Подземные источники низкопотенциальной энергии и VRF-системы

В последнее время все чаще можно услышать о применении VRF-систем с водяным охлаждением теплообменника на европейских объектах. В ближайшие годы ожидается существенное расширение присутствия этих систем и на украинском рынке.

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. И, наконец, использование источников тепла, находящихся в самих зданиях, 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. При 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.

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

Менее распространенное, но очень актуальное применение – это здания, в которых 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, испытывающие высокую коррозионную 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 30ºС в течение года, то температура грунта на глубине всего 3–4 м остается практически постоянной и составляет 10,5–11,5ºС. Такой источник тепла идеален для VRF-систем и позволяет достичь высокого коэффициента энергоэффективности.

Существуют 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 — это 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.

Рис. 2. Схема системы кондиционирования

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 13–14ºС. Подняв воду на поверхность, ее направили к промежуточному теплообменнику, включенному в контур теплоносителя 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 — 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 (6 лет назад). Если оснастить данный объект современными компрессорно-конденсаторными блоками с использованием хладагента R410A, то коэффициент COP будет находиться в пределах от 4,5 до 7,5 при среднем значении 6,5.

Еще один европейский пример применения VRF-систем с открытым контуром теплоносителя — отель «Штайгенбергер Курхаус» (Steigen-berger Kurhaus), расположенный в Гааге (Нидерланды) на берегу Северного моря. Он 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 8ºС 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, амаксимальное 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.

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.

Рис. 3. Схема системы с замкнутым подземным контуром теплоносителя

Вертикальные теплообменники применяют в случае, если ограничена площадь для их размещения. Теплообменник состоит из набора U-образных полиэтиленовых труб. Их устанавливают в вертикальные скважины диаметром 100–150 мм, 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. 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% площади однотрубного аналога, но вдвое величивается длина трубы.

Для зданий, расположенных около водоемов, например около прудов, озер и т.п., может применяться подводный вариант теплообменников. Вода необходимой температуры (10,5–11,5ºС) 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. Однако с точки зрения эксплуатационных затрат ничего лучше пока не придумано, и только такие системы могут решать специфические задачи, которые не по силам традиционным системам с воздушным охлаждением.

Правила использования материалов сайта