запуск собственной линейки воздушных тепловых насосов, буферных ёмкостей и косвенных водонагревателей для тепловых насосов, а также линейки чиллеров малой и средней мощности. В 2020 году серия геотермальных тепловых насосов Thermex Energy Compact была признана лучшим энергоэффективным тепловым насосом, произведённым в России, по версии конкурса «Мир климата и холода 2020», а в 2021 году компания стала победителем конкурса Aquatherm Moscow Awards в номинации «Энергоэффективность и энергосбережение».