Практическое применение энергосберегающих технологий в системах вентиляции и кондиционирования

Достаточно высокие цены на электроэнергию требуют значительных материальных затрат и имеют постоянную тенденцию к росту. Котельная установка при выработке тепла на отопление сжигает в час столько же газа, сколько один человек сжигает за 10 лет для бытовых нужд (например, для приготовления пищи). Чтобы обеспечить максимальный комфорт при минимальных затратах энергии, нужны эффективные энергосберегающие решения. При этом очень важно, чтобы оборудование кондиционирования и вентиляции эксплуатировалось рационально, а помещение было надежно защищено от излишних теплопоступлений и теплопотерь. Одним из основных подходов к снижению материальных издержек, связанных с комфортным микроклиматом помещений, является применение тепловых насосов.
В Беларуси вопросы применения тепловых насосов начали рассматриваться еще в 1975 году, а активизировались только с 1991 года в рамках республиканской научно-технической программы "Энергосбережение" и по отраслевым программам экономии топливно-энергетических ресурсов.
В рамках конференции “Энергосберегающие системы инженерного обеспечения жилища и энергоэффективная бытовая техника” тепловым насосам было посвящено выступление инженера ЗАО "Аэропров" Д.А. Каракина. Г-н Каракин познакомил присутствующих с устройством этой инженерной системы, ее техническими характеристиками и экономическим эффектом, которого можно достичь используя теплонасосы.
Тепловые насосы представляют собой компактные агрегаты, конструктивно аналогичные холодильным машинам. Основные их элементы — компрессор, испаритель, конденсатор, терморегулирующий вентиль. Может присутствовать микропроцессор, управляющий режимом работы установки. Тепловой насос совместно с гидравлической обвязкой (насосами, теплообменниками, запорной арматурой) иногда называют теплонасосной установкой (ТНУ).
Тепловой насос связан с источником низкопотенциальной теплоты (ИНТ) через испаритель и потребителем высокотемпературной теплоты (ПВТ) — через конденсатор. Между испарителем и конденсатором циркулирует хладагент. При осуществлении обратного термодинамического цикла хладагент переносит тепло от ИНТ к ПВТ. При этом необходимо затратить электроэнергию на привод компрессора. Здесь кроется главное достоинство теплового насоса: на 1 кВт затраченной электрической энергии можно получить более 2.5 кВт тепловой энергии (переданной ПВТ).
В обиходе, а иногда и в технической литературе, можно встретиться с некорректным утверждением, что коэффициент полезного действия (КПД) кондиционера, работающего в режиме теплового насоса, превышает 100%. На самом деле в данном случае речь идет не о КПД, а о коэффициенте эффективности теплового насоса.
За счет преобразования низкопотенциальной теплоты вторичных ресурсов и природных источников в теплоту потребительских параметров тепловые насосы позволяют экономить 30-50% первичного топлива на теплоснабжение при своем достаточно высоком коэффициенте эффективности. Если сравнить приведенные затраты теплоснабжения с применением котельной на жидком топливе (гр. 1) и ТНУ (гр. 2), эффективность ТНУ наступает с третьего года эксплуатации. В некоторых случаях эффективность наступает уже со второго года.
Другим преимуществом систем теплоснабжения с тепловыми насосами является экологическая чистота. Поэтому внедрение тепловых насосов одновременно с экономией первичного топлива снижает физическое и химическое загрязнение окружающей среды, повышает уровень комфортности в помещениях, увеличивает экономичность и надежность работы технологического оборудования, сокращает потребление водных ресурсов и объемы сброса сточных вод.
Фирма Carrier разрабатывает кондиционеры с функцией теплового насоса, обеспечивающие максимальную эффективность при использовании не наносящих вреда окружающей среде хладагентов, уменьшая таким образом выбросы окиси углерода и сохраняя озоновый слой Земли. Используемые хладагенты полностью соответствуют положениям основных международных норм по защите окружающей среды.
ТНУ нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторах. В общественных зданиях с кондиционированием воздуха обычно применяют совмещенные кондиционеры, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в режиме теплового насоса в холодный. В жилищно-коммунальном секторе — автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. На промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты низкопотенциальных вторичных ресурсов, водооборотных систем с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. В связи с этим особенно интересен опыт, накопленный компанией Carrier в производстве энергоэффективного, бесшумного, компактного и безопасного для окружающей среды оборудования.
Для кондиционирования воздуха в жилых и общественных (офисных) помещениях наибольшее распространение получили кондиционеры сплит-систем. Кондиционеры сплит-систем состоят из внешнего блока (компрессорно-конденсаторного агрегата) и внутреннего блока (испарительного). В режим обогрева кондиционер включается при понижении температуры в помещении ниже заданной. При этом происходит реверсирование цикла, и теплообменник наружного блока играет роль испарителя. При кондиционировании нескольких соседних комнат могут использоваться модели, в которых к одному наружному блоку подключены несколько блоков, так называемые мульти-сплит-системы. Основным преимуществом таких кондиционеров является относительная простота конструкции, позволяющая получить достаточно низкую стоимость кондиционера при быстрой и легкой его установке.
Системы с чиллерами и фанкойлами позволяют обеспечить независимое регулирование одновременно в большом количестве помещений, например, в гостиницах, офисах и т.д. Чиллер — это автономный агрегат, представляющий собой законченную холодильную машину, предназначенную для охлаждения или нагрева (в режиме теплового насоса) жидкости. Фанкойл — неавтономный агрегат, устанавливаемый в помещении и включающий теплообменник с вентилятором, фильтр, пульт управления (встроенный или выносной). В качестве теплоносителя используются антифризы на основе воды. При этом предельное расстояние между чиллером и фанкойлом не лимитируется и определяется возможностями насосной станции и теплоизоляцией трубопроводов. Система с чиллерами и фанкойлами позволяет вводить здание в эксплуатацию, постепенно наращивая количество потребителей.
Кроме фанкойлов, в качестве потребителей могут быть теплообменники центрального кондиционера. Иногда несколько центральных кондиционеров обслуживают одно помещение больших размеров (театральный зал, закрытый стадион, производственный цех и т.п.). Центральные кондиционеры фирмы Carrier представляют собой агрегаты модульного типа, что позволяет конструировать системы различных конфигураций в соответствии с требованиями заказчика.
К перечисленным достоинствам разработанных тепловых насосов следует добавить функцию автоматического определения фактической температуры в помещении и поддерживания требуемой температуры. Все это задается с пульта управления. В режиме самодиагностики микропроцессор контролирует режим работы кондиционера, что облегчает работу сервисных служб при обнаружении некорректной работы климатической установки.
Известно, что в режиме обогрева происходит реверсирование цикла, и теплообменник наружного блока, например, сплит-системы, играет роль испарителя. При низкой температуре наружного воздуха уменьшается перепад между температурой кипящего хладагента и температурой окружающего воздуха. Количество передаваемого тепла, необходимого для кипения хладагента, уменьшается, и, соответственно, ухудшаются условия кипения хладагента. Как следствие снижается давление всасывания, падает производительность компрессора. Одновременно снижаются давление и температура конденсации, что приводит к уменьшению теплопроизводительности кондиционера. В этих условиях необходимо максимально оптимизировать обдув испарителя и конденсатора. Ручного регулирования режима работы установки в этом случае не требуется. Датчик температуры располагается таким образом, что он довольно точно замеряет температуру испарения в режиме охлаждения или температуру конденсации в режиме обогрева. Таким образом, микропроцессор всегда "знает" не только текущее давление испарения или конденсации, но и динамику изменения этих давлений, чтобы задать наиболее энергоэффективный способ передачи тепла.
Интеграция тепловых насосов фирмы Carrier в действующие системы теплоснабжения требует большого объема информации различного качества и степени детализации, выполнения различных компоновочных и конструктивных расчетов, решения технико-экономических задач.
ЗАО "Аэропроф" имеет опыт установки тепловых насосов фирмы Carrier и располагает расчетными программами по выбору климатических установок определенной категории (чиллеры, центральные кондиционеры, вентиляторы канального типа и т.д). Они представляют собой математическую модель, представленную в электронном виде, которая совмещена с базой данных в виде электронного каталога. Загружая в расчетную схему определенные термодинамические параметры, программа выбирает подходящий тип оборудования. С помощью таких программ можно не только с достаточной степенью точности выбрать климатическую установку, но и моделировать показания тепловлажностной обработки воздуха в зависимости от изменения внешних факторов.
Подготовила Светлана ГЛАЗКОВА