Выбор теплового насоса для административных зданий с низким энергопотреблением в условиях холодного климата

Для достижения амбициозных целей в области энергоэффективности зданий, а также реконструкции и строительства зданий с нулевым потреблением энергии рекомендуется применять различные комбинации энергоэффективных технологий. Строительство энергосберегающих домов (экодомов) является приоритетным направлением в Норвегии. В зданиях с низким энергопотреблением требуется высококачественная теплоизоляция, энергоэффективное обслуживание и высокий уровень рекуперации тепла. Кроме того, существуют требования, что в системе энергоснабжения нового здания должны применяться возобновляемые источники энергии. Немало важным, также, является анализ энергоэффективности зданий, в которых используются возобновляемые источники энергии. Для достижения полного потенциала энергоэффективных технологий необходимо изучить экономическую и техническую целесообразность энергетической системы в целом.

Тепловые насосы типа «вода-вода» являются многообещающей технологией, как для жилых зданий, так и для административных сооружений. Геотермальные тепловые насосы так же рассматриваются как весьма эффективная энергосберегающая технология. Эффективность такого оборудования доказана детальными исследованиями и тестированиями. Начиная с 1976 года, были проведены исследования в области работы комбинированных систем, применение тепловых насосов и солнечных коллекторов. Например, Trillat-Berdal et al. представили экспериментальное исследование применения комбинации грунтовых тепловых насосов с термальными солнечными коллекторами в жилом секторе. Оптимально спроектированная и смонтированная комбинация этих устройств может обеспечивать 36% годового объема энергии на отопление и 75% от годового объема на горячее водоснабжение (ГВС). Из-за отсутствия детального описания исследований нового оборудования, специалисты и жильцы скептически относятся к новым идеям. Поэтому, важно изучать и документировать достижения использования новых технологий.

Найти решение задачи оптимального энергоснабжения административных зданий с низким энергопотреблением в условиях холодного климата было целью этого исследования. Комбинированная система теплового насоса с солнечным коллектором рассматривалась как подходящее решение проблемы энергоснабжения. Анализировалось использование следующих вариантов: тепловой насос типа «воздух-вода», геотермальный тепловой насос типа «вода-вода», Комбинированная система теплового насоса типа «воздух – вода» с солнечным коллектором и комбинированная система геотермального теплового насоса типа «вода – вода» с солнечным коллектором. Рабочей жидкостью в этих тепловых насосах был хладагент R-410A. Так как использование тепловых насосов для полного соответствия потребностей в отоплении и их использование в условиях неравномерной нагрузки нецелесообразно, поэтому во время пиковых нагрузок используют электрические котлы. Проанализированные здания были оснащены системой переменного расхода воздуха (ПРВ) и водяной системой отопления. Для уменьшения расходов на установку системы электроснабжения, здания были оборудованы блоком ПРВ и потолочным отоплением. Поскольку Energy Plus способна моделировать реальные условия работы тепловых насосов и системы электроснабжения в зданиях, она была выбрана для проведения исследования. Одновременно анализировались улучшения тепловых насосов и системы контроля вентиляции.

Практический пример

С помощью Energy Plus был проведен анализ нового административного здания с низким энергопотреблением на юге Норвегии. Строение площадью 3 000 м2 расположено на побережье в коммуне Мандал на юге Норвегии, и недавно введено в эксплуатацию. Параметры для Мандала следующие: степень нагрева в день 3 266 °C в час при температуре в помещении 20 °C, средняя годовая наружная температура 6,9 °C, расчетная наружная температура составляет −19 °C. Информация о количестве солнечного излучения для моделирования представлена в ссылке. Общая годовое солнечное излучение на м2 площади следующее: на восточной стороне – 418 кВтч/м2, на западной стороне – 460 кВтч/м2, на северной – 262 кВтч/м2, на южной – 644 кВтч/м2. Здание (см. рисунок 1) рассчитано на 100 офисных работников.

В соответствии с идеей этого проекта в здании предполагалась высококачественная теплоизоляция с значением коэффициента теплопроводности 0,71 Вт/м2К и 0,1 Вт/м2К для окон и стен соответственно. Выбранное значение инфильтрации, равное 0,5 ч-1, соответствует Норвежским стандартам для энергосберегающих домов. Для уменьшения расходов на установку системы энергоснабжения, здание было оснащено блоком ПРВ и потолочным отоплением. Таким образом, система вентиляции и водяное отопление были смонтированы как одно устройство в потолке каждого офиса. Такая конструкция была разработана подрядной компанией. Температура подаваемой в систему отопления воды равна 40 °C, возвращаемой – 35 °C. Система энергоснабжения с тепловым насосом и электрическим бойлером показана на рисунке 2. Схема на рисунке соответствует изображению на дисплее системы управления электроснабжением здания. Так как здание эксплуатируется недавно, в схеме могут быть изменения в будущем, то есть эта схема не является окончательной.

В этом исследовании предположили, что установка кондиционирования воздуха состоит из следующих элементов: впускной и выпускной демпфер, подающий и вытяжной вентилятор, фильтры, высокомощный вращающийся теплообменник и нагревательная спираль. Охлаждающие спирали не использовались для уменьшения электропотребления и упрощения вентиляционной установки. Идея заключалась в том, чтобы охлаждение в ночное время обеспечивалось воздушной вентиляцией. Предполагалось, что расход воздуха в рабочее время будет 6 м3/чм2 и 1 м3/чм2 в нерабочее время, в соответствии с Норвежским стандартам для энергосберегающих строений.

Работа тепловых насосов в административных зданиях с низким энергопотреблением

В поиске подходящего решения проблемы энергоснабжения в исследованных административных зданиях с низким энергопотреблением были проанализированы параметры рабочего процесса и использование энергии. Показано влияние работы системы управления теплового насоса на кривую нагрузка-длительность. На основе данных системы климат-контроля о потребности в отоплении и заводских технических данных тепловых насосов были выбраны следующие значения производительности тепловых насосов:

• для теплового насоса «воздух-вода»: номинальное значение мощности отопления 57,4 кВт и коэффициент преобразования (КП) 3,9.
• для теплового насоса типа «вода-вода»: номинальная мощность 50,8 кВт и КП 5,6.

Работа в ночном режиме является простой энергосберегающей мерой. Однако работа теплового насоса в условиях динамически изменяющейся нагрузки неэффективна. Поэтому анализировались стратегии управления с использованием ночного режима и без него. Стратегия управления без использования ночного режима предполагает, что температура в помещении постоянна. Результаты этого анализа для теплового насоса типа «воздух-вода» представлены на рисунке 3.

Стратегия управления с использованием ночного режима требует высокой пиковой производительности оборудования утром, когда необходимо повысить температуру в помещении (см. рис. 3). Как указано во Введении, в этом случае пиковый эффект обеспечивается электрическим котлом. Постоянная температура в помещении позволяет избежать как пикового увеличения потребления электроэнергии, так и пиковой нагрузки на тепловой насос. Влияние использования ночного режима на общее потребление электроэнергии для системы климат-контроля можно увидеть на графике (Рисунок 4). Результаты стратегии управления без использования ночного режима можно увидеть на рисунке 5.

Кривые нагрузка-длительность, показанные на рисунках 4 и 5, справедливы для теплового насоса типа «воздух-вода». На рисунке 4, можно заметить, что энергия, произведенная электрическим котлом, значительно больше общей энергии, использованной системой климат-контроль. Кроме того, время работы теплового насоса с полной нагрузкой оказалось достаточно низким – только 1 203 часа. Для такого же теплового насоса при постоянной температуре в помещении время работы составляет 1 775 часа, а потребление электроэнергии ниже (см. рисунок 5). Таким образом, стратегия управления без использования ночного режима более предпочтительна. Эта стратегия позволяет полнее использовать технологии теплового насоса и предотвращает излишнее применение электрического бойлера. Этот результат касается и других типов зданий с тепловыми насосами. Суммарные результаты по времени работы и количеству потребленной электроэнергии системой климат-контроля для тепловых насосов типа «воздух-вода» и «вода-вода» показаны в таблице 1.

Таблица 1. Время использование и суммарное потребление электроэнергии тепловым насосом

Постоянная температура в помещении положительно влияет на работу теплового насоса – увеличивается время его работы c полной нагрузкой и уменьшается расход электроэнергии системой климат-контроля (см. табл. 1). Поэтому, было принято решение дальнейшие исследования проводить при постоянной температуре воздуха. В исследуемых тепловых насосах коэффициент преобразования колебался в пределах от 2,2 до 5 в течение года.

Обсуждение

Технико-экономический анализ решений проблем в энергоснабжении выполнен с помощью расчета чистой-приведенной стоимости (NPV). Предполагалось, что срок службы тепловых насосов типа «воздух-вода» срок службы составляет 20 лет, а тепловых насосов типа «вода-вода» – 40 лет (монтируются в скважинах). Предполагалось, что реальная коммерческая выгода будет 6%. При выполнении расчета чистой-приведенной стоимости для сравнения было выбрано строение, полностью отапливаемое электричеством. Капиталовложения для тепловых насосов типа «воздух-вода» составили 246 000 норвежских крон (NOK), а для теплового насоса типа «вода-вода» 425 000 NOK, включая бурении скважины, наличие теплообменника и установку солнечного коллектора (3050 NOK /м2). Тариф на электроэнергию – 1 NOK/ кВтч [11]. Курс валют: 1 евро = 7,36 NOK. При оценке анализируемых решений учитывается 50% среднее повышение тарифа на электроэнергию. Результаты технико-экономического анализа показаны на рисунке 6.

Технико-экономический анализ показывает, что наилучшим решением проблемы энергоснабжения является применение теплового насоса типа «воздух-вода» без использования солнечного коллектора (см. рис. 6). При 50% повышении тарифа на электроэнергию тепловой насос типа «воздух-вода» с солнечным коллектором станет более привлекательным решением. Нынешнее 15% повышение тарифа на электроэнергию выше предполагаемого ранее [14]. Подобная тенденция наблюдается и для других типов строений в таких же экономических условиях, так как соотношение между экономией электроэнергии и общим ее потреблением останется прежним.

Заключение

В статье были проанализированы разные способы решения проблем энергоснабжения административных зданий с низким энергопотреблением в условиях холодного климата. Исследования показали, что в летний период в зданиях необходимо увеличивать воздушный поток в системе вентиляции. Стратегия управления без использования ночного режима лучше подходит для тепловых насосов. Эта стратегия позволяет избежать излишнего использования электрического котла. Так как не вся солнечная энергия проникает в грунт, ежегодно не использованными остаются 20 мегаватт-час потенциально доступной солнечной энергии. Технико-экономический анализ показывает, что в нынешней экономической ситуации наилучшим решением проблемы энергоснабжения является применение теплового насоса типа «воздух-вода» без использования солнечного коллектора. При 50% повышении тарифа на электроэнергию тепловой насос типа «воздух-вода» с солнечным коллектором станет более привлекательным решением. В подобных экономических условиях выбранные решения верны и других типов зданий.