Внедрение теплового насоса на АЗС компании ОАО «Лукойл»

Тепловые насосы

Тепловой насос — современное оборудование для тепло- и холодоснабжения зданий. Принцип работы заключается в использовании энергии окружающей среды (грунт, вода, воздух, бросовое тепло систем канализации, вентиляции и промышленных процессов). Главные задачи теплонасосных установок — сохранение первичной энергии (это преимущественно относится к ископаемым органическим видам топлива — нефть, газ, уголь) и снижение эксплуатационных затрат конечного потребителя на обогрев и кондиционирование помещений [2].

Основной показатель, характеризующий энергоэффективность тепловых насосов — коэффициент COP (англ. Coefficient of Performance — коэффициент преобразования), рассчитываемый как:

COP = Q/E, (1)

где COP — искомый коэффициент преобразования теплового насоса, о.е.; Q — вырабатываемая тепловая энергия, кВт; E — потребляемая электрическая энергия, кВт. Коэффициент эффективности теплового насоса зависит от множества факторов, однако производители оборудования приводят характерные показатели для двух точек: B0/W35 — система отопления на основе «теплых полов»; B0/W50 — радиаторная система отопления. Точки взяты в соответствии с евростандартом EN 255, описывающим методики и особенности определения COP тепловых насосов. Для большинства европейских тепловых насосов характерны следующие показатели энергоэффективности: 2,7-3,3 для систем отопления на основе радиаторов и 4,7-5,1 о.е. для систем отопления на основе «теплого пола».

Преимущества тепловых насосов

Основные преимущества тепловых насосов вытекают из принципа их работы и высоких коэффициентов трансформации. Приведем их.

Экономичность — она достигается за счет минимальных эксплуатационных расходов и низкой стоимости техобслуживания. При установке тепловых насосов отсутствуют затраты на подведение газопровода и на выделение большой электрической мощности, не нужны емкости для хранения топлива.

Экологичность — она становится возможной за счет отсутствия выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и использования безопасных фреонов, не разрушающих озон.

Перспективность — достигается за счет независимости от цен на органические энергоносители (то есть природный или сжиженный газ, а также твердотопливные энергоносители).

Безопасность — она гарантирована вследствие того, что оборудование работает без процесса сжигания топлива, который является потенциальным источником возникновения пожара.

Инновационность — большое разнообразие схем применения тепловых насосов позволяет использовать их для различных систем отопления, горячего водоснабжения, подогрева бассейна, вентиляции, тротуаров, а также для кондиционирования помещений.

Простота управления — современные системы управления тепловыми насосами позволяют осуществлять управление оборудованием не только из помещения котельной, но и удаленно — посредством 3G или Internet-связи.

Надежность — тут можно сказать, что большая история развития данного направления гарантирует качество и безотказность работы тепловых насосов.

АЗС группы компании ОАО «Лукойл»

АЗС группы компании ОАО «Лукойл» №441 располагается по адресу: Воронежская область, поселок Верхний Мамон, 720 км трассы М-4 «Дон». На данном автозаправочном комплексе, проектирование которого было начато летом 2013-го года, было принято решение поставить современные инженерные системы, отвечающие самым высоким требованиям комфорта и энергосбережения (фото 1).

Среди инновационных инженерных систем, которые были использованы при строительстве данной АЗС: геотермальный тепловой насос Stiebel Eltron; система отопления с использованием «теплого пола» и радиаторов для отопления, фанкойлы для систем отопления и кондиционирования; приточно-вытяжная вентиляция с рекуператором высокой эффективности.

Все эти системы были спроектированы и установлены в здании операторной АЗС. Остановимся на подробном рассмотрении энергоэффективной котельной с геотермальным тепловым насосом Stiebel Eltron.

Проектирование

Для операторной АЗС была использована ставшая уже классической принципиальная схема, разработанная немецкими специалистами Stiebel Eltron (рис. 1). Самый сложный этап проектирования — разработка схемы расположения геотермальных скважин на генеральном плане застройки, его согласование с остальными наружными инженерными сетями. Основные проблемы, которые могут появиться на данном этапе разработки документации — недостаточность размеров участка, выделяемого под скважинное поле, и проработка узлов пересечения трубопроводов с гликолесодержащими жидкостями (которые чаще всего используются в качестве теплоносителя в геотермальных зондах для отбора низкопотенциального тепла) с сетями электроснабжения, водоснабжения и канализации.

Количество скважин определяется расчетами, основные из которых — определение мощности теплового насоса (подбирается на основе расчетов нагрузок в разделах ОВ и ВК) и максимальной глубины скважины, бурение которой возможно на участке строительства.

Если с проведением тепловых расчетов проблем не возникает, то с наличием инженерно-геологических исследований часто возникают сложности. Как правило, заказчик предоставляет отчеты о пробных скважинах до 8 м (реже до 12 м). При разработке же скважинного поля предпочтительно закладывать более глубокие скважины — не только для уменьшения количества скважин и площади геотермального поля, но и для исключения «паразитных» участков (для первых 15 м скважин характерны сезонные изменения температуры грунта, что негативно сказывается на COP, который, как мы уже говорили выше, зависит от двух параметров, один из которых — температура источника низкопотенциального тепла, то есть геотермальных скважин в данном случае). Существует несколько методик расчета общей протяженности скважин, холодопроизводительность которых (поток энергии, отбираемый теплоносителем — гликолем) необходима для корректной работы теплового насоса.

При разработке скважинного поля предпочтительно закладывать более глубокие скважины — не только для уменьшения количества скважин и площади геотермального поля, но и для исключения так называемых «паразитных» участков

Самая распространенная методика — на основе статистических данных по удельному отбору тепла от погонного метра скважины. По нашим данным, закладывая 50-55 Вт отбора тепла с каждого метра геотермальной скважины, обеспечивается стабильная работа геотермальных тепловых насосов.

Геотермальный тепловой насос STIEBEL ELTRON, который был подобран для обеспечения нужд тепло- и холодоснабжения АЗС ОАО «Лукойл», имеет номинальные характеристики, приведенные в табл. 1.

Так как тепловой насос в разрабатываемом проекте будет работать в основном с низкотемпературными системами отопления (типа «теплый пол»), то отбор тепла от грунта будет составлять:

Q_гр = Q - E = 69,7 - 14,4 = 53,3 кВт. (2) Для обеспечения такой нагрузки требуется обеспечить следующую суммарную протяженность скважин:

L = Q_гр1000/55 = 53300/55 = 969 м. (3) При разработке документации было принято решение ограничить максимальную глубину скважины 60 м. Количество скважин в геотермальном поле в этом случае будет 16 шт.

Существуют более надежные методы определения минимальной необходимой суммарной глубины скважин. Так, при наличии паспорта скважины на воду, в котором указаны мощность различных слоев грунта, плотность, влажность, теплопроводность и некоторые другие параметры, представляется возможным провести моделирование отбора низкопотенциального тепла вертикальным геотермальным зондом.

Этот процесс описывается следующим уравнением, которое определяет суммарную глубину скважин:

где используются следующие символы: q_уд — усредненная за год величина теплового потока, Вт; R_ga — линейное термическое сопротивление грунта, м&mdot;°С/Вт; R_b — линейное термическое сопротивление скважины, м&mdot;°С/Вт; k_m — коэффициент, усредняющий пиковую тепловую нагрузку; R_gd — линейное термическое сопротивление грунта в течение расчетного месяца, м&mdot;°С/Вт; R_gd — линейное термическое сопротивление грунта в течение расчетного дня, м&mdot;°С/Вт; k_HL — коэффициент, учитывающий тепловые потери, который принимают равным 1,04; t_гр — температура грунта, °С; t_ант — температура теплоносителя в скважине, °С; Δt — поправка, учитывающая влияние на теплообмен соседних скважин, если расстояние между ними менее 6 м, °С [3].

Самый точный метод — бурение пробной скважины и проведение испытания под названием «тепловой отклик», использование которого позволяет получить фактические данные об удельном теплосъеме на реальной скважине на месте строительства и рассчитать необходимое количество и глубину скважин.

Однако ввиду относительно высокой стоимости проведения испытания «теплового отклика», а также в связи с отсутствием скважин на воду поблизости от места строительства подбор глубины и количества скважин осуществлялся первым способом — на основе статистических данных по удельному отбору низкопотенциального тепла с одного погонного метра геотермальной скважины.

Буровые работы

Монтаж геотермальных тепловых насосов всегда начинается с бурения скважин (фото 2). На этом этапе работ произошли некоторые изменения — ожидаемая глубина скважин в 60 м не подтвердилась. Максимальная глубина скважины составила 35 м, а количество скважин увеличилось с 16 до 30 шт. Для отбора низкопотенциального тепла были использованы геотермальные зонды Uponor (материал изготовления — полиэтилен PE-100, диаметр 40 х 2,4 мм). Для повышения отдачи низкопотенциального тепла грунта скважины заполняются бентонитовой смесью, которая исключает воздушные пробки между грунтом и геотермальным зондом (фото 3).

В качестве системы сбора и распределения теплоносителя в геотермальных скважинах впервые в России был использован геотермальный колодец Uponor Ground 1300. Одна из особенностей колодца — усиленные стенки и люк, которые позволяют выдерживать нагрузку до 40 т. Это позволяет устанавливать колодец в зонах парковки и погрузки-разгрузки (фото 4 и 5).

Вторая особенность распределительного колодца — балансировочные вентили с расходомерами, позволяющие регулировать расход в геотермальных зондах в диапазоне 5-50 л/мин. Это означает, что их пропускной способности будет достаточно для подключения увеличенного количества скважин (фото 6).

Полная заводская сборка распределительного колодца существенно упрощает и ускоряет процесс монтажа контура источника тепла — горизонтальные участки геотермальных зондов достаточно соединить с выходами распределительной гребенки с помощью электросварной муфты. Минимизация работ, проводимых в распределительном колодце, обеспечивает высокую степень гидроизоляции.

Монтаж котельной

После завершения работ по внешнему контуру (скважинное поле и распределительный колодец) были начаты работы внутри котельной. В целом, они не отличаются от монтажа классической котельной с газовым или электрическим котлом. На фото 7 представлена фотография с раннего этапа монтажа котельной.

Одна из ключевых особенностей данной котельной — геотермальный тепловой насос Stiebel Eltron WPF 66 G работает не только на системы отопления и приготовления горячей воды, но и для кондиционирования помещений. Эта возможность обеспечивается четырьмя трехходовыми клапанами модели Stiebel Eltron HUV 80. Электроприводы клапанов, управляемые контроллером тепловых насосов, при потребности помещений в кондиционировании (определяется датчиком температуры и влажности в определенном помещении) меняют местами контура источника низкопотенциального тепла и отопления. В этом случае охлажденный теплоноситель из геотермальных зондов поступает к потребителю — системе охлаждения.

Так как при работе режима охлаждения контура источника низкопотенциального тепла и отопления меняются местами, то для ограничения использования гликолесодержащих жидкостей между буферной емкостью (теплоаккумулятор системы отопления, уменьшающий частоту включения компрессора теплового насоса) и тепловым насосом устанавливается промежуточный разделительный теплообменник. На фото 8 представлен теплообменник Alfa Laval, исполняющий эти функции в котельной АЗС ОАО «Лукойл».

Геотермальный тепловой насос работает не только на системы отопления и приготовления горячей воды, но и для кондиционирования помещений

Теплоноситель из буферной емкости Stiebel Eltron SBP 1500 E Cool (нагретый до +60 °C в зимнее время и охлажденный до +7 °C в летнее время) распределяется по отопительным приборам («теплые полы», радиаторы, фанкойлы) с помощью насосных групп Meibes с циркуляционными насосами с частотным регулированием, которые управляются контроллером теплового насоса Stiebel Eltron WPMW II.

Изображение распределительной гребенки с насосными группами Meibes представлено на фото 9.

В проекте были использованы расширительные баки Reflex линейки NG в контурах источника низкопотенциального тепла, контуре отопления тепловых насосов (до теплообменника Alfa Laval), в контуре отопительных приборов (после теплообменника Alfa Laval). В системе водоснабжения (емкостной бойлер Stiebel Eltron SBB 751 WP) был использован расширительный бак Refix линейки DT5. Особенность данного бака — наличие проточной арматуры FlowJet. Арматура включает в себя запорные и сливные краны, а также обеспечивает постоянную циркуляцию воды в расширительном баке без её застоя. В котельных автозаправочной станции смонтированы расширительные баки Reflex и Refix (фото 10).

Пусконаладочные работы

По окончании монтажных работ были проведены гидравлические испытания, после чего все трубопроводы были утеплены трубной теплоизоляцией K-Flex ST. Геотермальный тепловой насос Stiebel Eltron WPF 66G и емкостной бойлер Stiebel Eltron SBB 751 WP представлены на фото 11 и 12.

Управление тепловым пунктом полностью автоматизировано. Всё управление производится контроллером Stiebel Eltron WPMW II, который собирает сигналы с различных датчиков температуры (в бойлере горячей воды, в буферной емкости, уличный датчик температуры и другие) и двух комнатных термостатов — Stiebel Eltron FE7 и Stiebel Eltron FEK, которые позволяют регулировать температуру в помещениях, следят за влажностью, управляют насосными группами Meibes. Сервисные работы по тепловому пункту максимально упрощены за счет использования модуля дистанционного управления Stiebel Eltron Combox GSM, который позволяет устранять абсолютное большинство неисправностей, не покидая офиса сервисного центра.

Экономика проекта

Любой проект не будет иметь смысла, если он не будет иметь окупаемость (справедливости ради стоит отметить, что для проектов с установками, использующими возобновляемые источники энергии, могут быть актуальными ещё и социально-экологические показатели).

Например, окупаемость индивидуальной котельной с тепловым насосом обеспечивается низкими эксплуатационными затратами (в сравнении с классическими котлами на органическом топливе и электричестве). Это достигается за счет высокого коэффициента преобразования COP теплового насоса. Кроме того, наличие погодозависимой автоматики позволяет снизить температуру нагрева в то время, когда в этом нет необходимости. В осенний и весенний периоды не требуется высокая мощность для отопления. Отопительная мощность «теплых полов», радиаторов и фанкойлов снижается за счет нагрева теплоносителя в буферной емкости Stiebel Eltron SBP 1500 E Cool до невысоких температур. Снижение температуры нагрева позволяет тепловым насосам работать с большим коэффициентом эффективности COP, снижая тем самым эксплуатационные затраты.

Есть много факторов, которые сдерживают развитие тепловых насосов. Это и объем первоначальных затрат на оборудование и работы, и сложность в монтаже, и низкая степень информированности конечного заказчика

Расчетный срок окупаемости составляет всего четыре года. Это означает, что инвестиции в тепловые насосы в течение нескольких лет позволят получать прибыль за счет эксплуатации установленного высокотехнологичного энергосберегающего оборудования.

Заключение

Существует большое количество факторов, которые сдерживают развитие технологий возобновляемой энергетики, в том числе и тепловых насосов. Это объем первоначальных затрат на оборудование и работы, сложность в монтаже (особенно изготовление геотермальных скважин) и низкая степень информированности конечного заказчика.

Однако большинство решений по внедрению тепловых насосов — вне зависимости от источника тепла (воздушные, водяные, геотермальные тепловые насосы), мощности и функциональности — являются для нас уже типовыми решениями. Подтверждение тому — более сотни объектов по всей стране: от Санкт-Петербурга до Сочи, от Москвы до Байкала. Это позволяет с каждым годом увеличивать темпы внедрения тепловых насосов и увеличивать число новых клиентов.