Геотермальные тепловые насосы

C.O.K. N 1 | 2011г. Рубрика: ОТОПЛЕНИЕ И ГВС
В. РАЙХ, к.т.н.

Крупных геотермальных проектов в России сегодня единицы — они носят в основном экспериментальный характер. Такие проекты запущены пока только в Краснодарском крае, Ростовской области, Находке. Среди них жилые дома, развлекательные комплексы и гостиницы.

   Весь мир делает это!
   «Английская королева бурит скважину, чтобы обогреть свой дворец» — так называлась статья, опубликованная в лондонской газете «Таймс». В статье рассказывается о том, что английский королевский двор проводит модернизацию отопительной системы, заменяя устаревшие электрические обогреватели современными геотермальными тепловыми насосами. Эти насосы будут отапливать Букингемский дворец, используя тепло озера, расположенного в придворном саду.
   
   Интерес к геотермальным системам теплоснабжения объясним, если учесть английские тарифы на тепловую и электрическую энергию. Тарифы в России в несколько раз ниже, но внимание к геотермальным теплонасосным системам у нас заметно повысилось. Несмотря на сложность проектировки и некоторые формальные ограничения, сектор котеджного строительства все чаще обращается к теме автономного теплоснабжения.
   
   Что это такое?
   Геотермальный тепловой насос (в англ. варианте Geothermal Heat Pump — GHP) объединяет в себе возможности отопления и кондиционирования. Как и любые другие виды кольцевых теплонасосных систем, геотермальные используются как в коттеджном строительстве, так и для оборудования крупных объектов: офисных и гостиничных центров, административных зданий, многоэтажных жилых домов, промышленных цехов. Исторически геотермальные тепловые насосы начали активно использоваться в 1970х годах, когда мир ощутил первый серьезный энергетический кризис. GHP появились первым делом в домах высшей ценовой категории. Постепенное удешевление технологии привело к тому, что геотермальные тепловые насосы стали массово применяться в США при строительстве. Их также стали использовать при модернизации климатических и отопительных систем.
   
   Геотермальные тепловые насосы установлены в крупнейших зданиях мира — в небоскребах и супермоллах. Самый известный пример — нью-йоркская высотка The Empire State Building. Сегодня в мире использование геотермальных тепловых насосов достигло огромных масштабов. В ряде стран (например, в США) применение подобных систем в общественных зданиях закреплено законодательством. Специалисты утверждают, что только в США ежегодно производится 1–1,2 млн. геотермальных тепловых насосов.
   
   Шведы заявляют, что 70 % всего тепла в стране вырабатывается геотермальными тепловыми насосами. Большую долю потребности в тепловой энергии Стокгольма (320 МВт) обеспечивает геотермальная станция, перекачивающая тепло из Балтийского моря, температура воды в котором +8 °C. Во многих других европейских странах (Великобритании, Германии) государство дотирует установку GHP гражданами в своих квартирах и домах. В Чехии, как ни странно, одном из самых крупных потребителей GHP, дотации исходят от энергетических компаний. 
    
   Как это работает?
   Принцип действия теплового насоса вообще и геотермального в частности относительно прост. По сути, это обычная установка, напоминающая бытовой холодильник. При кондиционировании агрегат с помощью хладагента и компрессора аккумулирует холод, а при обогреве — тепло. Хладагент проходит через испаритель (теплообменник), нагревается до температуры окружающей среды, закипает и испаряется. Далее компрессор сжимает полученный пар, что позволяет нагревать воздух или рабочую жидкость отопительного контура, проходящую через другой теплообменник, до 30–65 °C. Затем давление сбрасывается, и хладагент вновь поступает в испаритель. 
    
   Так работает любой водяной тепловой насос. В качестве источника тепла может использоваться атмосферный воздух внутри здания, теплоцентраль, газовый или электрический котел. Все эти источники тепла являются высокопотенциальными, за исключением случаев, когда тепловые насосы утилизируют тепло, уже произведенное внутри здания. Главный минус высокопотенциальных источников тепла заключается в том, что они дороги и с ростом цен на энергоносители будут дорожать еще больше.
   
   Эффективность использования геотермальных тепловых насосов основана на том, что испарение хладагента производится с помощью низкопотенциальных источников тепловой энергии. Для того чтобы геотермальный тепловой насос работал эффективно, достаточно внешней температуры теплоносителя +4 °C. Такой температурой почти всегда обладают естественные источники: земля (на глубине), водоемы, которые не промерзают зимой до дна, родники и грунтовые воды, моря. Дешевое тепло можно забирать от технологических и промышленных объектов: тепло сточных и промышленных сбросов, силовых установок, трансформаторов.
   
   Как любой тепловой насос, GHP работает в компрессионно-конденсаторном цикле. Водатеплоноситель подается из контура, проложенного под землей, из скважины или водоема. Тепло земли сначала передается воде контура, потом отбирается тепловым насосом и передается дальше в здание — с помощью воздуховодов или кольцевого водяного контура с температурой до 55 °C. Таким образом, установка затрачивает только электрическую энергию на работу циркуляционного насоса контура и на работу компрессоров тепловых насосов для перекачки тепла. Поэтому нет ничего удивительного в высокой эффективности работы GHP — система использует тепло, уже накопленное ранее. КПД геотермальной теплонасосной установки может достигать значений в 350–700 %. Коэффициент преобразования у GHP-систем (отношение теплоты, отдаваемой потребителю к затраченной энергии) зависит от разности требуемой температуры (t1) и температуры источника низкопотенциального тепла (t2), термодинамических свойств жидкости в контуре и особенностей работы каждого вида тепловых насосов. Но в общем виде можно считать, что этот коэффициент преобразования зависит целиком от разности температур t1 и t2. Чем меньше эта разность, тем выше коэффициент преобразования.
   
   Для сравнения эффективности различных видов котельного и отопительного оборудования, например, газового и электрического, и сравнения GHP разных типов применяется обобщенный критерий — коэффициент преобразования первичной энергии К. Он определяется как отношение полученной полезной теплоты (выработанной тепловой энергии) к массе топлива, затраченного на его получение (в условных единицах). Для работы теплового насоса топливо затрачивается только в процессе выработки минимального количества электроэнергии, необходимого для компрессора и циркуляционного насоса.
   
   Удачное сочетание описанных параметров позволяет достигать высокой энергоэффективности. Сближение температур t1 и t2 достигается совершенствованием систем использования теплоты. Например, для современной системы напольного отопления достаточна температура 25–35 °C, тогда как для традиционной системы отопления необходим высокотемпературный источник, нагретый до 70–100 °C.
   
   Типовая геотермальная схема
   Сравнение различных альтернатив построения отопительной системы показывает, что наименее эффективен прямой электрический обогрев (К = 0,27–0,34). Отопление прямым сжиганием углеродистого топлива в котельной приводит к потере около 20 % первичной энергии — коэффициент использования первичной энергии примерно равен КПД котельной: К = 0,75–0,85. При правильной же проектировке тепловых насосов можно получить коэффициент К > 1. Благодаря высокому КПД и коэффициенту использования первичной энергии на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос вырабатывает от 3 до 7 кВт тепловой.
   
   Компоновка и организация
   Классическая геотермальная система может быть организована четырьмя способами: с открытым контуром (open loop); с водоемным контуром (pond loop); с вертикальным теплообменником (vertical loop); с горизонтальным теплообменником (horizontal loop). При открытом контуре на теплообменник подается неподготовленная вода из водоема или скважины. Вода проходит через испаритель, после чего возвращается обратно в водоем. Данный тип геотермальной системы считается наиболее экономичным как в монтаже, так и в эксплуатации. Однако это в идеальных условиях. В реальной жизни неподготовленная вода может вести себя достаточно агрессивно по отношению к поверхностям теплообменника и коммуникациям. Это провоцирует повышение эксплуатационных затрат.
   
   Водоемный цикл возможен, если в непосредственной близости от здания имеется озеро, река или другой непромерзающий водоем. Контур укладывается на дно и протягивается до дома. Внутри контура циркулирует по закрытому циклу подготовленная вода либо антифриз. Этот вид системы хорош тем, что требует минимума земляных работ, благодаря чему является достаточно экономичным при монтаже. Вертикальный теплообменник — это система труб, интегрированная в скважину. Глубина скважины может варьироваться в пределах 20–120 м. По трубам циркулируют вода или антифриз, которые переносят тепло с глубины, где температура всегда постоянна и находится на уровне 8–10 °С. Достоинство такой системы в том, что она не занимает много места, а бурение скважины — относительно недорогая и быстрая процедура.
   
   Горизонтальный теплообменник закладывается в том случае, если есть достаточные площади. Замкнутый контур укладывается кольцами в траншеи. Общая протяженность такого контура варьируется от 30 до 120 м.
   
   На стадии проектирования, исходя из условий (типа грунта, температурного режима и т.д.), инженеры выбирают жидкость, которая будет циркулировать внутри контура. Это может быть обычная или разбавленная антифризом вода, а также чистый антифриз. С помощью таких систем современные тепловые насосы могут поднять температуру теплоносителя до 50–55 °С, а иногда — до 63 °С. Этого достаточно для воздушного отопления и подготовки подогретой воды для нужд ГВС. 
    
   Преимущества и недостатки
   Как уже говорилось, GHP — это реальная замена котлу на жидком топливе, а также электрическому отоплению. В табл. 1 приведены некоторые сравнительные характеристики. Автономность работы геотермальной теплонасосной системы может быть обеспечена собственными источниками электроэнергии. Универсальность по отношению к виду первичной энергии — важнейшая особенность геотермальных тепловых насосов. Можно замещать дефицитные виды энергии менее дефицитными. Сегодня наиболее перспективно использование электроэнергии, выработанной с помощью солнца и ветра. 
    
   Главный недостаток системы — в ее дороговизне в сравнении с остальными типами отопительного оборудования. Однако считается, что геотермальная система уникальна тем, что способна себя окупать, так как она экономичнее любой другой. При условии, что КПД системы от 350 % и нет необходимости закупать и транспортировать топливо, система окупается за 7–10 лет эксплуатации даже при нынешних ценах на энергоносители. Нужно учитывать, что, как любая теплонасосная система, GHP исключительно долговечна и служит 20–25 лет. Некоторые из производителей заявляют, что срок службы их оборудования достигает 50 лет. К тому же можно прогнозировать, что рост цен на энергоносители будет носить скачкообразный характер, поскольку природные запасы ресурсов стремительно сокращаются. В этом свете важно, что стоимость эксплуатации GHP практически не будет зависеть от изменения цен на энергоносители. 
    
   GHP в России
   Для геотермальных систем нет особенных ограничений по использованию в зависимости от климата. Они одинаково эффективно работают в любых климатических условиях, где есть источник низкопотенциального тепла. 
    
   Актуальность геотермальных тепловых насосов обозначается в связи с существованием лимитов на потребление электрической энергии. Такие лимиты часто устанавливаются для предприятий и отдаленных поселков, куда доставлять электроэнергию хлопотно из-за неразвитой инфраструктуры и сетей. В этих условиях геотермальный тепловой насос чуть ли не единственный способ эффективно отапливать и кондиционировать дом. Например, в Подмосковье есть множество коттеджных районов, где застройка остановилась на заключительной стадии в связи с невозможностью подведения достаточного количества электроэнергии. Если в данном районе не предусмотрен другой вид отопления, кроме электрического, то стройка консервируется на долгие годы. В этих условиях GHP — спасение для хозяев. Крупных геотермальных проектов в России единицы — они носят в основном экспериментальный характер. Такие проекты запущены пока только в Краснодарском крае, Ростовской области, Находке. Среди них жилые дома, развлекательные комплексы и гостиницы.
   
   На Черноморском побережье расположена гостиница «Белая Русь» общей площадью 23 тыс. м2. С 1992 г. здесь работает система отопления, использующая на 100 % тепло Черного моря. Коэффициент преобразования этой системы 3,5. Сейчас готовятся к реализации и другие подобные проекты. Среди них гостиничный комплекс площадью 16 тыс. м2 и аэропорт в Геленджике, расположенный в непосредственной близости от моря. Подводя итоги, можно сказать, что геотермальные теплонасосные системы — энергоэффективное оборудование с высокой безопасностью и надежностью.

Назад