В августе 2012 года были подведены итоги организованного компанией «Данфосс» конкурса «Покори инженерный Олимп». «В России достаточно талантливых инженеров и проектировщиков, но добиться широкого признания им бывает очень трудно. Многим интереснейшим проектам так и не удается вырваться за рамки локального информационного поля отдельных регионов. Их авторы не получают заслуженного признания, а национальная инженерная мысль не подпитывается свежими идеями. Мы надеемся, что наш конкурс поможет многим специалистам в полный голос заявить о себе», – говорит Антон Белов, заместитель директора теплового отдела компании и один из членов жюри.

Основной целью конкурса был поиск проектов, в которых с максимальной эффективностью использованы энергосберегающее оборудование и технологии. На призыв «Данфосс» откликнулись проектировщики практически из всех регионов России, и в итоге из большого числа присланных работ было выбрано девять «самых-самых». Именно они получили главный приз: путевки на летние Олимпийские игры 2012 года в Лондоне. Занявшие второе место отправились в поездку на заводы Danfoss в Дании или Словении, а бронзовые призеры были удостоены памятных наград.

О каждом из проектов-призеров можно рассказывать долго: все они выполнены на высоком уровне и содержат красивые и нестандартные технические решения. Впечатляет и диапазон назначения объектов проектирования. Среди них были и стандартные теплопункты в районе массовой жилой застройки. Например, третье место по Дальневосточному ФО занял проект теплового пункта в г. Петропавловске-Камчатском, автор – Петр Ананьев (Хабаровск). Но были и уникальные сооружения, вроде проекта белгородского отраслевого мемориального комплекса на базе первой в мире АЭС (второе место по Центральному ФО, автор – Денис Литвин (Белгород)). Встречались и необычные, такие как футбольные поля реконструированного исторического екатеринбургского Центрального стадиона (первое место по Уральскому ФО, автор – Ольга Алексеева (Екатеринбург)).

К сожалению, объем нашего материала не позволяет подробно рассказать о каждом из проектов. Поэтому мы опишем лишь три из них, которые показались нам самыми неординарными.

Высокотехнологичная энергоэффективность

Поскольку политика компании «Данфосс» направлена на продвижение идей теплосбережения и корректного энергопользования, неудивительно, что приз «Симпатия жюри» получила работа, тесно связанная именно с таким подходом к строительству.

Работа Эдуарда Полетаева, спроектировавшего систему энергоэффективного поверхностного охлаждения в офисно-административном здании в подмосковном Одинцове, обратила на себя внимание именно соответствием современным мировым тенденциям.

Теплоснабжение проектируемого здания организовано нетривиальным образом – посредством использования тепла глубинных слоев Земли. Дело в том, что в поверхностных слоях грунта аккумулируется значительное количество тепла. Процесс идет под действием двух факторов: воздействующей на поверхность солнечной радиации и потока радиогенного тепла из земных недр. И если в верхнем слое (до 20 м) ощущаются сезонные и суточные колебания, то ниже указанной глубины (ее называют «нейтральной зоной») температура грунта стабилизируется.

В связи с наличием геотермического градиента (около 3°С на каждые 100 м) с ростом глубины температура грунта постепенно повышается. Начиная с определенной отметки разность нагрева поверхности и нижних слоев делает возможным применение тепловых насосов, позволяющих эффективно использовать эту теплоту.

Нужно отметить, что системы теплохладоснабжения (ТСТ), которые и позволяют утилизировать низкопотенциальную тепловую энергию глубинных слоев, в настоящее время стали одним из самых быстроразвивающихся направлений альтернативной энергетики. Например, знаменитая «экодеревня» под Копенгагеном (Дания) практически полностью снабжается теплом именно за счет систем тепловых насосов.

Благодаря тому, что технология позволяет использовать даже очень малые (в пределах 10°C) перепады температур, извлечение низкопотенциального геотермального тепла с помощью тепловых насосов возможно практически повсеместно. Такие системы (их английское обозначение «GHP» – «geothermal heat pumps», а российское – «ГТСТ» – «геотермальные теплонасосные системы теплохладоснабжения») позволяют получать в любой точке территории России от 2 до 4 кВт полезного тепла на 1 кВт электрической энергии, затраченной на привод тепловых насосов. Таким образом, экономия на производстве тепла может достигать 75%.

Административно-офисное здание, для которого проектировалась система геотермального теплоснабжения, представляет собой восьмиэтажный дом Г-образной формы. Он, как это принято для такого рода сооружений, имеет стилобатную часть – подвал (где расположены тренажерные залы, склады и технические помещения) и 8 этажей надземной части (площадь типового этажа составляет около 2600 м2). Планируется, что в здании будет работать 1640 человек.

Системы, призванные поддерживать в здании комфортный микроклимат, полностью или частично обеспечиваются теплом за счет геотермальных источников. Элементами сбора теплоты грунта являются грунтовые теплообменники. Каждый из них представляет собой помещенные в глухие вертикальные скважины диаметром 151 мм две полностью изолированные от окружающей среды U-образные петли из полиэтиленовых труб наружным диаметром 32 мм. В них циркулирует антифриз – 40%-ный водный раствор пропиленгликоля. Таким образом, теплоноситель, повысивший свою температуру в грунтовых теплообменниках, направляется в испаритель теплового насоса, где отдает тепло, после чего циркуляционным насосом подается обратно в грунт.

В целом система сбора низкопотенциального тепла грунта (ССНТГ) в данном случае состоит из 450 грунтовых теплообменников. Некоторые из них расположены под проектируемым зданием, другие – под соседними сооружениями. Грунтовые теплообменники размещены частично в шахматном, частично в ортогональном порядке, с шагом 6 метров.

Система теплохладоснабжения (ТСТ) на базе компрессионных машин предусматривает использование тепловых насосов для покрытия тепловой и холодильной нагрузок с целью снижения энергопотребления здания. Центральный элемент системы – агрегат, который при работе с грунтом позволяет получить порядка 2,5÷4,2 кВт тепла (в зависимости от режима) на каждый затраченный киловатт электроэнергии, одновременно с этим вырабатывая холод. Располагается оборудование в соответствующих узлах в помещении ИТП.

Там устанавливаются парокомпрессионные агрегаты (тепловые насосы); максимальная температура теплоносителя составляет 55°С. В здании прокладываются три основных стояка отопления. Под перекрытием каждого этажа установлены сборный и распределительный коллекторы. На подающей линии перед коллекторами монтируется жидкостной фильтр, а на обратной линии – автоматический балансировочный клапан производства Danfoss. На каждом контуре установлен трехходовой регулирующий клапан с электроприводом, который управляется сигналом от термостата, установленного в помещении с соответствующим обогревающим контуром.

Теплоснабжение приточных установок, тепловентиляторов и воздушно-тепловых завес осуществляется также от ИТП по отдельным стоякам и магистралям. Узлы обвязки калориферов вентустановок располагаются в венткамерах. На узлах обвязки предусмотрена байпасная перемычка с установкой трехходового регулирующего клапана Danfoss.

Интересно с точки зрения энергосбережения реализовано решение проблемы холодоснабжения высокотемпературных (17-20°С) систем кондиционирования. Охлаждение теплообменных поверхностей осуществляется так называемым «пассивным» путем. То есть для холодоснабжения применяются естественные источники холода, а не обычные энергоемкие холодильные машины. В данном случае источником выступает грунт, что обеспечивает два заведомых преимущества.

Во-первых, снижение температуры происходит за счет альтернативной энергии, что способствует радикальному снижению эксплуатационных затрат. Во-вторых, применение охлаждающих свойств грунта позволяет повысить коэффициент трансформации тепловых насосов в зимнем режиме. В холодный сезон тепло из недр извлекается и направляется на теплоснабжение, при этом холод аккумулируется в грунте. А при наступлении лета «запасенный» холод используется для кондиционирования. Таким образом, температурный потенциал грунта восстанавливается, давая возможность эффективного использования тепловых насосов зимой.

Помимо оригинальности технического решения, проект Эдуарда Полетаева впечатляет нехарактерной пока для нашей страны ориентированностью на цивилизованное энергопользование. «Первой ласточкой» назвать его, конечно, нельзя, но знаком появления положительной тенденции признать можно. Кстати говоря, в пользу этого свидетельствует и то, что среди призеров конкурса оказалась еще одна похожая работа – в Уссурийске будет осуществлен проект по отоплению, вентиляции, кондиционированию, тепло- и холодоснабжению административно-торгового здания рынка, где источником теплоснабжения также является система тепловых насосов (автор – Наталья Попова, второе место по Дальневосточному ФО).

Океаны в «раковине»

Первое место по Северо-Западному ФО занял Александр Ростовский из Санкт-Петербурга. Приз он получил за проектирование систем вентиляции, кондиционирования воздуха, отопления и автоматизации научно-образовательного комплекса «Приморский океанариум» (г. Владивосток). Награда была вручена «За сложный инженерный проект с увязкой многочисленных помещений с разным микроклиматом в них, что вызвало необходимость изготовления уникального теплотехнического оборудования».

И это действительно так. Приморский океанариум станет одним из самых больших и интересных морских парков в мире. Оборотной стороной уникальности стала чрезвычайная сложность создания микроклимата в огромном комплексе. Ведь фактически под одной крышей предполагается разместить обитателей самых разных климатических зон и глубин. Кроме того, комфортно должны чувствовать себя и люди, которые придут посмотреть на экспозицию и шоу.

Огромное здание (площадью около 35 тыс. м2), по замыслу архитекторов, напоминает гигантскую морскую раковину. Концепция архитектурных и дизайнерских решений, а также системы жизнеобеспечения (СЖО) была разработана профессионалами из Тайваня, имеющими большой опыт проектирования в этой области. Бассейны и аквариумы комплекса вместят в себя приблизительно 25 тыс. тонн воды, что сделает его одним из самых крупных на планете.

Толщина акрилового стекла в самом большом бассейне будет достигать 0,6 м. В семидесятиметровом тоннеле под ним посетители смогут наблюдать за жизнью обитателей глубин, удобно расположившись на движущейся дорожке.

По замыслу своих создателей, Приморский океанариум должен собрать представителей всех водных систем мира. Это свыше 500 видов морских и пресноводных животных, в том числе беспозвоночных, рыб, птиц, морских млекопитающих. Для последних строится большой дельфинарий, где будут проходить шоу-программы. Там же организован отдельный бассейн для проведения процедур дельфинотерапии – перспективного направления восстановительной медицины.

Планируется, что выступления дельфинов-афалин, белух, гринд, сивучей, морских котиков смогут одновременно посмотреть до 800 зрителей.

Чтобы обеспечить все это разнообразие, большую часть здания займут автоматизированные системы жизнеобеспечения и водоподготовки, позволяющие четко контролировать более 10 различных параметров воды.

Например, дельфинарий включает в себя бассейны, заполненные морской водой. Высокая влажность в сочетании с морской солью создает крайне неблагоприятные условия для работы любых отопительных приборов, поэтому была выбрана система воздушного отопления аквастадиона и других помещений. Для защиты остекления дельфинария от выпадения конденсата в холодное время оно обдувается теплым воздухом, подаваемым через решетки в полу. Вверху расположены вытяжные решетки, через которые воздух забирается и поступает в осушительные установки Dantherm. Чтобы полностью защитить от возможной коррозии конструкции и фонари купола, система организована в четыре уровня по высоте.

Нелегко было добиться и равного комфорта для обитателей и посетителей океанариума. Например, в ряде аквариумов комплекса вода должна быть очень холодной. Но при этом на стекле с внешней стороны, при соприкосновении с теплым воздухом, неизбежно будет выпадать конденсат. Чтобы избежать этого, был организован обдув аквариумов холодным воздухом из фанкойлов, причем так, чтобы не создать дискомфорт для зрителей.

Наиболее сложным стало решение для пингвинария. Поддержание микроклимата в нем осложняется особенностями климата острова Русский. В данном случае стандартное проектирование по средним погодным параметрам, взятым из  справочников, привело бы к серьезным проблемам. Поэтому проектировщики из Санкт-Петербурга провели самостоятельное исследование архивов климатических данных по Владивостоку. Выяснилось, что из-за частых зимних оттепелей непосредственное охлаждение влажного воздуха с температурой +20-40°С до -50°С в условиях влажности 60-80% выполнить физически невозможно.

После многофакторного анализа возможных вариантов была выбрана приточно-вытяжная установка блочно-модульного исполнения оригинальной конфигурации со сложным алгоритмом работы. Благодаря ей предложенное решение обеспечивает стабильные результаты в любой сезон, невзирая на погодные колебания.

Особенно интересен узел управления охладителем 2-й ступени. Из-за ограниченной площади помещения венткамер применить байпас или два параллельных охладителя (один работает, другой проходит оттаивание) было невозможно. В итоге нашли оригинальное решение с применением регулирующих клапанов AB-QM компании Danfoss. Контроллер Xenta (TAC) производит замер параметров обрабатываемого воздуха и протекающего через охладитель хладоносителя (38%-ный водный раствор пропиленгликоля), вычисляет точку выпадения конденсата в охладителе и вырабатывает такие управляющие сигналы, что охладитель остается всегда сухим. Такой принцип позволяет плавно менять температуру воздуха в помещениях для пингвинов от летней до стабильно зимней (оттепели в пингвинарии исключены), без резких скачков, которые могут сказаться на самочувствии птиц. Оригинальность решения не вызывает сомнений – нигде в мире такая схема до сих пор не применялась.

Как платить меньше?

При несомненной важности и нужности всех представленных на конкурс проектов особый интерес вызывают те из них, которые наиболее полезны для большинства людей. В той или иной степени все они касаются энергосбережения в ЖКХ.

В этом контексте самого пристального внимания заслуживает проект Дмитрия Буженика из Владивостока (первое место по Дальневосточному ФО «За разработку на экспериментальной основе сложной системы автоматизации и диспетчеризации объекта»).

Чтобы правильно платить за тепло, нужно знать, сколько именно платить. Это очевидно. Но в столкновении с отечественными реалиями все оказывается не так просто. Данные квартирных и общедомовых счетчиков иногда в разы расходятся с показателями теплораспределяющих организаций. В итоге появляются знакомые многим «13-е платежки», в которых эта разница делится на всех жильцов. Система эта, безусловно, к закону имеет отношение косвенное. Но и коммерсантов понять можно – убытки очевидны и далеко не всегда связаны с объективными причинами, вроде износа сетей. С другой стороны, автоматизация теплосетей и учета дает возможность потребителю планировать теплопотребление и автоматизировать его подачу.

Поэтому в построении эффективных и надежных систем диспетчеризации заинтересованы сегодня все – и продавцы, и потребители тепла. Однако проблема заключается в том, что их разработка и организация, особенно если объектов достаточно много, сложна и дорога.

Отличие владивостокского проекта в том, что его авторы сумели найти нестандартный подход к решению этой задачи: они «перевернули» обычную схему диспетчеризации. Идея внешне проста: независимая сеть сбора данных организуется на базе предприятия, которое устанавливает и эксплуатирует узлы учета тепловой энергии. Таким образом, нужда в приобретении сложного и дорогого в обслуживании программно-аппаратного комплекса для конечных потребителей отпадает, а взамен они могут выбрать услугу диспетчеризации как одну из сервисных опций.

Основу информационно-аналитического комплекса составляет универсальная программная платформа, которая содержит базу данных и полный набор средств для их систематизации и обработки. Суть ее работы такова: в общую базу с приборов учета поступают данные о параметрах теплоносителя. Они обрабатываются с помощью независимых программных модулей, а результаты используются для контроля работы тепловых систем и узлов учета, формирования аналитических и фискальных отчетов, построения необходимых графиков и диаграмм. Система модулей гибкая и позволяет надстраивать и переформировывать систему в соответствии с запросами клиента. Программный комплекс организован по технологии «клиент-сервер». То есть к единой базе данных клиентские приложения получают доступ по локальной сети, а собственно мониторинг узлов учета осуществляется с использованием SCADA-системы.

На конкурс был предложен проект внедрения системы на ряде объектов владивостокского завода «Дальприбор», где была реализована схема погодозависимого регулирования распределения тепла. В данном случае особенностью проекта являлась схема программных модулей информационно-аналитической системы.

Комплекс зданий завода, оснащенный, как уже было сказано, системами автоматического погодного регулирования, имеет три независимых тепловых ввода от городской теплосети, оборудованных приборами учета тепла. Четыре из них подключены через общий тепловой ввод. Соответственно, данные с приборов учета и датчиков, подключенных к контроллеру управления, поступают на центральный сервер для формирования базы данных. Одновременно центральный сервер представляет собой АРМ (автоматизированное рабочее место) диспетчера, что дает возможность в режиме реального времени отслеживать изменения параметров технологического процесса, дистанционно изменять режимы автоматического регулирования и анализировать получаемые данные с использованием имеющихся модулей информационно-аналитической системы.

Поскольку график работы завода не предполагает, что в ночное время там будут находиться люди, было принято решение о применение энергосберегающего режима «день-ночь». Он дает возможность без ущерба для комфорта работников заметно снижать температуру в помещениях в ночные часы, а перед сменой возвращать ее к привычным значениям. Использование возможности планирования с учетом праздничных и выходных дней позволяет добиться дополнительного экономического эффекта. И хотя количественно оценить его довольно сложно, по косвенным показателям (например, зависимости тепловой энергии от температуры наружного воздуха) можно сравнить два энергосберегающих режима. Приблизительная оценка предполагает, что такой подход позволяет сэкономить дополнительно до 20% тепла.

Регулирование теплопотребления стало возможным благодаря тому, что система хорошо адаптируется к установленным на теплопунктах заводских объектов погодным контроллерам производства Danfoss.

«Конкурс закончен, да здравствует конкурс!» – так можно перефразировать известное выражение, подытоживая результаты инженерной Олимпиады. Количество и неординарность присланных работ дает возможность с уверенностью сказать – традиции российского проектирования сохранились и, несомненно, будут развиваться и впредь. А талантливые специалисты из разных регионов страны получили возможность познакомить со своей работой широкую профессиональную аудиторию.