АВТОР: НОЗДРАЧЕВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ – Директор ООО «Связьинформ»
ТЕПЛОВОЙ НАСОС –
НОВОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГНБ
Статья посвящена внедрению энергосберегающих технологий при строительстве гражданских и промышленных зданий. На конкретном примере показано использование широко известной технологии горизонтально-направленного бурения (далее – ГНБ) для устройства грунтового контура теплового насоса. Приведены конкретные расчеты эффективности предложенной бизнес-модели. Автор подробно иллюстрирует доступность и выгодность применения инновационных энергосберегающих технологий на примере использования теплового насоса.
Историческая справка
Принцип работы теплового насоса был предложен в середине XIX века лордом Кельвином и Р.Вебером, однако его изобретателем считается австрийский инженер П.Р. фон Риттингер. В 1855 году он предложил устройство, нагревавшее замкнутый объем с применением наружного теплообменника.
Путь теплового насоса к массовому потребителю оказался очень долгим. Холодильник — устройство, напоминающее тепловой насос, но работающее «наоборот» — получил широкое распространение уже в 20-х годах XX века. Его продвижению в массы в немалой степени способствовал британский рыболовецкий флот, которому было необходимо обеспечить сохранность выловленной трески. В годы Великой Депрессии именно охлажденная в судовых электрических холодильниках треска стала основой блюда «Fish’n’Chips», так полюбившегося британцам из-за своей питательности и доступности.
Массово тепловые насосы начали производиться только в конце 70-х годов прошлого столетия. Причиной тому стала необходимость высокого уровня автоматизации в системах их управления из-за большой инерционности происходящих процессов. Микропроцессор 8080А, выпущенный в 1974 году корпорация Intel, стал поистине революционным событием, положившим начало эре всеобщей компьютеризации.
Так что такое тепловой насос сегодня? Это устройство, предназначенное, в первую очередь, для отопления жилых и производственных помещений. Дополнительными его функциями являются горячее водоснабжение и кондиционирование домов. Работает оно по принципу переноса тепла земли внутрь помещения. Это удивительно звучит, но тепловой насос использует для отопления только тепло земли, экологически чистый и абсолютно возобновляемый источник энергии. Еще более фантастически выглядит его параметр, называемый иногда к.п.д. и составляющий от 250 до 700 %!
Вы скажете: абсурд, очередной «вечный двигатель»? Отнюдь, здесь нет никакого нарушения физических постулатов! Просто сам по себе тепловой насос не вырабатывает тепло, он только использует электроэнергию для перекачки тепла земли в ваш дом. На каждый 1 кВт*час потребленной электроэнергии в дом поступает до 7кВт*час тепловой энергии, и по этому показателю эффективности тепловому насосу нет равных!
Теперь становится понятным, почему в настоящее время тепловые насосы стремительно распространяются по всему миру. По информации шведской компании Danfoss, в 2009 году в Европе было установлено 324 тысячи тепловых насосов, а в самой Швеции за тот же период было смонтировано… всего 8 газовых котлов! Более того, Норвегия, третья в мире газодобывающая держава, не сжигает ни одного кубометра природного газа на своей территории и потому имеет одну из лучших экологий в мире! В бухте Стокгольма пришвартованы несколько барж, на которых установлены тепловые насосы. Беря балтийскую воду со средней температурой +4 градуса Цельсия с одной стороны баржи, тепловой насос сбрасывает ее на другую сторону, но уже с температурой +2 градуса Цельсия. И этих двух градусов хватает для обеспечения теплом трети Стокгольма! В это верится с трудом, но таковы реальные достижения научно-технического прогресса и передовых технологий энергосбережения!
- Зачем мы за это взялись?
Для ответа на этот вопрос надо вспомнить, что Краснодарский край является одним из самых теплых регионов России. Здесь развита промышленность и сельское хозяйство, а подготовка к проведению зимней Олимпиады-2014 дала дополнительный толчок к развитию строительного бизнеса.
Поэтому не удивительно, что на фоне высокой инвестиционной привлекательности Краснодарского края возникла и продолжает укрепляться конкуренция в выполнении работ по горизонтально-наклонному бурению (далее – ГНБ), основному виду деятельности нашего холдинга.
В этих условиях не могла не возникнуть мысль о диверсификации использования имеющегося парка установок ГНБ и другой строительной техники.
Мы исходили из того, что более 400 км побережья Краснодарского края омываются водами Черного и Азовского морей. К береговой инфраструктуре предъявляются жесткие требования по экологии. Из-за сложного рельефа на юге и юго-западе затруднена полная газификация края.
На совещаниях выдвигались разные варианты, но черту под всеми сомнениями в 2010 году подвел исполнительный директор холдинга А.Н. Таратухин:
— Занимаясь тепловыми насосами и солнечными коллекторами, мы не только сумеем обеспечить заказами наше предприятие, но и будем способствовать внедрению самых передовых энергосберегающих технологий в крае, где живем мы и наши дети.
В начале 2015 года в нашей зоне действия сложились следующие маркетинговые условия:
— наличие негазифицированных территорий.
— высокие экологические требования в курортной зоне;
— отсутствие рынка тепловых насосов и солнечных коллекторов;
— отсутствие квалифицированных специалистов по расчету и монтажу тепловых насосов;
— большой разброс в цене на потребляемую электроэнергию: от 1,7 руб./кВт*час (ночной тариф для населения, проживающего в сельской местности) до 7,6 руб./кВт*час для ряда промышленных и сельскохозяйственных предприятий.
Анализ выше перечисленных условий наряду с благоприятным климатом позволил выделить две категории потенциальных клиентов на тепловые насосы и/или солнечные коллекторы:
— продвинутые пользователи из реального сектора экономики, обладающие достаточными финансовыми средствами и имеющие тягу к передовым технологиям (реальный спрос);
— отложенный спрос среди представителей широкого спектра предприятий, предпринимателей и владельцев индивидуального жилья, пропорциональный росту количества успешно функционирующих тепловых насосов.
Выполнив необходимые расчеты, мы определили, что себестоимость единицы тепловой энергии, вырабатываемой тепловым насосом с грунтовым контуром, при применении тарифа 1,7 руб./кВт*час ниже, чем при сжигании природного газа. При отсутствии природного газа в «шаговой доступности» тепловым насосам нет равных по экономическим показателям. Себестоимость единицы тепловой энергии в котельных, работающих на твердом или жидком топливе, выше теплонасосной в разы. Применение солнечных коллекторов в сочетании с тепловыми насосами по бивалентной схеме еще больше увеличивает экономическую эффективность от применения этих энергосберегающих технологий.
С начала работы ООО «СВЯЗЬИНФОРМ» перед его коллективом была поставлена задача по установке тепловых насосов «под ключ».
- Теловой насос
При подборе оптимального теплового насоса мы сразу столкнулись с серьезными трудностями. Модели ведущих мировых производителей, имея весьма высокую цену, страдали недостатком информации о пользовательских характеристиках. Например, ни один (!) из торговых представителей ведущих компаний-производителей не сумел ответить на элементарный вопрос о производительности циркуляционного насоса, установленного в рассольном контуре теплового насоса. А ведь именно этот насос во многом определяет конструкцию грунтового коллектора, обеспечивающего надежную работу всей системы отопления/кондиционирования здания!
Стало понятно, что продажам тепловых насосов в России не уделяется должного внимания. Их пытаются продвигать так же, как бытовую технику: «главное – продать», а что потом клиент будет делать с этим высокотехнологичным устройством, продавца уже не заботит.
Тем временем, в районе г. Крымск Краснодарского края был найден первый клиент на установку теплового насоса. Им оказался фермер Е.Н. Щерблюк, ведущий свое хозяйство на равнинных землях на правом берегу р. Кубань. Домостроение с отапливаемой площадью 110 кв.м, расположено в «чистом поле», обеспечено электроэнергией с достаточным лимитом потребления. Водоснабжение ведется из артезианской скважины при помощи насосной станции. Вблизи домовладения расположен искусственный водоем объемом около 3000 куб. м.
После выполнения необходимых расчетов в качестве оптимальной модели мы выбрали грунтовый тепловой насос производительностью 9 кВт по теплу, с внешней буферной емкостью системы отопления и внешним накопительным баком для горячего водоснабжения.
- Грунтовый контур
При расчете грунтового коллектора нами было принято во внимание наличие в доступной близости от жилого дома искусственного непромерзающего водоема. Расчеты показали, что оптимальным вариантом будет строительство грунтового коллектора из 3 петель.
Первые две петли имеют длину по 250 метров каждая. Они располагаются горизонтально и представляют собой грунтовый контур смешанного типа: 100 м закладываются в грунт на глубине 1,8 – 2,0 м, а 150 м находятся в водоеме на глубине 2,0 – 2,5 м.
Третья петля длиной 70 м является грунтовым контуром скважинного типа и закладывается в наклонную скважину.
Все три петли объединяются в единый коллектор в помещении котельной.
Строительство грунтового коллектора выполнялось силами участка ГНБ №4 ООО «СВЯЗЬИНФОРМ». В его состав вошли следующие технические средства:
— установка ГНБ Vermeer Navigator D 6×6 Six Shooter;
— смесительная система UNIMIX 13.0;
— локационная система DigiTrak Eclipse;
— автомобиль – автомастерская Ford F350XL;
— прицеп BELSHE T-1 для транспортировки установки ГНБ.
Все указанные технические средства были приобретены у ООО «Спецстройресурс», являющимся представителем группы компаний «ЮНИРУС».
Участок ГНБ №4 был укомплектован следующими специалистами:
— оператор установки ГНБ;
— оператор локации;
— инженер по буровым растворам.
Весь персонал прошел обучение в Международной ассоциации специалистов горизонтально-наклонного бурения (МАС ГНБ).
Привлечение описанных выше ресурсов позволило выполнить работы по строительству грунтового коллектора за 3 рабочих смены.
Первоначально возле помещения котельной был вырыт котлован 2,0 х 2,5 м глубиной 1,5 м у одной стенки и 2,5 м у другой. Учитывая, что в этом месте грунты второй категории, горизонтальные скважины делались с применением лопатки в качестве бурового наконечника. Бурение производилось через стенку котлована горизонтально на глубине 1,8 – 2,0 м до выхода в искусственный водоем. Для большей тепловой эффективности выход второй петли был разнесен от выхода первой на 20 м в сторону по береговой линии.
В эти скважины были заложены грунтовые контуры, изготовленные из полиэтиленовой трубы ПЭ-80 32х2,4. Их подводные части уложены на дно искусственного водоема при помощи специальных пригрузов. Перед монтажом грунтовые контуры заполнялись рассолом, специально приготовленным на основе экологически безопасного пропиленгликоля, с последующей опрессовкой давлением в 4 атм. Приготовление рассола велось в строгом соответствии с выполненными расчетами по температуре и производительности циркуляционных насосов.
Для строительства наклонной скважины специалистами ООО «СВЯЗЬИНФОРМ» была разработана и изготовлена техоснастка, позволяющая установке ГНБ выполнять бурение под углом 35 градусов. Польза этой техоснастки и правильность ее расчета подтвердились успешным выполнением наклонной скважины длиной 77 м.
Грунтовый контур, опускаемый в скважину, был изготовлен из той же полиэтиленовой трубы с U-образным наконечником. Его опускание в скважину осуществлялось при помощи установки ГНБ, для чего к U-образному наконечнику был прикреплен пригруз специальной конструкции, защищающий стенки трубы от повреждений и облегчающий ее прохождение в скважине.
Этот грунтовый контур был залит тем же рассолом и успешно прошел опрессовку.
Все указанные скважины имеют диаметр 110мм и выполнены с применением бентонита Bentinl XR производства компании Sud-Chemie.
Концы всех трех грунтовых контуров были заведены в котельную через закладные каналы на глубине 1,5 м.
- Котельная
В качестве котельной использовалось отдельно стоящее одноэтажное неотапливаемое здание площадью около 12 кв.м. На пространстве размером 1 х 3 м были размещены тепловой насос, буферная емкость системы отопления объемом 100 л и бак для подготовки горячей воды объемом 100 л с внутренним теплообменником. Циркуляционные насосы, подводящие трубы, расширительные емкости и сантехнические фитинги монтировались на стене, непосредственно прилегающей к тепловому насосу.
На противоположной стене был устроен грунтовый коллектор, объединяющий в себе все три грунтовых контура. Его конструкция создает одинаковые условия циркуляции рассола в контурах, возможность отключения отдельных контуров, а также предохраняет трубы от обмерзания в зимний период.
Общая конструкция котельной обеспечивает:
— возможность самодиагностики всей системы, включая тепловой насос;
— выполнение профилактических и ремонтных работ без слива рабочих жидкостей;
— возможность отбора холода для системы пассивного кондиционирования.
- Ввод в эксплуатацию
После немалых усилий, затраченных на выполнение необходимых расчетов, подбор оборудования, таможенную очистку и, наконец, сами строительно-монтажные работы с применение технологии ГНБ, у нас было ожидание запуска теплового насоса как большого события.
Но все прошло до неожиданного просто и буднично. Проверив давление рабочих жидкостей во всех контурах, мы подняли вверх флажок электрического автомата, подав напряжение на тепловой и циркуляционные насосы. И… ровным счетом ничего не произошло! Только на тепловом насосе засветилась консоль управления. Примерно через минуту закончилась самодиагностика, и на консоли появились текущие параметры, а также предложение ввести требуемые температуры системы отопления и горячего водоснабжения.
Мы ввели +53оС для отопления и +55оС для горячей воды. Послышался легкий шум, напоминающий работу хорошего бытового холодильника, и… опять больше ничего!
Через несколько минут мы обратили внимание, что стрелки датчиков температуры на буферной емкости системы отопления и в баке для подготовки горячей воды поползли вверх. При этом определить, что тепловой насос действительно работает, можно было, только взявшись за трубы грунтового коллектора: обратка была заметно холоднее и даже покрылась конденсатом.
Через 12 минут стрелки термометров достигли заданных показаний, и тепловой насос отключился. Внешне это определить можно было только по консоли управления и высыханию конденсата на обратке. Шумовой фон практически не изменился: циркуляционные насосы продолжали распределять тепло по помещению.
Тепло земли действительно поступало в дом и оставалось там, согревая его владельцев!
- Чего мы достигли?
Представляется целесообразным рассматривать полученные результаты с двух точек зрения.
- В результате описанных выше работ в Крымском районе Краснодарского края появился первый реально работающий тепловой насос с грунтовым коллектором. Примечательно, что его пользователем стал обычный фермер, в непростых условиях производящий столь необходимое продовольствие.
Вот некоторые из пользовательских характеристик этого насоса:
— максимально потребляемая электрическая мощность: 2,7 кВт;
— максимальная температура теплоносителя в отопительном контуре: +55оС;
— максимальная температура системы горячего водоснабжения: +57 оС;
— время нагрева бака ГВС до заданной температуры: 12 мин.;
— срок гарантии (при заключении сервисного договора): 5 лет.
Из них смело можно делать вывод, что применение тепловых насосов не только реальное дело, но их внедрение не имеет экономически обоснованных альтернатив в условиях отсутствия природного газа, а также несет в себе большую социальную и экологическую составляющую.
При этом надо помнить, что тепловой насос – высокотехнологичное устройство, и эффективность его работы напрямую зависит от точности расчета и квалификации персонала строительной компании.
- Применение технологии ГНБ в качестве основы монтажа грунтовых коллекторов является достойным способом диверсификации деятельности строительных компаний, столкнувшихся с рыночной конкуренцией и ищущих новые направления в своей работе.
АВТОР: Ноздрачев А.Н.
_____________________________________________________________________________
Материалы являются интеллектуальной собственностью ООО «СВЯЗЬИНФОРМ» при копировании ссылка на источник ОБЯЗАТЕЛЬНА.
