Зима в этом году удивила своими сильнейшими морозами по всей территории России. Старые электростанции, генерирующие мощности которых выработали свой ресурс и уже готовились к выводу из эксплуатации, в часы пиковых нагрузок выдавали рекордный максимум по выработке тепловой и электроэнергии. Во многих регионах энергосистемы вводили ограничения на поставку электроэнергии потребителям, что выливалось в режим жесткой экономии для потребителей, как крупных промышленных, так и небольших, например, офисных центров и торговых комплексов. Потребление электроэнергии в частных квартирах также резко возросло из-за использования дополнительных обогревательных приборов, обладающих большой потребляемой мощностью. Такие временные ограничения электроснабжения останавливали работу компаний и предприятий, выливаясь в экономические потери и упущенную выгоду. Однако ограничение поставок электроэнергии может быть не только временным, установленным по причине сложных климатических условий. Лимиты на поставку электроэнергии зачастую обусловлены ограниченной пропускной способностью местных распределительных сетей или возможностями трансформаторных подстанций. Так, для крупных промышленных потребителей ограничения могут быть очень серьезными, а стоимость сверхлимитных объемов электроэнергии неоправданно высокой. Лимиты по энергоснабжению накладывают ограничения и на работу всех систем внутри каждого отдельного здания, в т.ч. систем кондиционирования и персонального отопления. Эти установки одни из самых затратных по энергопотреблению в комплексе инженерных систем здания. Соответственно, необходимо учитывать описанные ограничения, а система должна быть способна работать в энергосберегающих режимах. В таких условиях вопрос о новых энергосберегающих технологиях, о системах, способных эффективно работать при низком энергопотреблении, поднимается в новом разрезе. Часто перед инженерами-проектировщиками стоит задача не просто снизить потребление, а построить систему, которая будет способна работать в условиях ограниченногоэлектроснабжения. Альтернатив для решения подобной проблемы на рынке климатического оборудования пока не так много. В основном — это конкуренция не между технологиями, а между производителями, разрабатывающими климатическое оборудование на основе теплонасосных систем. Используя возможность утилизации тепла, в т.ч. природного, теплонасосная система с помощью компрессора нагревает воду в кольцевом контуре внутри здания до 50–55°С, что позволяет обогревать воздух в помещениях до комфортных для человека температур. Теплонасосная система может быть классической (на основе кольцевого контура) или геотермальной (использующей природное тепло, накопленное землей и водой). В случае геотермальных систем источником природного тепла служит грунт, водоем, подземные источники воды. Тепло земли транспортируется к тепловому насосу с помощью другого кольцевого контура, по которому также циркулирует вода или вода с добавлением антифриза. Для стабильной и эффективной работы геотермальной системы достаточно геотермального источника с температурой выше –4°С. То есть система утилизирует тепло земли и транспортирует его в здание, фактически являясь идеальным с экологической точки зрения способом отопления. Благодаря природному теплу, энергоэффективность системы получается очень высокой. Фактически коэффициент преобразования энергии колеблется от 3 до 6, то есть, затрачивая на работу теплового и циркуляционного насоса 1 кВт электроэнергии, на выходе можно получать 3–6 кВт тепла. В случае с классической кольцевой теплонасосной системой дополнительное тепло в систему может поставляться любыми другими способами — с помощью бойлеров различного типа — газовых, электрических и т.д. Дополнительное тепло может подаваться и с помощью обычной городской теплоцентрали. Однако в данной статье хотелось бы, прежде всего, коснуться систем отопления, не завязанных напрямую на центральное отопление, т.е. систем, в которых нагрев теплоносителя производится непосредственно конечным потребителем. Как сказано выше, автономное теплоснабжение чаще всего обеспечивают при помощи электрических или газовых бойлеров. Эти котельные установкииспользуют достаточно дорогие энергоресурсы. Притом электрический обогрев более распространен, т.к. требует меньше внимания, более безопасен и нет необходимости подведения дополнительных коммуникаций. Чтобы понять возможности для энергосбережения в таких системах, необходимо определить точки потребления электричества и рассмотреть качественные характеристики, определяющие их энергоэффективность. Итак, главным образом, электроэнергия затрачивается на обогрев теплоносителя до необходимой температуры. Это может быть вода в кольцевом контуре климатической системы, непосредственно воздух или вода в системе радиаторного отопления. Притом более эффективным является именно воздушное отопление ввиду малой инерционности и более эффективного распределения потоков теплого воздуха в помещении. Дальше электроэнергия затрачивается на работу насосов, обеспечивающих нормальную циркуляцию теплоносителя внутри системы. Соответственно, повышать энергоэффективность можно, только качественно улучшая теплообменники в котлах, а также конструктивно улучшая саму систему для снижения необходимой мощности циркуляционного насоса. Если мы говорим о геотермальной теплонасосной системе с кольцевым контуром, то здесь ситуация несколько иная. Здесь также есть циркуляционные насосы, которые прокачивают теплоноситель по кольцевым контурам (подземному и внутреннему). Их производительность относительно невелика, однако, необходимо учитывать, что протяженность подземного контура достаточно большая— например, для отопления дома площадью 250 м2 его общая длина составляет порядка 800 м. А вот нагревательных элементов в геотермальной системе нет — электроэнергия затрачивается только на работу компрессоров в каждом из тепловых насосов. Учитывая высокий коэффициент преобразования, относительное потребление электроэнергии в этом случае очень мало. Конкретные цифры будут приведены ниже. Однако и здесь есть возможности для улучшения и снижения энергопотребления. Ведущие мировые производители геотермальных тепловых насосов работают в настоящее времянад улучшением теплообменников в самих ТНУ, снижением температуры низкопотенциальных источников, которые используются геотермальными системами, и повышением температуры теплоносителя внутри кольцевого контура. Если в крупном здании функционирует моновалентная климатическая система, то от больших затрат электроэнергии никуда не денешься, т.к. отсутствие радиаторного отопления в здании требует обогрева с помощью альтернативных систем. А это, соответственно, потенциально высокие затраты на эксплуатацию. Сегодня стоимость электроэнергии в России достаточно низкая, если сравнивать с западными странами. Но в скором времени этот разрыв обязательно будет ликвидирован, и системы, подобные геотермальным, станут значительно более популярными. Пока же вопросы энергосбережения напрямую касаются только тех потребителей, которые ограничены жесткими рамками тех самых лимитов. Для средней полосы России необходимая и достаточная тепловая мощность отопительного оборудования колеблется в районе 10 кВт на 100 м2 площади. Работая в таком режиме, для обогрева помещения с такой площадью геотермальная кольцевая система будет потреблять от 1,5 до 3 кВт электроэнергии, расходуемой на работу теплонасосных установок. В кольцевой системе тепло не только поступает в здание из природных источников, а также утилизируется и перемещается внутри здания, в случаях, когда в каких-либо зонах оно избыточно. Например, в хорошо сбалансированной системе тепла, производимого внутри здания, зачастую достаточно для отопления здания — его необходимо лишь перемещать из зоны в зону. Важно заметить, что для моновалентной системы сильные морозы — это период повышенного риска. В случае если нет резервного источника аварийного электропитания, отключение электричества грозит полной разморозкой системы. С одной стороны, это ситуация экстренная, с другой, практика показывает, что аварии на подстанциях и в сетях случаются с достаточной регулярностью. Застраховаться от этого можно только установив источник автономного электропитания. В случае с лимитированным энергоснабжением у кольцевой теплонасосной системы проявляется еще одно качество — система децентрализована и не имеет единого крупного центра энергопотребления. Поэтому часть тепловых насосов системы, могут быть отключены, если в данной зоне в данный момент не требуется сильного обогрева. В случае необходимости согреть воздух в нем можно будет достаточно быстро, так как воздушное отопление, как уже говорилось, характеризуется малой инерционностью. Например, в ряде случаев можно отключать «теплые полы» и обогрев полуподвальных нежилых помещений. Это позволит снизить и без того небольшое энергопотребление системы. Регулировка мощности у ТНУ обычно не производится, это системы прямого расширения, а регулировка температурного режима производится путем включения/выключения по установленной на термостате температуре. Конечно, внедряемые широко в последнее время частотные преобразователи могут в ряде случаев решать данную проблему и позволяют плавно регулировать производительность климатического оборудования, в том числе и тепловых насосов. Однако пока частотные преобразователи очень дороги и их применение не носит массовый характер. В ряде регионов лимиты по электроснабжению связаны с опережающим ростом потребления, непокрытым достаточными возможностями по генерации и передаче электроэнергии. В качестве примера можно привести Краснодар, где темпы строительства в последние годы невероятно велики. До недавнего времени это был город низкоэтажной застройки, и лишь за последние 12–15 лет этажность домов стала резко расти. Новые здания, офисные центры, производственные помещения, гостиницы строятся в тех районах, где изначально инфраструктура не предусматривала наличие такого количества потребителей тепла и электричества. В таких случаях использование теплонасосных систем практически единственный выход. Тем более что геотермальные системы могут использоваться в условиях стесненного свободного пространства — если подземный контур закладывается в скважины, то необходимые площади сводятся к нескольким квадратным метрам Самые крупные геотермальные проекты сейчас реализуются или уже реализованы именно в Краснодарском крае. Мировой опыт подтверждает целесообразность использования теплонасосных систем в условиях ограниченных поставок электроэнергии. Например, в Шотландии по программе доступного жилья был построен целый ряд жилых «низкобюджетных» комплексов. Учитывая крайне высокую стоимость тепловой и электроэнергии, проектировщики ориентировались на то, чтобы получить максимально дешевую стоимость эксплуатации для жильцов. Для обогрева были использованы геотермальные тепловые насосы, которые используют в качестве источника низкопотенциального тепла воду из старых затопленных угольных шахт, в большом количестве расположенных в округе и имеющих постоянную температуру воды +12°С. В итоге, ежемесячная стоимость отопления для жителей составила всего $2 в месяц на каждую из квартир. Нужно учитывать, что лимит на поставку электроэнергии — это, прежде всего, экономическое ограничение. То есть поставки сверхлимитной электроэнергии слишком дороги, чтобы активно их использовать. Фактические ограничения на поставляемую энергию встречаются крайне редко, в случае сильно изношенных сетей и распределительного оборудования. У нас в стране в массовом коммерческом порядке первые крупные проекты с использованием тепловых насосов были запущены совсем недавно. Все они являются пилотными. Первые месяцы эксплуатации этих зданий показали снижение затрат на энергоснабжение в среднем вдвое. Таким образом, уже на практике система подтверждает свою работоспособность в российских условиях, так как отечественного опыта в этой сфере до последнего времени практически не было — проектировщики ориентировались в основном на достаточно обширный опыт западных коллег. Но уже сегодня видно, что именно возможность работы в условиях ограниченных поставок электроэнергии — решающий фактор при выборе теплонасосоной системы в качестве основного способа отопления.