Сегодня тепловые насосы из сравнительно малоизвестной и не особенно популярной технологии обеспечения теплоснабжения и охлаждения превратились в узнаваемое и достаточно понятное потребителям техническое решение. Во многом этому способствовало изменение нормативного регулирования в стране, общемировой тренд на повышение энергоэффективности и устойчивое развитие, поддерживаемый, в том числе, и российским Правительством, а также усилия производителей и поставщиков данного типа оборудования в его популяризации и продвижении.
Немаловажную роль здесь сыграл и активный рост тарифов на все виды энергии, который значительно, в разы, ускорился в последние годы по сравнению с предыдущими периодами. В результате тепловые насосы нашли свою нишу преимущественно в частных домах. Это оборудование сравнительно небольшой мощности, зачастую конструктивно и внешне очень схожее с кондиционерами (воздушные тепловые насосы), которые устанавливаются и обслуживаются аналогичным с кондиционерами образом. Реже для этих целей применяются геотермальные тепловые насосы, которые, в отличие воздушных, требуют дополнительного устройства грунтовых теплообменников. Зато, за счёт использования тепла грунта, сохраняющего в течение всего года достаточно стабильную температуру, не подверженную резким колебаниям и не уходящую в глубокий минус даже в зимний период, такой тип тепловых насосов обеспечивает наиболее надёжное теплоснабжение в наших климатических условиях. Однако, существуют и другие применения для тепловых насосов.
Производственные процессы отличаются огромным разнообразием как в плане масштаба, так и в плане температурных режимов. В большинстве случаев реализация основной технологии производства сопряжена с тем или иным тепловым процессом: где-то тепло потребляется, где-то – вырабатывается, а где-то образуется как побочный продукт, но едва ли можно найти производство, где тепло совсем никак не участвует. Ниже мы предлагаем рассмотреть несколько вариантов применения тепловых насосов в сферах, сильно отличающихся от малоэтажного жилищного строительства – на районной тепловой станции (РТС) и в метро.
В 2004 г. на РТС-3 г. Зеленограда, находящейся в ведении ПАО «МОЭК», силами ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» была спроектирована и запущена автоматизированная теплонасосная установка (АТНУ), утилизирующая теплоту неочищенных сточных вод расположенной поблизости главной канализационно-насосной станции (ГКНС) Зеленоградводоканала и предназначенная для подогрева подпиточной воды водогрейных котлов районной тепловой станции.
Открытая система теплоснабжения Зеленограда подразумевает постоянный разбор нагретой и подготовленной воды из сетей центрального теплоснабжения жителями города на нужды горячего водоснабжения и, следовательно, постоянное наличие подпитки на РТС. Подпиточная вода, прежде чем будет направлена в котлы для нагрева, проходит цех водоподготовки, где проводится её химическая обработка, в частности, понижается жесткость. Далее вода поступает на предварительный нагрев в тепловые насосы.
АТНУ включает следующие основные части:
- теплонасосный тепловой пункт (ТТП) (см. фото на рис. 1);
- теплообменник утилизатор теплоты сточных вод (см. фото на рис. 2);
- группу подающих насосов сточных вод в ГКНС (см. фото на рис. 3).
Рис. 1. Теплонасосный тепловой пункт (машинный зал).
Рис. 2. Теплообменник-утилизатор на площадке возле здания ГКНС.
Рис. 3. Группа из 3‑х подающих фекальных насосов в здании ГКНС.
Технологическая схема установки приведена на рисунке 4.
Рис. 4. Технологическая схема АТНУ.
Неочищенные сточные воды из приёмного резервуара ГКНС по трём ветвям подаются насосами сточных вод [5] через трубопроводы Т5 напорной канализации в соответствующие три параллельные секции теплообменника-утилизатора, где отдают теплоту промежуточному теплоносителю (воде). Охлаждённые сточные воды по трубопроводу Т6 возвращаются в резервуар. Промежуточный теплоноситель подаётся в теплообменник-утилизатор циркуляционными насосами [3], расположенными в здании теплонасосного теплового пункта, нагревается на 5–6 °С и возвращается в ТТП. Промежуточный теплоноситель циркулирует между ТТП и теплообменником-утилизатором по теплоизолированным трубопроводам Т1 и Т2, длина трассы в двухтрубном исчислении составляет около 660 м.
Нагретый промежуточный теплоноситель подаётся в два тепловых насоса (ТН) [1], работающих параллельно, где отдаёт теплоту хладагенту парокомпрессионного контура и вновь направляется в теплообменник-утилизатор.
Из цеха водоподготовки РТС-3, из водовода В1 подачи водопроводной воды, с помощью насосов 4 в ТТП подаётся исходная вода, которая и нагревается тепловыми насосами.
Проектная тепловая мощность, передаваемая в цех водоподготовки, составляет 2,07 МВт. Расход подаваемой нагретой воды колеблется в пределах от 177,9 до 70 м3 в час.
Установка работает в полностью автоматическом режиме. Проектные технические характеристики приведены в таблице 1.
Таблица 1
Так как изначально АТНУ проектировалась для подогрева подпиточной воды РТС при её работе на открытую систему теплоснабжения, в связи с частичным переходом системы теплоснабжения города на закрытую схему расход подпиточной воды снизился до 50 м3/ч вместо проектных 127 м3/ч. По этой причине в период 2011–2012 гг. АТНУ существенную часть времени работала с неполной нагрузкой. По этим причинам в 2013 г. произведена реконструкция АТНУ с внесением изменений в технологическую схему, что позволило реализовать работу тепловых насосов как в параллельном, так и в последовательном режимах для повышения температуры нагрева воды.
На рисунке 5 приведена фотография производства монтажных работ по реконструкции оборудования машинного зала.
Рис. 5. Монтажные работы по реконструкции оборудования АТНУ.
После 9 лет работы появились первые признаки ухудшения работы теплонасосной установки – участились случаи срабатывания защиты по угрозе заморозки испарителя, что косвенно свидетельствовало об ухудшении работы системы утилизации теплоты сточных вод.
В порядке технического обслуживания был произведен замер расхода в контуре подачи сточных вод в теплообменник-утилизатор с помощью накладного ультразвукового расходомера, который выявил существенное снижение расхода. На рисунке 6 показан процесс измерения.
Рис. 6. Измерение расхода сточных вод в грабельном отделении здания ГКНС.
Дальнейшее обследование показало, что произошёл износ крыльчаток насосов сточных, подающих неочищенные, содержащие большое количество примесей, в том числе и довольно крупных, сточные воды в теплообменник (см. фото на рисунке 7), что и явилось причиной падения расхода.
Рис. 7. Изношенное рабочее колесо насоса сточных вод.
Другим негативно сказавшимся на работе оборудования фактором явилось нарушение технологического процесса: при остановке оборудования не был произведён слив сточных вод из теплообменника-утилизатора. В результате из сточных вод, которые остались внутри теплообменника, образовался осадок на теплообменной поверхности (см. фото на рисунке 8), самоочищающейся при нормальных условиях эксплуатации. Отложения создали дополнительное термическое сопротивление, что привело к падению эффективности теплообмена.
Рис. 8. Отложения на теплообменной поверхности теплообменника-утилизатора.
Следует отметить, что своевременное обнаружение этого отказа было затруднено ведомственной разобщённостью: теплонасосная установка находится в ведении ПАО «МОЭК», при этом система утилизации расположена на территории Зеленоградводоканала.
Для устранения выявленных проблем была произведена замена выработавших ресурс рабочих колёс насосов сточных вод и очистка теплообменных поверхностей теплообменника-утилизатора. Процесс промывки теплообменника приведен на рисунке 9.
Рис. 9. Промывка теплообменника-утилизатора.
Для своевременной регистрации отказов подключена система удалённого мониторинга и диспетчеризации работы АТНУ. На рисунке 10 показан момент наладки этой системы, а на рисунках 11 и 12 - мнемосхемы машинного зала АТНУ и группы насосов сточных вод в здании ГКНС соответственно.
Рис. 10 – Процесс наладки системы удалённого мониторинга.
Рис. 11. Графическая схема управления удалённым мониторингом АТНУ.
Рис. 12. Графическая схема управления удалённым мониторингом группы фекальных насосов системы утилизации в здании ГКНС.
Параметры теплонасосной установки после реконструкции по сравнению с показателями до реконструкции представлены в таблице 2.
Таблица 2
Оценка эффективности проведённых мероприятий по реконструкции АТНУ показала, что выработка тепловой энергии достигла 17 110 МВт*ч в год при экономии газа в размере 1 852 тысячи нм3 в год. Данные по ежегодному снижению выбросов продуктов сгорания приведены в таблице 3.
Таблица 3
Другим примером применения тепловых насосов является их использование для теплоснабжения станций метрополитена.
Современные станционные комплексы метрополитена представляют собой сложную многоярусную конструкцию, полностью или частично расположенную ниже уровня земли. Несмотря на кажущуюся независимость теплового режима подземного объекта от метеорологических условий на поверхности, на станциях метрополитена тоже требуется отопление. Если же рассмотреть все потребности в тепловой энергии, имеющиеся на станции, то обнаружится, что станция потребляет от 1 до 2,5 МВт тепла. Основным потребителем тепла является система вентиляции, что вполне понятно - для обеспечения людей свежим воздухом в подземных помещениях станций метро этот воздух туда должен как-то попасть, да ещё и нагреться от уличной температуры до необходимой в зависимости от назначения вентилируемого помещения. Помимо этого, тепло на станциях метро расходуется на работу воздушно-тепловых завес, погорев ступеней, сходов и площадок возле лифтов, горячее водоснабжение и, конечно, отопление.
В 2017 году компанией «Инсолар» была введена в эксплуатацию первая в России теплонасосная система теплоснабжения (ТСТ) станционного комплекса «Саларьево» московского метрополитена. Система состоит из двух независимых тепловых пунктов, каждый из которых обеспечивает отопление соответствующего вестибюля станции.
На станции установлены 4 тепловых насоса отечественного производства марки Insolar. В качестве источника тепла для работы тепловых насосов здесь используется тоннельный воздух, который нагревается в тоннелях за счёт электрооборудования поездов, освещения, тепловыделений от пассажиров, тепла, выделяемого составами при торможении и т.д. Объём этого воздуха, перемещаемого оборудованием тоннельной вентиляции, огромен – сотни тысяч кубических метров в час в каждом перегоне. Забрать и полезно использовать это тепло, обыкновенно выбрасываемое в атмосферу наших городов с образованием островов тепла, - достойная и вполне решаемая задача, и никакое оборудование не сделает этого лучше, чем тепловой насос.
На рисунке 13 представлена фотография одного из теплонасосных пунктов (ТНП) станции.
Рис. 13. Фотография одного из ТНП станции «Саларьево».
Метрополитен является особо опасным и технически сложным объектом, поэтому и требования к устанавливаемому там оборудованию предъявляются соответствующие. При проведении опытной эксплуатации теплонасосной системы профильные службы метрополитена обеспечили самые жёсткие условия эксплуатации системы с постоянной фиксацией технологических параметров, а также строгим инструментальным контролем как количества вырабатываемой тепловой энергии, так и расхода электроэнергии на привод оборудования. В процессе опытной эксплуатации система подтвердила свою работоспособность, полностью обеспечила требуемую нагрузку при расчётных параметрах теплоносителя и продемонстрировала высокую энергетическую эффективность – зафиксированная инструментальным образом экономия энергии составила 70% при среднем коэффициенте преобразования энергии за период опытной эксплуатации составил 3,5 для ТНП-1 и 3,3 для ТНП-2. Об этом мэр города С.С. Собянин позже написал в своих социальных сетях (рисунок 14).
Второй раз эффективность работы системы оценивалась службой эксплуатации метрополитена в отопительный период 2020-2021 гг. Полученные результаты приведены на рисунках 15 и 16.
Рис.15. Потребление электрической энергии.
Рис.16. Выработка тепловой энергии.
В результате теплонасосная система продемонстрировала следующие показатели (суммарно по двум вестибюлям):
- общее потребление электрической энергии 76 196 кВт*ч;
- общая выработка тепловой энергии 217,92 Гкал.
Экономия энергии за отопительный период составила 177 239 кВт*ч или 69,9%. При этом средний за период коэффициент преобразования энергии составил 3,33.
При действовавшем на тот момент тарифе на электроэнергию 5,5 руб./кВтч экономия за отопительный период составила 0,975 млн рублей.
В настоящее время продолжается работа по внедрению тепловых насосов для теплоснабжения объектов метрополитена, причём сейчас проектировщиками совместно с компанией «Инсолар» рассматриваются ещё более эффективные решения, при которых тепловые насосы будут обеспечивать ещё и холодоснабжение, т.к. на станциях метро есть немало помещений с высокими внутренними тепловыделениями, для которых требуется обеспечивать круглогодичное охлаждение. Такой подход позволит повысить величину интегрального (учитывающего выработку и тепла, и холода) коэффициента преобразования энергии до 7,5. Никакая другая система не способна достигнуть такого уровня энергетической эффективности, особенно учитывая что для его достижения не нужно устанавливать и обслуживать разнородное оборудование (котлы – для тепла, чиллеры – для холода) – с этим отлично справляется тепловой насос в одиночку.
