Еще задолго до того, как «зеленые технологии» стали мейнстримом, передовики неизвестной тогда «декарбонизации» тихо и молча внедряли природосберегательные технологии в жизнь простых граждан уже в конце 70-х годов прошлого века.
В общем и целом, крупнейшими потребителями услуг отопления и охлаждения являются здания (жилые и нежилые) и технологические процессы. Однако при определенных условиях можно замкнуть эти энергетические циклы друг на друга и энергетические потери одного процесса могут стать ресурсом для другого.
Технология, которая может воплотить эту мечту в реальность – тепловые насосы промышленного типа.
Большие тепловые насосы промышленных размеров могут использовать возобновляемую энергию из воздуха, воды или земли, а также расходовать энергию зданий и технологических процессов для обеспечения отопления и охлаждения, обеспечивая при этом сокращения выбросов СО2 и хорошее качества воздуха.
И, несмотря на то, что в разных климатических зонах нельзя применить совершенно одинаковые «зеленые технологии» с одинаковым эффектом, мы будем рассказывать о самых интересных проектах энергосберегающих технологий.
1. Тепловой насос в озере близ г. Лозанна (Швейцария)
Тепловой насос, построенный в 1985 году, обеспечивает тепло для школы и университета.
Два геотермальных тепловых насоса мощностью 4,5 МВт используют воду озера Леман (Женевское озеро) в качестве источника тепла. Забирая воду с расходом примерно 260 л/сек при постоянной температуре 6-7°C, тепловые насосы могут подавать тепло (не воду, а снимаемое с нее тепло) в две сети централизованного теплоснабжения и накопительный бак.
Тепловые насосы работают на полную мощность даже при более низкой потребности в системах централизованного теплоснабжения за счет заполнения накопительного бака. Опция хранения играет роль ограничения пусков тепловых насосов, тем самым ограничивая их механический износ. Тепловые насосы работают только при температуре ниже 16°C, обеспечивая температуру от 28°C до 65°C в обычной теплосети и от 26°C до 50°C в сети с более низкой температурой. Однако при пиковых нагрузках, когда температура наружного воздуха очень низкая, тепловые насосы поддерживаются двумя газовыми турбинами. Холодоснабжение для лабораторий и вентиляции обеспечивается теми же тепловыми насосами. Используемый хладагент — NH3 (аммиак), а достигнутый СОР (показатель эффективности работы) составляет 4,8.
2. Энергия от бетонных стен
Внешние стены производственного цеха используются в качестве ресурса для теплового насоса.
Компания Laumer Bautechnik, расположенная в Баварии, Германия, искала инновационное и экономичное решение для обогрева своего производственного здания из сборных бетонных секций.
В сотрудничестве с Мюнхенским университетом и Министерством окружающей среды Германии, они разработали отопительное решение с использованием сборных бетонных элементов в качестве коллекторов энергии в сочетании с подземным буферным теплоаккумулятором и тепловым насосом.
Выкрашенные в черный цвет для увеличения поглощения тепла внешние стены производственного цеха, с встроенными в них трубами для транспортировки энергии, служат, как и коллекторами тепла, так и одновременно защищают от атмосферных воздействий. Конструктивная целостность обеспечивается внутренними стенками, которые отделены от внешних изоляционным слоем.
Стенной коллектор имеет площадь 14 тыс. кв. м, а объем подземного буферного теплоаккумулятора – 5 тыс. куб. м. Собранное тепло транспортируется в этот подземный теплоаккумулятор, где оно накапливается в зимний отопительный период. Сердцем системы служит большой тепловой насос типа «вода-вода» от компании Viessmann, использующий или подземное теплохранилище или систему грунтового теплового насоса в качестве источника тепла. Таким образом система панельного отопления промышленных размеров обеспечивается теплом с требуемой температурой теплоносителя 37°C, покрывая в том числе и пиковые нагрузки.
Тепловой насос имеет тепловую мощность 198 кВт при СОР 4,8, сама система находится в эксплуатации с 2014 года.
3. Инновационная система отопления и охлаждения на основе солнца и льда в г. Нагольд
Солнце и воздух обеспечивают бесплатную комфортную температуру в помещениях круглый год.
Под стоянкой нового офисного здания в г. Нагольде (Германия), располагается огромный резервуар для хранения льда объемом 300 куб. м. Это часть инновационной энергетической системы, которая обеспечивает 100% потребностей здания в отоплении и охлаждении за счет регенеративных источников энергии.
Все здание отапливается и охлаждается посредством встроенных в бетонные потолки водяных труб, поддерживая постоянную температуру поверхности и обеспечивая комфортную среду, несмотря на большие стеклянные поверхности с внешней стороны здания.
Система отопления и охлаждения состоит из резервуара для хранения льда, большого теплового насоса и контуров солнечно-воздушной абсорбции, установленных на крыше, а также фотоэлектрической (солнечной) установки, которая обеспечивает электричество для электропитания теплового насоса.
Основными источниками тепла являются 42 установленных на крыше солнечно-воздушных абсорбционных контура, работающих в том числе и при низких температурах, которые производят больше энергии, чем классические солнечные панели, поскольку тепло может собираться даже в пасмурные дни.
Система не зависит от сезонных колебаний, поскольку избыточная энергия хранится в резервуаре для хранения льда в целях дальнейшего использования. Центром системы служит тепловой насос, который использует резервуар для хранения льда в качестве источника тепла, и обеспечивает энергией как отопление, так и горячую водопроводную воду.
Энергия, поступающая от абсорбционных контуров на крыше и вообще от окружающей среды, снова и снова растапливает лед, создавая бесконечный источник тепла для теплового насоса. Такие фазовые изменения воды позволяют накапливать или выделять большое количество энергии, избегая необходимости увеличивать размер накопителя для льда. Мощность системы обогрева и охлаждения составляет соответственно 73 и 100,8 кВт, при показателях COP до 4,9 и максимальной температуре нагрева 60°C.
4. Отработанное тепло от дата-центра в Бургундском университете
Французский университет использует тепло от своего центра обработки данных
Университет Бургундии расположен в Дижоне, между Парижем и Лионом, и ежегодно обучает в своих стенах 27 тыс. студентов. Для обогрева зданий в кампусе площадью 115 гектаров университет выбрал высокоэкологичное решение с повторным использованием отработанного тепла от системы охлаждения своего дата-центра. Такое тепло от холодильных систем обычно уходит в никуда — рассеивается, как, например, тепло от домашнего холодильника.
Поскольку тепловая и холодильная энергия в холодильных системах вырабатывается одновременно, высокотемпературный тепловой насос от компании Ochsner, так же выполняет обе функции (обогрев и охлаждение) одновременно: охлаждение дата-центра, обогрев зданий зимой или подогрев водопроводной горячей воды летом, в том числе для кухонь университетских предприятий общепита.
Тепловой насос с тепловой мощностью 420 кВт и холодопроизводительностью 255 кВт способствует экономии 117 тонн CO2 в год. При температуре подаваемого потока 90°C и одновременном использовании функций охлаждения и нагрева достигается интегральный (общий) COP, равный 4,2.
Несмотря на активное развитие технологий тепловых насосов как в промышленном секторе, так и в жилом строительстве, например, в Европе, в Российской Федерации тепловые насосы позиционируются в большей степени как источник тепла для частных домов.
К тому же, вследствие отсутствия разработанных для нашей страны и климатических особенностей регионов — ГОСТов, нормативной документации по организации геотермального теплосбора, использованию водоемов и т.д., пока что отрасль встречается с извечными проблемами любой начинающей отрасли, как, например, недобросовестные поставщики и монтажные организации, отсутствие сервиса, и др.
В результате, процесс внедрения и развития природосберегающих технологий у нас пока идет медленно. Надеемся в скором будущем нормативно-правовой аспект будет под контролем, что поможет отрасли тепловых насосов развиваться и создавать уникальные и интересные проекты в российских широтах.
При написании статьи использованы материалы из публикаций Европейской Ассоциации тепловых насосов.