Впервые теплонасосная система была предложена в 1852 году лордом Кельвином, но реальное применение этих систем началось только в ХХ веке. Практическое воплощение теплонасосных установок (ТНУ) осуществлялось параллельно с развитием холодильной техники, близкой по техническим решениям к ТНУ: повышалась надежность 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 объем производства тепловых насосов утроился и достиг уровня 300 тыс. единиц в год, а общее число действующих ТНУ насчитывало миллионы единиц. В восьмидесятых годах XX века 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, на данный момент эксплуатируются лишь единичные объекты, оснащенные теплонасосными системами теплоснабжения (ТСТ). Одним из таких объектов является представленная в этой аналитической статье сельская школа в Ярославской области, введенная в эксплуатацию в сентябре 1998 года в деревне Филиппово Любимского района ( 1, . Фактически это первая в России сельская школа, оборудованная теплонасосной системой теплоснабжения, использующей низкопотенциальное тепло грунта поверхностных слоев Земли. Технология теплоснабжения школы была разработана ОАО «ИНСОЛАРИНВЕСТ», теплонасосное оборудование изготовлено и смонтировано ФГУП «Рыбинский завод приборостроения», проектирование школы осуществлено ОАО «Ярославгражданпроект».

Здание школы представляет собой двухэтажное кирпичное строение из силикатного кирпича площадью =950 м2, объемом =6 900 м3, с толщиной стен 640–680 мм, площадью оконных и дверных проемов =230 м2 и =20 м2 соответственно. Здание имеет техническое подполье и двускатную крышу с чердачным перекрытием.

Школа расположена на окраине д. Филиппово, примерно в 100 км от Ярославля, и рассчитана на 162 учащихся и 20 преподавателей.

В табл. 1 приведены расчетные нагрузки на системы жизнеобеспечения школы.

Основным фактором, фактически определившим технологию 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. но 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 бакахаккумуляторах.

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, 10–20 м, 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 почвенноклиматических 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. 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 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 ( , которое ранее планировалось для размещения угольной котельной. В этом же здании в цокольном этаже размещена холодильная камера для школьной столовой, охлаждаемая от теплонасосных установок.

Теплонасосная система теплоснабжения школы включает следующие основные элементы:

теплонасосные установки АТНУ15;

бакиаккумуляторы АКВА3000, в каждом из которых установлено три ТЭНа по 9 кВт с таймерами;

систему сбора низкопотенциального тепла грунта – 8 вертикальных грунтовых теплообменников – термоскважин глубиной 40 м каждая;

циркуляционные насосы, контрольноизмерительную аппаратуру.

Основное оборудование ТСТ расположено в здании теплового пункта ( 4, 5, , восемь термоскважин расположены снаружи вокруг здания теплового пункта на расстоянии 3 м от стен.

Теплонасосная система теплоснабжения школы эксплуатируется уже в течение четырех отопительных сезонов. 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 контрольноизмерительной аппаратурой (тепловыми и электрическими счетчиками), с помощью которой ведется непрерывный мониторинг эксплуатационных режимов ТСТ школы.

Обозначения.

АТНУ – автоматизированные теплонасосные установки;

ЦН – циркуляционные насосы;

БА – бакиаккумуляторы;

ГВ – горячее водоснабжение;

ТЭН – теплоэлектронагреватель баковаккумуляторов, работающий в ночном режиме.

В табл. 2 представлены некоторые результаты мониторинга эксплуатации ТСТ школы за отопительный период 2001/02 г.

Как видно из данных, представленных в табл. 2, теплонасосная система теплоснабжения школы обеспечивает экономию энергии от 30 до 45 %, что позволило за четыре года эксплуатации сэкономить около 60 т у. т.

В заключение хотелось бы отметить, что проблема рационального использования топливноэнергетических ресурсов в ЖКХ является на данный момент 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, 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 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 базовой 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 от сжигания органического топлива для целей теплоснабжения.