Подземные источники низкопотенциальной энергии и VRF-системы.

Компания Mitsubishi Electric уже более 7 лет поставляет на европейский рынок VRF-системы с водяным охлаждением теплообменника. Сейчас выпускаются две модификации подобных систем. Серия WY предполагает одновременную работу внутренних блоков в одинаковом режиме: охлаждение или обогрев, а серия WR2 допускает одновременную работу внутренних блоков в разных режимах. Важно отметить, что контур хладагента в обоих типах систем Mitsubishi Electric является двухтрубным на любом участке, хотя общеизвестный синоним систем второго типа – «трехтрубные системы».

В системах, состоящих из нескольких компрессорно-конденсаторных блоков серии WR2, формируются два контура утилизации тепла. Первый – это перемещение теплоты между внутренними блоками, принадлежащими одному контуру хладагента. Внутренний блок, работающий в режиме охлаждения, поглощает теплоту из воздуха помещения, и эта теплота не рассеивается в атмосферу, как в обычных сплит-системах, а поступает во внутренние блоки для обогрева соседних помещений. Получается, например, что мощный сервер с большими тепловыделениями частично отапливает обычные офисные помещения. Второй контур утилизации формируется за счет теплоносителя. Если один компрессорно-конденсаторный блок работает преимущественно на охлаждение, то он увеличивает температуру теплоносителя. Другой, работая преимущественно на обогрев, будет охлаждать теплоноситель. В такой ситуации потребуются минимальные энергозатраты на поддержание температуры теплоносителя в допустимом диапазоне.

Наилучшие показатели эффективности системы достигаются осенью и весной, а также в регионах с большой амплитудой суточных колебаний температуры, когда в пределах одного здания требуется одновременное охлаждение и нагрев воздуха в отдельных помещениях. В этих случаях коэффициент производительности системы может достигать 7,5, т.е. 1 кВт электрической мощности обеспечивает суммарное значение холодо- и теплопроизводительности 7,5 кВт.

Пример системы City Multi WR2 с градирней и бойлером

Рис. 1. «Традиционное» применение систем с водяным охлаждением

VRF-системы с водяным охлаждением теплообменника стремительно набирают популярность благодаря ряду привлекательных особенностей.

Во-первых, это наивысшая энергоэффективность, поскольку системы на их основе имеют два контура утилизации тепла. Во-вторых, возможность использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, в частности низкопотенциальной тепловой энергии почвы и грунта. Эта особенность находится в полном соответствии с основными положениями энергетической стратегии России на период до 2020 года. И наконец, использование источников тепла, находящихся в самих зданиях (например, тепловыделений от серверов), для обогрева соседних помещений.

Традиционное применение VRF-систем с водяным охлаждением теплообменника – это объекты, на которых невозможно использование VRF-систем с воздушным охлаждением.

Например, кондиционирование высотных зданий – большая протяженность магистрали хладагента негативно сказывается на энергоэффективности системы. Решение заключается в использовании компрессорно-конденсаторных агрегатов с водяным охлаждением, расположении их ближе к внутренним блокам и сокращении длины фреонопроводов. Вместо этого удлинению подвергается контур теплоносителя,что связано со сравнительно меньшими энергозатратами. В результате увеличивается коэффициент полезного действия холодильного контура и снижается потребление электроэнергии.

Менее распространенное, но актуальное применение – это здания, где не могут быть установлены никакие внешние теплообменные агрегаты. Например, перекрытия и кровля не допускают монтажа многотонных сухих градирен,а другого места для их размещения нет. Или это могут быть сооружения с эксплуатируемой кровлей, которую «невыгодно» отдавать под технологические нужды, а также здания, расположенные на морском побережье (высокая коррозионная активность воздуха). Наконец, объекты – памятники архитектуры: в большинстве случаев очень затруднительно оснастить их воздушными теплообменниками. Поэтому рынок, насыщенный приборами с воздушными теплообменниками, давно уже готов для систем,основанных на использовании альтернативных источников низкопотенциальной тепловой энергии, в частности, энергии грунта, подземных и поверхностных вод.

Поверхностные слои земного шара являются огромным аккумулятором солнечной энергии.

Если температура воздуха изменяется от 0 до 30 °С в течение года, то температура грунта на глубине всего 3-4 м остается практически постоянной и составляет 10,5–11,5 °С. Такой источник тепла идеален для VRF-систем и позволяет достичь высокого коэффициента энергоэффективности. Существует два основных варианта реализации данного решения: системы с открытым контуром теплоносителя – вода подземных источников поднимается на поверхность и подключается непосредственно к теплообменнику теплового насоса; системы с замкнутым контуром теплоносителя имеют в своем составе специальные теплообменники, расположенные под землей или под водой.

Системы с открытым контуром теплоносителя Грунтовые воды являются частью круговорота воды в природе. Под действием силы тяжести вода находится в непрерывном движении и,стремясь достичь наиболее низкого места в рельефе, возвращается в реки и моря. Водоносный слой состоит из водопроницаемых горных пород: песок, гравий, галечники и т.п. Температура подземной воды соответствует температуре грунта и на достаточной глубине почти не связана с колебаниями температуры атмосферного воздуха. С этой точки зрения она является удобным источником тепла для построения высокоэффективных тепловых насосов на базе VRF-систем.

Расположение водоносного слоя зависит от структуры горных пород и рельефа местности.

Например, в Лондоне меловой водоносный слой толщиной 180–245 м находится под 80-метровым слоем глины. Определить влагоемкость водоносного слоя можно с помощью гидрогеологических карт. Но для уточнения параметров слоя и определения возможности его использования потребуется провести пробное бурение.

В последнее десятилетие снижение промышленной активности в городах привело к повышению уровня грунтовых вод и упрощению доступа к ним. Интересный проект VRF-системы с открытым контуром теплоносителя реализовали партнеры Mitsubishi Electric в Великобритании. Здание промышленного склада в Лондоне, построенное в XIX веке в районе Кларкенвел, модернизировали и превратили в первоклассный современный отель Zetter. Архитекторы рекомендовали использовать систему кондиционирования воздуха, не содержащую в своем составе приборов для наружной установки, поскольку на кровле по их замыслу должны располагаться роскошные апартаменты – пентхаус. «Если бы мы установили обычные системы воздушного охлаждения, то пришлось бы пожертвовать одним из сьютов на кровле,которые приносят значимый доход отелю», – прокомментировал Тодд Било, директор по эксплуатации отеля. К счастью поиски альтернативного источника тепла оказались успешными – под зданием на глубине 130 м обнаружили водоносный слой с температурой воды 13–14 °С. Подняв воду на поверхность, ее направили к промежуточному теплообменнику, включенному в контур теплоносителя семи водоохлаждаемых компрессорно-конденсаторных блоков Mitsubishi Electric PQRY-P250YMF-C серии WR2. Выбор системы с утилизацией обоснован следующими причинами. С одной стороны, гости дорогого отеля должны быть независимы в выборе рабочего режима: охлаждение или обогрев. С другой стороны, только такое решение позволяет добиться максимальной экономии энергоресурсов и сокращения эксплуатационных расходов. Коэффициент производительности системы кондиционирования (COP) составляет от 3,48 до 6 в зависимости от рабочего режима. Среднее значение коэффициента равно 4 – это был наилучший показатель для систем кондиционирования воздуха на момент реализации проекта (4 года назад). Если оснастить данный объект современными компрессорно-конденсаторными блоками с использованием хладагента R410A, то коэффициент COP будет лежать в пределах от 4,5 до 7,5 при среднем значении 6,5.

Рис. 2. Здание парламентских офисов Portcullis House (Лондон)

Рис. 3. Схема системы кондиционирования

Еще один европейский пример применения VRF-систем с открытым контуром теплоносителя – отель Штайгенбергер Курхаус (Steigenberger Kurhaus), расположенный в Гааге (Нидерланды) на берегу Северного моря. Он по праву знаменит как один из самых фешенебельных отелей в Европе. Архитектурный облик здания и морской воздух исключают установку каких бы то ни было приборов снаружи здания. Единственный выход – использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтовых вод. Для этого потребовалось пробурить эксплуатационную (извлечение воды из водоносного слоя) и нагнетательную (возврат воды в водоносный слой) скважины глубиной около 100 м. Промежуточный теплообменник связывает контур подземной воды, имеющей температуру 8 °С круглогодично, с компрессорно-конденсаторными агрегатами Mitsubishi Electric PQRYP250YMF-C. Всего установлено 20 агрегатов, к которым подключено 250 внутренних блоков. Суммарная холодопроизводительность оборудования составляет 600 кВт, а максимальное значение коэффициента энергоэффективности равно 7,0. В действительности был еще один довод в пользу такого энергоэффективного решения – это государственная политика уменьшения налогов на энергосберегающее оборудование, проводимая в Нидерландах.

Рис. 4. Отель Zetter (Лондон)

Рис. 5. Отель Steigen-berger Kurhaus (Гаага)

Рис. 6. Схема системы кондиционирования
По приведенным выше проектам уже накоплен достаточный опыт эксплуатации, и работа систем не вызывает нареканий.

Системы с замкнутым контуром теплоносителя

На некоторых территориях непосредственное использование грунтовых вод затруднительно. Влагоемкость водоносного слоя может оказаться недостаточной, или слишком велики затраты на организацию доступа к ним. В этих случаях применяются системы с замкнутым контуром теплоносителя, которые имеют в своем составе специальные подземные теплообменники. Они могут быть вертикальной или горизонтальной модификации. Выбор той или иной конструкции определяется размерами участка под установку теплообменника, типом местной почвы, а также стоимостью работ по выемке грунта.

Вертикальные теплообменники применяют в том случае, если ограничена площадь для их размещения. Теплообменник состоит из набора U-образных полиэтиленовых труб. Их устанавливают в 100–150-миллиметровые вертикальные скважины, которые затем заполняют смесью кварцевого песка и бентонита. Для устранения взаимного влияния таких конструкций их располагают на расстоянии более 5 м друг от друга. Глубина вертикального теплообменника может варьироваться в пределах 15–150 м. При строительстве новых зданий вертикальные теплообменники могут быть заложены в подземные строительные конструкции. Например, в едином технологическом процессе изготовления буронабивных свай, который сейчас широко применяется. Для этого непосредственно на строительной площадке бурят в земле отверстия нужного диаметра. Трубы теплообменника крепят к арматурному каркасу сваи, который затем опускают в отверстия и заливают бетоном.

Рис. 7. Slinky-теплообменник
Почти без дополнительных затрат готов вертикальный грунтовой теплообменник!

Горизонтальные модификации грунтовых теплообменников занимают существенно большую площадь. Это может быть газон перед загородным коттеджем или автомобильная парковка перед торговым центром. Горизонтальные теплообменники располагают сравнительно неглубоко, что обусловлено стоимостью земляных работ, и температура грунта при таком размещении не является оптимальной с точки зрения эффективности теплового насоса. Существует несколько разновидностей горизонтальных теплообменников: однотрубные, мультитрубные и спиральные. Рекомендуется располагать трубы на расстоянии более 30 см друг от друга, а траншеи копать с шагом более 2 м. Существенно уменьшить площадь, занимаемую конструкцией, позволяют спиральные теплообменники типа slinky. Витки спирали находятся в одной горизонтальной плоскости и сдвинуты относительно друг друга. В результате площадь спирального slinky-теплообменника составляет лишь 20-30% от площади однотрубного аналога, но вдвое увеличивается длина трубы.

Для зданий, расположенных около водоемов,например прудов, озер и т.п., может применяться подводный вариант теплообменников. Вода необходимой температуры (10,5–11,5 °С) находится на глубине около 6 м. Для позиционирования теплообменника на требуемой глубине используются буй и якорь, соединенные тросом.

Производительность грунтовых теплообменников составляет от 6 кВт до 10 000 кВт, а срок службы – 50–75 лет. Безусловно, использование низкопотенциального тепла грунта и подземных вод усложняет проектирование систем и требует более высоких капитальных вложений (см. табл. 1). Однако с точки зрения эксплуатационных затрат ничего лучше пока не придумано (см. табл. 2 и 3), и только такие системы могут решать специфические задачи, которые не по силам традиционным системам с воздушным охлаждением.

Рис. 8. Схема системы с замкнутым подземным контуром теплоносителя