Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области
Впервые теплонасосная система была предложена в 1852 г. лордом Кельвином, но реальное их применение началось только в ХХ веке. Практическое воплощение теплонасосных установок (ТНУ) осуществлялось параллельно с развитием холодильной техники, близкой по техническим решениям к ТНУ: повышалась надёжность машин, снижалась стоимость, отрабатывалась технология эксплуатации систем с применением ТНУ.
Энергетический кризис семидесятых годов дал мощный толчок развитию ТНУ. Так, например, в США в этот период объём производства тепловых насосов утроился и достиг уровня 300 тыс. шт. в год, а общее число действующих ТНУ насчитывает миллионы штук. В восьмидесятых годах уровень производства и применения ТНУ стабилизировался, а затем вновь начал расти на волне энергосберегающих и экологических тенденций дальнейшего развития мировой энергетики. В России, к сожалению, сегодня эксплуатируются лишь единичные объекты, оснащенные теплонасосными системами теплоснабжения (ТСТ), одним из которых является представленная в этой статье сельская школа в Ярославской области, введенная в эксплуатацию в сентябре 1998 года в деревне Филиппово Любимского района. Фактически это первая в России сельская школа, оборудованная теплонасосной системой теплоснабжения, использующей низкопотенциальное тепло грунта поверхностных слоев Земли (См. Рис. 1 и Рис.2). Технология энергоэффективности для теплоснабжения школы была разработана ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», теплонасосное оборудование было изготовлено и смонтировано ФГУП «Рыбинский завод приборостроения», проектирование школы осуществлено ОАО «Ярославгражданпроект».
Рис. 1. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области.
Рис. 2. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области (фасад).
Здание школы представляет собой двухэтажное кирпичное строение из силикатного кирпича площадью 950 кв.м, объемом 6900 куб.м с толщиной стен 640-680 мм, площадью оконных и дверных проемов 230 кв.м и 20 кв.м соответственно. Здание имеет техническое подполье и двускатную крышу с чердачным перекрытием.
Школа расположено на окраине д. Филиппово примерно в 100 км от г. Ярославля и рассчитана на 162 учащихся и 20 преподавателей.
В таблице 1 приведены расчетные нагрузки на системы жизнеобеспечения школы.
Наименование параметра |
Количество |
Расчетные теплопотери здания, кВт. |
130 |
Среднесуточный расход тепловой энергии на горячее водоснабжение, кВтч. |
162 |
Пиковый часовой расход горячей воды, куб.м/ч. |
1,1 |
Подведенная к зданию школы электрическая мощность, кВт. |
96 |
Основным фактором, фактически определившим технологию энергоэффективности теплоснабжения и конфигурацию ТСТ школы, был значительный дефицит свободной электрической мощности в дневное время суток. При проектировании в качестве альтернативы ТСТ рассматривалось прямое электроотопление, сопоставимое с тепловыми насосами по экологическим параметрам. Однако, электроотопление не могло быть применено в связи с дефицитом 40 кВт, подведенной электрической мощности. В итоге, была создана аккумуляционная теплонасосная система теплоснабжения, максимально вписанная в суточный график электропотребления школы, и использующая высвобождающиеся ночью электрические мощности и ночной тариф на электроэнергию для аккумулирования тепловой энергии в водяных баках- аккумуляторах.
В качестве источника тепловой энергии низкого потенциала для испарителей тепловых насосов используется грунт поверхностных слоев Земли.
Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием двух основных факторов: солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр. Падающая на земную поверхность солнечная радиация и сезонные изменения ее интенсивности оказывают влияние на температурный режим слоев грунта, залегающих на глубинах, не превышающих, как правило, 10-20 метров, ниже которых находятся слои, не подверженные сезонным колебаниям температуры. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатичеcких условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже глубин проникновения тепла солнечной радиации, формируется только под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата. Таким образом, на сравнительно небольшой глубине от поверхности имеются слои грунта, температурный потенциал которых в холодное время года значительно выше, чем у наружного воздуха. Характерным является факт запаздывания во времени колебаний температуры грунта относительно колебаний температуры воздуха, в связи с чем на некоторой глубине от поверхности максимальные температуры в грунте наблюдаются в наиболее холодный период года.
При устройстве в грунте вертикальных или горизонтальных регистров труб (системы сбора низкопотенциального тепла грунта) с циркулирующим по ним теплоносителем, имеющим пониженную относительно окружающего грунтового массива температуру, происходит отбор тепловой энергии от грунта и отвод ее в испаритель теплонасосной установки.
Основным теплообменным элементом системы теплосбора являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа.
ТСТ расположена в отдельно стоящем здании теплового пункта (См. Рис. 3), которое ранее планировалось для размещения угольной котельной. В этом же здании в цокольном этаже размещена холодильная камера для школьной столовой, охлаждаемая от теплонасосных установок.
Рис. 3. Общий вид теплового узла школы.
Теплонасосная система теплоснабжения школы включает следующие основные элементы:
- теплонасосных установок АТНУ – 15;
- бака-аккумулятора АКВА-3000, в каждом из которых установлено 3 ТЭНа по 9 кВт с таймерами;
- систему сбора низкопотенциального тепла грунта -8 вертикальных грунтовых теплообменников- термоскважин глубиной 40 м каждая;
- циркуляционные насосы, контрольно-измерительная аппаратура.
Основное оборудование ТСТ расположено в здании теплового пункта (См. Рис.4 и Рис.5), восемь термоскважин расположены снаружи вокруг здания теплового пункта на расстоянии 3 м от стен.
Рис. 4. Оборудование теплового узла (тепловые насосы).
Рис. 5. Оборудование теплового узла (бак-аккумулятор).
Рис. 6. Оборудование теплового узла (циркуляционные насосы)
Теплонасосная система теплоснабжения школы эксплуатируется уже в течение четырех отопительных сезонов и доказала свою энергоэффективность. Ежегодно, перед началом отопительного сезона, специалистами ФГУП «Рыбинский завод приборостроения» проводятся регламентные работы, а ежемесячно в течение отопительного периода - контрольные осмотры работающего оборудования. Кроме того, тепловой узел оснащен контрольно-измерительной аппаратурой (тепловыми и электрическими счетчиками), с помощью которой ведется постоянный мониторинг эксплуатационных режимов ТСТ школы.
В таблице 2 представлены некоторые результаты мониторинга эксплуатации ТСТ школы за отопительный период 2001-2002 г.г.
Наименование показателей |
5октября – 4 Ноября 2001 |
4 Ноября 2001- 23 Марта 2002 |
1 | 2 | 3 |
Расход электроэнергии по дневному тарифу, кВтч. | 10 323 | 95 250 |
Расход электроэнергии по ночному тарифу, кВтч. | 11 142 | 88 560 |
Произведено тепла, кВтч. | 33 348,8 | 244 878,0 |
Суммарный расход электроэнергии , кВтч. | 21 465,0 | 183 810,0 |
Расход электроэнергии на циркуляционные насосы, кВт ч. | 3 485,0 | 16 100,0 |
Расход электроэнергии на ГВ, кВт ч. | 3 000,0 | 15 000,0 |
Количество энергии, извлеченной из грунта, кВтч. | 18 368,8 | 92 168,0 |
Экономия энергии без учета ГВ, %. | 45 | 31 |
Коэффициент использования тепловой мощности АТНУ, доли ед.(расчет по дн. тарифу). | 0,44 | 0,8 |
Коэффициент использования тепловой мощности ТЭНов БА, доли ед.(расчет по н. тарифу). | 0,478 | 0,710 |
Электроэнергия, затраченная на привод 8АТНУ+ЦН, кВт *час. | 10 339,0 | 113 299,2 |
Коэффициент трансформации *АТНУ +ЦН (без ТЭНов БА), доли ед. | 3,23 | 2,16 |
Усредненный за период удельный теплосъем (количество низкопотенциального тепла снимаемое) с 1 погонного метра длины грунтового теплообменника -скважины, Вт/п.м. |
182 | 126 |
В таблице 2 применены следующие обозначения:
- АТНУ – автоматизированные теплонасосные установки;
- ЦН –циркуляционные насосы;
- БА –баки-аккумуляторы;
- ГВ- горячее водоснабжение;
- ТЭН – теплоэлектронагреватель баков аккумуляторов, работающий в ночном режиме.
Как видно из данных, представленных в таблице 2, теплонасосная система теплоснабжения школы доказала свою высокую энергоэффективность. Она обеспечивает экономию энергии от 30 до 45 %, что позволило за четыре года эксплуатации сэкономить около 60 тонн условного топлива.
В заключение, хотелось бы отметить, что проблема рационального использования топливно-энергетических ресурсов в ЖКХ является сегодня одной из важнейших, как для Ярославской области, так и для России в целом. Введение в России элементов рыночной экономики, повышение цен на традиционное топливо и связанные с этим трудности в топливоснабжении населенных пунктов в значительной мере обострили проблемы теплоснабжения и энергоэффективности, в первую очередь, децентрализованных потребителей тепловой энергии в сельской местности. Решение этой проблемы путем расширения применения традиционных для страны технологий теплоснабжения связано с необходимостью огромных инвестиций либо в реконструкцию существующих сельских электрических сетей, либо в развитие добывающих отраслей и в создание на соответствующей инфраструктуры по обеспечению населения традиционным ископаемым топливом. Наиболее экономичным представляется комплексное решение этой проблемы за счет широкого внедрения новых энергосберегающих технологий теплоснабжения, максимально использующих возможности существующей инфраструктуры и инженерных сетей.
В качестве основной концепции экологически чистого и энергоэффективного теплоснабжения децентрализованных потребителей тепловой энергии в Ярославской области наиболее целесообразным представляется широкое применение аккумуляционных теплонасосных систем теплоснабжения (АТСТ), использующих в качестве источника тепла низкого потенциала грунт поверхностных слоев Земли. В сочетании со спецификой электроснабжения области – значительная часть потребляемой электроэнергии вырабатывается на гидроэлектростанции, широкое применение АТСТ в перспективе может позволить в значительной мере сократить, а может быть и совсем отказаться сжигания органического топлива для целей теплоснабжения.