Применение геотермической установки в лечебном центре

Michael K. Larson, член ASHRAE

Общее описание установок

Обслуживающие лечебный центр системы машинного оборудования включают теплонасосную установку мощностью 240 тонн (844 кВт), использующую геотермальный источник воды, с водонагревательным котлом, который обеспечивает подачу по ребристым трубам дополнительного тепла по периметру помещений с большими площадями наружных остекленных проемов, например, в бассейн и спортивный зал, основной вестибюль и в помещение для отдыха. Кроме того, в аварийных ситуациях данный котел способен обеспечивать дополнительным теплом водяной контур теплового насоса. На рисунке схематически представлены основные элементы систем машинного оборудования.

Эффективность использования энергии

Анализ 20-летнего цикла затрат на эксплуатацию намечавшегося для здания машинного оборудования показал, что геотермическая теплонасосная установка обеспечит наиболее высокую эффективность использования энергии из всех имеющихся для зданий данного типа систем. В главных насосах водяного контура теплонасосной системы применяется привод с регулируемой частотой в сочетании с двухпутевыми водораспределителями, устанавливаемыми на каждом из тепловых насосов с целью сведения к минимуму мощности насоса, необходимой для работы установки. Около 75% наружного воздуха для вентиляции, поступающего в лечебный центр, проходит предварительное кондиционирование и доводится до нужной температуры с помощью вентиляторов регенерации энергии и осушающих теплообменников, способных регенерировать ощущаемое и скрытое тепло. Каждый из четырех размещенных в лечебном крыле больницы вентиляторов регенерации энергии снижает нагрузку на охлаждение воздуха для вентиляции приблизительно на 6,5 т (23 кВт), а нагрузку на нагрев воздуха для вентиляции - приблизительно на 60 тысяч БТЕ/ч (17 586 Вт). Техническими условиями проекта предусмотрены тепловые насосы с 14,5 EER (минимум) и 3,9 СОР (минимум).

Существующая в западном кампусе лечебного центра система включает работающую на газе водонагревательную систему отопления, в которой используется охлаждение непосредственно холодильным агентом. При сопоставлении показателей работы систем в этих двух кампусах за период с августа 1998 года по июль 1999 года включительно выяснилось, что общие энергозатраты новой установки в восточном кампусе были на 13-46% ниже, чем энергозатраты в западном кампусе лечебного центра. Сопоставление в пользу новой установки в восточном кампусе было бы еще более впечатляющим, если принять во внимание количество рабочих часов в том и другом зданиях. Новый восточный кампус функционирует практически круглосуточно, в то время как в западном кампусе график работы носит более традиционный характер, предусматривающий около 10 рабочих часов в день.

Качество воздуха в помещении и условия температурного комфорта

Вентиляторы регенерации энергии повышают качество воздуха в помещениях и комфортность условий пребывания во всем здании. Возможности этих установок использовать скрытое тепло помогают поддерживать относительную влажность в здании в приемлемых с точки зрения комфортности пределах. Кроме того, эти установки обеспечивают постоянное поступление в здание необходимого количества наружного воздуха для вентиляции при одновременном поддержании необходимой температуры воздуха на входе в тепловые насосы. Эффективность работы вентиляторов регенерации энергии измеряли в июле 1999 года, причем выяснилось, что она находится в пределах исходного расчетного диапазона 80-83% от общего объема регенерации энергии или превышает его.

Основная цель при проектировании машинного оборудования заключалась в том, чтобы повысить комфортность условий пребывания в местах общего пользования, где жильцы здания собираются вместе и проводят свой досуг. Для использования преимуществ естественного освещения во многих таких местах предусмотрены стены с большими площадями остекления, зенитные фонари и стеклянные крыши. Для обеспечения комфортных условий при расчетной зимней температуре -15°F (-26°C) по периметру была предусмотрена система из ребристых труб с использованием горячей воды в качестве теплоносителя. Указанная система проходит также и в расположенный под стеклянным куполом лечебный бассейн и пузырьковые ванны.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Система прямого цифрового регулирования контролирует и обеспечивает регистрацию трендов по всем важнейшим рабочим параметрам в системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Информация о трендах такого типа позволяет персоналу предвидеть возможные проблемы в работе системы и предпринимать необходимые меры.

Простота доступа обслуживающего персонала ко всем установленным над потолком тепловым насосам в здании, в которых вода используется в качестве источника тепла низкого потенциала, обеспечивалась за счет тесной координации усилий инженера и архитектора. Многие воздушные фильтры тепловых насосов размещены в рамах для фильтров, расположенных вблизи воздухораспределительных решеток, что облегчает работу технического персонала при замене фильтров и способствует их регулярной замене по всему зданию. Запорные клапаны расположены таким образом, чтобы теплообменник наземного контура геотермической системы (ТНК) можно было разделить на изолированные друг от друга секции по 12 скважин на каждый контур, с тем чтобы обеспечить возможность отсечки в случае возникновения проблем в подземном трубопроводном контуре.

Схематическое представление систем машинного оборудования 1 - теплообменник с регенерацией ощущаемого и скрытого тепла, 2 - вентилятор регенерации энергии, 3 - наружный зоздух, 4 - вытяжной воздух, 5 - воздух для вентиляции, 6 - объемный клапан (типовой), 7 - тепло- вой насос, 8 - двухпутевой водораспределитель, 9 - термометр и тепловой датчик (типовой), 10- теплонасос- ный водяной контур, 11 - дифференциальное реле давления, 12 - трубчато-пластинчатая радиаторная систе- ма, располагающаяся по периметру, 13 - котел с погружным подогревателем, 14 - водонагревательные насо- сы, 15 - циркуляционный насос погружного подогревателя, 16 - насосы водяного контура с тепловым насо- сом, 17 - ниша для клапана, 18 - запорный клапан, 19 - теплообменник наземного контура

Экономическая эффективность с учетом затрат

Испытания грунта на теплопроводность, которые были проведены на предварительных стадиях проектирования ТНК, в значительной степени способствовали достижению хорошего показателя "затраты-эффективность" системы в целом. Фактические данные испытаний помогли определить оптимальную глубину скважин, их необходимое количество, а также наиболее эффективный тип жидкого цементного раствора. В течение двух дней проводились испытания раствора четырех различных типов. Результаты испытаний позволили обосновать возможность уменьшения необходимой глубины скважин в сравнении с первоначальными расчетами, выполненными на основе компьютерного анализа с использованием принятых для данного района показателей теплопроводности грунта. Достигнутое таким путем уменьшение глубины скважин позволило сэкономить 5 670 футов (1 728 м) труб.

Финансовое соглашение с энергетической компанией дало возможность владельцу здания обосновать увеличение стоимости строительства данной системы выигрышем за счет экономии, которую даст геотермическая теплонасосная установка в течение всего срока ее эксплуатации. Монтаж ТНК был оплачен электроэнергетической компанией OPPD (Omaha Public Power District). Компания QLI арендует ТНК у OPPD на срок 10 лет, за что выплачивает фиксированную ежемесячную арендную плату. После этого право собственности на него перейдет к компании QLI. Кроме того, местный поставщик электроэнергии компания OPPD несет ответственность за техническое обслуживание и ремонт установки ТНК в течение 10-летнего периода аренды.

Согласно прогнозам, по сравнению с традиционной теплонасосной системой, включающей котел и башенный охладитель и использующей воду в качестве теплоносителя, геотермическая теплонасосная установка должна обеспечить экономию затрат в течение всего срока ее эксплуатации в размере 29,5%.

Кроме того, прогнозируется, что за первый год эксплуатации геотермическая установка даст экономию эксплуатационных затрат в размере 31,9%, в то время как экономия затрат на техническое обслуживание за тот же период составит 57,1%. Таким образом, период окупаемости геотермической установки составит 4,2 года, что владельцы здания сочли приемлемым.

К числу других экономических выгод от применения геотермической установки, которые не были учтены в анализе издержек за период ее эксплуатации, относится уменьшение площади здания, необходимой для размещения машинного оборудования, а также тот факт, что отпала необходимость в устройстве дополнительных ландшафтных и (или) архитектурных ограждений для того, чтобы снизить уровень шума и "спрятать" крупный наружный башенный охладитель. Отсутствие потенциальных опасностей для здоровья (например, бактерий легионеллы), которые обычно связывают с башенными охладителями, является еще одним преимуществом данного лечебного заведения.

Заключение

Геотермическая теплонасосная установка с использованием воды в качестве теплоносителя функционирует в соответствии с проектом, а система прямого цифрового регулирования осуществляет контроль и мониторинг показателей ее работы с тем, чтобы содействовать в проведении оценки использования энергии и работы систем машинного оборудования. До настоящего момента функциональные и эксплуатационные показатели систем машинного оборудования в здании соответствуют прогнозам или превосходят их. Данный проект показал, что благодаря новаторским подходам к проектированию и сотрудничеству между инженером, владельцем и поставщиком энергии первоначальные расчетные затраты на строительство геотермической установки можно компенсировать, при этом владелец может получить выгоду за счет экономии затрат за весь срок эксплуатации, что свойственно геотермической установке.

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE, июнь, 2000.

Перевод с английского Б. Рубинштейна.