Перспективы использования тепловых насосов в липецкой области. Использование тепловых насосов в мире – статистика, тенденции, перспективы

Перспективы применения тепловых насосов

В системах теплоснабжения многих стран широкое распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы (ТН) мощностью до 0,5 МВт с поршневыми компрессорами. Производятся также винтовые ТН установлен­ной тепловой мощностью до 9 МВт и турбокомпрессорные – выше 9 МВт. Сегодня в мире в системах теплоснабжения эксплуатируется более 18 млн крупных ТН. В наибольших масштабах они применяются в Швеции, где общая установленная тепловая мощность ТН превысила 1200 МВт, а самый крупный из них имеет мощность 320 МВт.

В России общая установленная тепловая мощность ТН составляет всœего 65 МВт . За последние 10 лет государственная система разработки, строительства и эксплуатации теплонасосных установок практически прекратила существование. В СССР была система нормативных документов, разработки, изготовления ТН, проектирования теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения. Разработкой ТН занимался ВНИИхолодмаш (ᴦ. (Москва). Тепловые насосы выпускали на ПО ʼʼМелитопольмашʼʼ (45 – 65 кВт), экспериментальном заводе ВНИИхолодмаша (80 кВт), Читинском машиностроительном заводе (100 кВт), Московском заводе ʼʼКомпрессорʼʼ (300, 500 кВт), НПО ʼʼКазанькомпрессормашʼʼ (1,0, 2,5, 8,5, 11,5 МВт). В этих ТН была использована конструкция холодильных машин, что обусловливало их малый ресурс, так как соотношение давлений нагнетания и всасывания компрессоров ТН в три раза больше. Разработкой проектов установки ТН занимался ВНИПИэнергопром, Крымским филиалом которого было разработано 26 проектов с 117 ТН общей тепловой мощностью 165 МВт. Успешно эксплуатировались десятки систем теплоснабжения с ТН. Так, в Ялте работала теплонасосная система теплоснабжения с использованием теплоты морской воды мощностью 2,5 МВт. На Светлогорском целлюлозно-бумажном комбинате Ленинградской области эксплуатировалась ТНУ тепловой мощностью 18 МВт.

Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются их эко­номической и технологической востребованностью. Распространенная оценка эффективности ТН – по коэффициенту преобразования (отношению количества тепловой энергии на выходе ТН к количеству электрической энергии на его привод). По такой оценке для получения 100 Вт тепловой мощности на выходе ТН крайне важно в среднем затратить 30 кВт элект­рической мощности. При работе ТН с электроприводом с учетом фактического КПД генерирования электроэнергии и ее потерь для получения на выходе из ТНУ 100 кВт тепловой мощности крайне важно затратить 170 кВт (с учетом топливного эквивалента). При работе ТН с приводом от двигателя внутреннего сгорания (турбины) для получения на выходе ТН той же мощности (100 кВт) требуется только 88 кВт энергии первичного органического топлива.

Хотя в настоящее время в России нет государственной программы развития теплонасосного теплоснабжения, определœенная работа в данном направлении всœе же ведется. В Минэнерго РФ разработан проект государственного стандарта ʼʼНетрадиционная энергетика. Тепловые насосы для коммунально-бытового водо­снабженияʼʼ. По заказу Госстроя РФ разработаны ʼʼМетодические рекомендации по применению ТН и методика расчета техни­ко-экономической эффективности их использо­вания в ЖКХʼʼ (разработчик – ФГУП ʼʼМНИИЭКО ТЭКʼʼ, ᴦ. Пермь, научный руководитель – доктор техн. наук Д. Г. Закиров). Министерство науки и технологий РФ организовало тендер на создание ТНУ с использованием низкопотенциальных источников тепла единичной тепловой мощностью до 20 МВт.

Разработкой и производством ТН в России в основном занимается ЗАО ʼʼЭнергияʼʼ (Новосибирск) под руководством кандидата технических наук Ю. М. Петина. Оно серийно выпускает ТН мощностью от 0,1 до 5 МВт. Наиболее массово производятся машины НТ-300. Такие ТН установлены в школе ᴦ. Карасук Новосибирской области, здании ЦСУ ᴦ. Горноалтайска, на курорте ʼʼГорячинскʼʼ в Бурятии, в ᴦ. Елизово и пос. Термальном на Камчатке, в совхозе ʼʼМирныйʼʼ Алтайского края. НТ-500 эксплуатируется в научном центре ʼʼИнститут экологииʼʼ ᴦ. Красноярска. Две машины НТ-1000 установлены в Новосибирской области, четыре тепловых насоса НТ-3000 – в Тюмени и Каунасе. Стоимость российских ТН составляет 90 – 100 тыс. дол./МВт, что значительно ниже зарубежных. Так, в США стоимость поршневого ТН равна 279 тыс. долл/МВт, в Европе стоимость винтовых – 137 – 159 тыс. долл/МВт, турбокомпрессорных – 1500 тыс. долл/МВт.

Проектированием систем теплоснабжения объектов с использованием ТН в Москве занимается коллектив ПАО (до 2015 г. ОАО) ʼʼИнсоляр-Инвестʼʼ под руководством кандидата технических наук Г. П. Васильева. Тепловые насосы АТНУ-15 Рыбинского завода приборостроения установлены в теплоснабжения зданий жилого дома в микрорайоне ʼʼНикули-2ʼʼ в ᴦ.Москва, школы в д. Филиппово Люблинского района Ярославской области. Важно заметить, что для столицы ими разработаны нормы проектирования теплонасосных систем теплоснабжения. Проектирование и строительство теплонасосных систем теплоснабжения с использованием теплоты шахтных вод и водопровода осуществляет коллектив ФГУП ʼʼМНИИЭКО ТЭКʼʼ под руководством доктора технических. наук Д. Г. Закирова . Наибольшими темпами теплонасосное теплоснабжение развивается в Новосибирской области. Там реализуется областная целœевая программа установки ТН на объектах 30 населœенных пунктов общей тепловой мощностью 21 МВт.

Мировой опыт свидетельствует о перспективности масштабного применения ТН в теплоснабжении. Наибольшие успехи достигнуты в условиях государственной поддержки. В России в настоящее время отсутствие большого спроса на ТН vjuen объяснить следующие причины:

– низкая стоимость топлива, тепловой и электрической энергии;

– отсутствие государственной технической, экономической политики и нормативной базы в этой области;

– недостаточная информация и малый опыт практического применения;

низкая надежность, ограниченность типоразмеров отечественных конструкций;

– высокой для отечественного рынка стоимостью зарубежных ТН.

Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются:

– технологической востребованностью, в т.ч. при использовании вторичных энергоресурсов, геотермальной энергии;

– тенденцией повышения цен на топливо, тепловую и электрическую энергию;

– наличием в стране опытных разработчиков и производителœей ТН, способных при сотрудничестве с зарубежными партнерами обеспечить выпуск конкурентоспособных ТН.

Перспективы применения тепловых насосов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Перспективы применения тепловых насосов" 2017, 2018.

Тепловой насос был изобретен лордом Кельвином в 1852 году. Принципиально он имеет много общего с холодильником. Работа этих машин основывается на одних и тех же законах термодинамики. Если функцией холодильника является создание низкой отрицательной температуры и замораживание продуктов, то лорд Кельвин использовал его противоположным образом. Теплообменник, с которого сбрасывается тепло, был использован для нагрева жилого помещения. Морозильную камеру - теплообменник-испаритель - изобретатель разместил за наружной стеной дома. Машина продолжала работать в том же режиме, но теперь ее функцией стало повышение температуры и отопление, а не охлаждение помещения.

Любая промышленная деятельность, любой технологический процесс предполагает в конечном итоге превращение энергии, сконцентрированной в энергоносителях, в рассеянное тепло.

Это происходит практически при любых производственных циклах, за исключением получения некоторых химических веществ, где тепло расходуется на образование химических связей. Используя нефть, газ, уголь и дрова, в большинстве случаев, кроме продукции и отходов, мы получаем также нагретые до какой-то степени воздух и воду. Это низкотемпературное рассеянное тепло именуется множеством вторичных источников тепла. Их запасы огромны, а в количественном выражении их величина равна затраченной производством энергии.

Вся проблема заключается в том, что производству нужны большие температуры. Для концентрации энергии нужно затратить значительно большее ее количество.

Тепловой насос позволяет концентрировать низкотемпературное тепло для дальнейшего его использования при гораздо меньших первичных затратах энергии. Основная его характеристика - коэффициент теплопроизводительности - это отношение затраченной энергии к полученной. На каждый киловатт электрической мощности компрессора, насос, в зависимости от условий, может произвести от 1 до 10 киловатт тепла.

Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Термин "произвести" несколько некорректен и не отражает сути происходящего. Тепловой насос не производит, а перекачивает тепло. Ситуация сходна с добычей угля или нефти, когда затраты энергии меньше, чем процент ее содержания в топливе.

По вышеописанной причине эти две машины стоят особняком в мире техники - они не имеют КПД. Вместо этого показателя у холодильника - коэффициент холодопроизводительности, у теплового насоса - теплопроизводительность. Оба они рассчитываются по той же формуле, что и КПД.

Использование теплового насоса возможно только в небольшом интервале температур. Нижний предел ограничен температурой источника вторичного тепла. В случае использования в этом качестве воды предел составляет 0° С, воздуха - -50° С. Ниже этих значений на теплообменнике начинает нарастать лед. Имея низкий коэффициент передачи тепла, он снижает теплопроизводительность. Расход электроэнергии начинает превышать количество полученного тепла. При таких условиях обычный электрообогреватель становится эффективнее теплового насоса.

Этих неприятных моментов стараются избежать, увеличивая рабочую площадь теплообменника. Применяются также и системы оттаивания, используемые для сброса льда и работающие в автоматическом режиме. В наших климатических условиях источник вторичного тепла должен быть достаточно стабильным.

Верхний предел использования - температура свыше 70° С. Проблемы возникают из-за химической неустойчивости масел, используемых для смазки компрессоров.

Работая в интервале от -5 до 70° С, тепловой насос имеет наименьший коэффициент теплопроизводительности. Чем меньше разница между источником вторичного тепла и температурой нагреваемого теплоносителя, тем выше эта характеристика. Наибольшее значение коэффициента достигается, если разница составляет 10-20° С.

Необходимость такого режима работы возникает также весьма редко.

Наиболее часто используется интервал температур от 0 до 50° С. Теплопроизводительность при таких режимах составляет 3-5 единиц. Такие показатели соответствуют потребностям температуры воды для санитарных нужд.

Экономические показатели работы оборудования прямо зависят от места установки, существующих коммуникаций и стабильности вторичного источника тепла. В настоящее время в связи со значительным ростом цен на энергоносители значительно возросли требования к эффективности. Если в 80-е годы сроки окупаемости были в пределах 7-10 лет, то сейчас норма составляет 0,5-3,5 года. Этот процесс может прогрессировать при дальнейшем удорожании энергоносителей.

Снижение затрат станет еще более значительным, если будет налажено собственное производство тепловых насосов. Сейчас можно приобрести только импортные образцы, стоимость которых держится в пределах $700-1200 на 1 кВт тепловой мощности.

При значении коэффициента теплопроизводительности, рав-ном 2,5, тепловой насос становится эффективным для экономики в целом. Лишь 40% производимой энергии превращается в электрический ток. Вся остальная энергия рассеивается в атмосфере в виде тепла.

Если теплопроизводительность насоса равна 2,5, то это значит, что сконцентрированное им количество тепла равно энергии сгорания топлива, израсходованного на производство нужной ему электроэнергии. Когда коэффициент доходит до значения 3,0, это означает, что энергии произведено на 20% больше, чем было израсходовано. Простой электрообогреватель ничего подобного произвести не может. Он дает тепло в количестве, эквивалентном потребляемой электроэнергии.

Тепловые насосы могут вернуть для повторного потребления огромное количество рассеянного тепла, выделившегося при использовании промышленностью различных видов топлива. На пути возможной реализации подобных замыслов стоит ряд ограничений, связанных с архитектурой и размещением предприятий.

Мощность источников вторичного тепла на некоторых из них колоссальна, но использование их проблематично из-за большого удаления от потребителей.

Сооружение теплотрасс для низкотемпературных теплоносителей требует значительных капитальных затрат. Наибольший эффект достигается, когда расстояние между вторичным источником тепла и потребителем не превышает нескольких десятков метров.

Использованию низкопотенциального тепла предприятий препятствует и режим их работы. В случае, когда нет непрерывного рабочего цикла, снабжение потребителя нарушается во время выходных и праздников.

Таким образом, использование вторичных источников предприятий возможно лишь для собственных их нужд, теплоснабжения собственных помещений, обеспечения горячей водой в санитарных и технологических целях.

Минский метрополитен имеет непрерывный технологический цикл за исключением нескольких ночных часов. На станции метро "Тракторный завод" белорусско-германское СП "Термоблок" установило теплонасосную установку производства "DUNHOM-BUSH" (США). Оборудование заменило приточно-вытяжную вентиляцию установленной мощностью 15 кВт.

Два тепловых насоса установки при потребляемой электрической мощности 10 кВт обеспечивают 30 кВт тепла. Источником низкотемпературной теплоты служат работающие трансформаторы питающей подстанции. Трансформаторный зал необходимо постоянно вентилировать и охлаждать, в противном случае КПД трансформации электрического тока значительно снизится.

Приточно-вытяжная вентиляция справлялась с проблемой достаточно хорошо, но тепловой насос оказался более эффективным. Отводя тепло на обогрев служебных помещений, он потребляет на 5 кВт меньше электроэнергии. При стоимости 1 кВт, равной $22 500, срок окупаемости не превышает 0,5 года. После запуска насоса в ноябре 1996 г. он выработает свой ресурс только через 10 лет, в соответствии с гарантиями фирмы-изготовителя.

В промышленно развитых странах мира тепловые насосы используются достаточно широко, ежегодно производится несколько миллионов единиц различных видов энегии. Часть технологических процессов и оборудования, которые РБ стремится приобрести, отличается от наших аналогов именно наличием тепловых насосов и фактом утилизации рассеянного тепла.

Наиболее широко используются установки с мощностью 1-10 кВт (для теплоснабжения отдельных помещений и коттеджей). Если позволяют климатические условия (температура наружного воздуха опускается ниже -5° С только в течение месяца), используется тепло атмосферного воздуха. Во всех подобных системах предусмотрено реверсирование с возможностью кондиционирования воздуха в летнее время. Пока Беларусь располагает тремя тепловыми насосами. Потенциал их возможностей для энергосбережения по разным оценкам колеблется в пределах 6 000 000-10 000 000 т. у. т. (тонн условного топлива). Они позволяют использовать одно и то же тепло несколько раз. При широком использовании тепловых насосов может произойти главное - промышленность Беларуси значительно снизит затраты энергии на единицу продукции и сможет достичь европейского уровня.

Подобный тепловой насос использован для теплоснабжения санатория "Белая Русь" в Туапсе, принадлежащего РБ. Тепловая мощность насоса составляет 3,6 МВт, в качестве источника низкотемпературного тепла используется морская вода Черного моря. (Зимняя температура черноморской воды не опускается ниже 8° С.)

В отличие от теплоутилизаторов, рекуператоров и воздухообменников тепловой насос способен поднять температуру используемой воды или воздуха до отметки, значительно превышающей температуру вторичного источника тепла. Кроме источников тепла техногенного происхождения, с помощью теплонасосных установок возможно утилизировать теплоту, запасенную грунтом и природными водами. Они получают ее в летнее время и отдают в течение зимы. Для теплового насоса и порода основания фундамента здания, и пруд, расположенный неподалеку, являются аккумуляторами тепла.

К освоению данного направления приступили специалисты БелНИИС. Здесь разработан и изготовлен тепловой насос с частично импортной комплектацией. Опытно-промышленный образец установлен в специально запроектированном энергоэффективном здании полезной площадью 200 м 2. Насос должен обеспечить создание 16 кВт тепла для теплоснабжения и прочих нужд.

Прием тепловой энергии подстилающего грунта осуществляется при помощи пласмассового теплообменника, проложенного на глубине 1,5 метра. Роль теплоносителя выполняет вода. Пластмассовая труба на протяжении всех 400 метров длины не имеет стыков. Долговечность ее в значительной степени превышает долговечность металла.

За рубежом подобные системы выполняют по другой схеме. Теплообменник заглубляют вертикально, иногда его глубина превышает 30 метров. В жаркую погоду тепловой насос, охлаждая помещение, передает тепло грунту. В холодное время года процесс идет в обратном направлении. За лето температура породы увеличивается на несколько градусов, зимой она выполняет роль аккумулятора тепла внушительной емкости.

Такой вариант применяют при отсутствии грунтовых вод или при большой глубине их залегания. Вода по сравнению со многими другими горными породами имеет гораздо большую теплоемкость. В условиях Беларуси подобный тепловой аккумулятор не имеет смысла - грунтовые воды вследствие своей миграции унесли бы создаваемый запас. По этой причине вертикальная схема расположения теплообменника в РБ малоэффективна.

Поэтому для энергоэффективного здания в Уручье-4 специалисты БелНИИС расположили теплообменник горизонтально. В самую жестокую зимнюю стужу температура грунта редко снижается до 3° С. Многие характеристики теплонасосной установки не подтверждены его работой. Вследствие отсутствия финансирования здание не достроено, что не позволяет в деле проверить характер его теплоснабжения.

В бывшем СССР вопрос использования тепловых насосов обсуждался с начала 20-х годов. Неоднократно проводились довольно представительные конференции, но дальше разговоров дело так и не пошло. В отличие от кибернетики саму идею не критиковали, никого из ее носителей не преследовали. Тем не менее не было налажено даже мелкосерийное производство необходимого оборудования.

Первый тепловой насос был установлен в крымском пансионате "Дружба" в начале 80-х годов. Затем еще один - на чайной фабрике в Грузии. Внедрение не выходило за рамки фактов единичного использования, при этом признавалась их достаточная эффективность. Такое невосприятие научно-технической общественностью этого вида техники совершенно непонятно, тем более что в других случаях наблюдалось запоздалое торжество здравого смысла.

Виктор ОСАДЧИЙ

В системах теплоснабжения многих стран широкое распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы (ТН) мощностью до 0,5 МВт с поршневыми компрессорами. Производятся также винтовые ТН установлен­ной тепловой мощностью до 9 МВт и турбокомпрессорные – выше 9 МВт. В настоящее время в мире в системах теплоснабжения эксплуатируется более 18 млн крупных ТН. В наибольших масштабах они применяются в Швеции, где общая установленная тепловая мощность ТН превысила 1200 МВт, а самый крупный из них имеет мощность 320 МВт.

В России общая установленная тепловая мощность ТН составляет всего 65 МВт . За последние 10 лет государственная система разработки, строительства и эксплуатации теплонасосных установок практически прекратила существование. В СССР была система нормативных документов, разработки, изготовления ТН, проектирования теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения. Разработкой ТН занимался ВНИИхолодмаш (г. (Москва). Тепловые насосы выпускали на ПО «Мелитопольмаш» (45 – 65 кВт), экспериментальном заводе ВНИИхолодмаша (80 кВт), Читинском машиностроительном заводе (100 кВт), Московском заводе «Компрессор» (300, 500 кВт), НПО «Казанькомпрессормаш» (1,0, 2,5, 8,5, 11,5 МВт). В этих ТН была использована конструкция холодильных машин, что обусловливало их малый ресурс, так как соотношение давлений нагнетания и всасывания компрессоров ТН в три раза больше. Разработкой проектов установки ТН занимался ВНИПИэнергопром, Крымским филиалом которого было разработано 26 проектов с 117 ТН общей тепловой мощностью 165 МВт. Успешно эксплуатировались десятки систем теплоснабжения с ТН. Так, в Ялте работала теплонасосная система теплоснабжения с использованием теплоты морской воды мощностью 2,5 МВт. На Светлогорском целлюлозно-бумажном комбинате Ленинградской области эксплуатировалась ТНУ тепловой мощностью 18 МВт.

Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются их эко­номической и технологической востребованностью. Распространенная оценка эффективности ТН – по коэффициенту преобразования (отношению количества тепловой энергии на выходе ТН к количеству электрической энергии на его привод). По такой оценке для получения 100 Вт тепловой мощности на выходе ТН необходимо в среднем затратить 30 кВт элект­рической мощности. При работе ТН с электроприводом с учетом фактического КПД генерирования электроэнергии и ее потерь для получения на выходе из ТНУ 100 кВт тепловой мощности необходимо затратить 170 кВт (с учетом топливного эквивалента). При работе ТН с приводом от двигателя внутреннего сгорания (турбины) для получения на выходе ТН той же мощности (100 кВт) требуется только 88 кВт энергии первичного органического топлива.

Хотя в настоящее время в России нет государственной программы развития теплонасосного теплоснабжения, определенная работа в этом направлении все же ведется. В Минэнерго РФ разработан проект государственного стандарта «Нетрадиционная энергетика. Тепловые насосы для коммунально-бытового водо­снабжения». По заказу Госстроя РФ разработаны «Методические рекомендации по применению ТН и методика расчета техни­ко-экономической эффективности их использо­вания в ЖКХ» (разработчик – ФГУП «МНИИЭКО ТЭК», г. Пермь, научный руководитель – доктор техн. наук Д. Г. Закиров). Министерство науки и технологий РФ организовало тендер на создание ТНУ с использованием низкопотенциальных источников тепла единичной тепловой мощностью до 20 МВт.

Разработкой и производством ТН в России в основном занимается ЗАО «Энергия» (Новосибирск) под руководством кандидата технических наук Ю. М. Петина. Оно серийно выпускает ТН мощностью от 0,1 до 5 МВт. Наиболее массово производятся машины НТ-300. Такие ТН установлены в школе г. Карасук Новосибирской области, здании ЦСУ г. Горноалтайска, на курорте «Горячинск» в Бурятии, в г. Елизово и пос. Термальном на Камчатке, в совхозе «Мирный» Алтайского края. НТ-500 эксплуатируется в научном центре «Институт экологии» г. Красноярска. Две машины НТ-1000 установлены в Новосибирской области, четыре тепловых насоса НТ-3000 – в Тюмени и Каунасе. Стоимость российских ТН составляет 90 – 100 тыс. дол./МВт, что значительно ниже зарубежных. Так, в США стоимость поршневого ТН равна 279 тыс. долл/МВт, в Европе стоимость винтовых – 137 – 159 тыс. долл/МВт, турбокомпрессорных – 1500 тыс. долл/МВт.

Проектированием систем теплоснабжения объектов с использованием ТН в Москве занимается коллектив ОАО «Инсоляр-Инвест» под руководством кандидата технических наук Г. П. Васильева. Тепловые насосы АТНУ-15 Рыбинского завода приборостроения установлены в теплоснабжения зданий жилого дома в микрорайоне «Никули-2» в г.Москва, школы в д. Филиппово Люблинского района Ярославской области. Для столицы ими разработаны нормы проектирования теплонасосных систем теплоснабжения. Проектирование и строительство теплонасосных систем теплоснабжения с использованием теплоты шахтных вод и водопровода осуществляет коллектив ФГУП «МНИИЭКО ТЭК» под руководством доктора технических. наук Д. Г. Закирова . Наибольшими темпами теплонасосное теплоснабжение развивается в Новосибирской области. Там реализуется областная целевая программа установки ТН на объектах 30 населенных пунктов общей тепловой мощностью 21 МВт.

Мировой опыт свидетельствует о перспективности масштабного применения ТН в теплоснабжении. Наибольшие успехи достигнуты в условиях государственной поддержки. В России в настоящее время отсутствие большого спроса на ТН vjuen объяснить следующие причины:

– низкая стоимость топлива, тепловой и электрической энергии;

– отсутствие государственной технической, экономической политики и нормативной базы в этой области;

– недостаточная информация и малый опыт практического применения;

низкая надежность, ограниченность типоразмеров отечественных конструкций;

– высокой для отечественного рынка стоимостью зарубежных ТН.

Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются:

– технологической востребованностью, в том числе при использовании вторичных энергоресурсов, геотермальной энергии;

– тенденцией повышения цен на топливо, тепловую и электрическую энергию;

– наличием в стране опытных разработчиков и производителей ТН, способных при сотрудничестве с зарубежными партнерами обеспечить выпуск конкурентоспособных ТН.

С.П. Филиппов , член-корр. РАН; М.Д. Дильман , к.т.н.; М.С. Ионов , инженер; Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН), г. Москва

Введение

Тепловые насосы как технология, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм.

Тепловой насос - экологически чистая система, позволяющая получать тепло для отопления и горячего водоснабжения коттеджей за счет использования низкопотенциальных источников и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться грунтовые и артезианские воды, озера, моря, тепло грунта, вторичные энергетические ресурсы - сбросы, сточные воды, вентиляционные выбросы и т.п. Затрачивая 1 кВт электрической мощности в приводе компрессионной теплонасосной установки (ТНУ), можно получить 3-4, а при определенных условиях и до 5-6 кВт тепловой мощности.

Применение ТНУ в мире и в России

За рубежом теплонасосная техника находит широкое применение для целей теплоснабжения жилых и офисных зданий более 30 лет. Толчком для ее массового применения стал энергетический кризис 1970-х годов. В 2009 г. в мире количество тепловых насосов, использующих тепло грунта, превысило 2,8 млн шт., их суммарная установленная тепловая мощность составила 35 ГВт, а ежегодное производство тепловой энергии - 214 тыс. ТДж. Лидерами по установке ТНУ данного типа стали США и Швеция, большое количество их эксплуатируется в Японии, Германии, Швейцарии. В последние годы ТНУ начали активно внедряться в Китае. Широкому распространению ТНУ во многих странах способствуют рост цен на энергию, а также законодательство по энергоэффективности, экологическое законодательство, требования по снижению выбросов парниковых газов. Но главным является то, что рынки ТНУ за рубежом формируются, как правило, при поддержке государства. Компании, предлагающие экологически чистые установки, пользуются налоговыми льготами, а домовладельцы, приобретающие такое оборудование, получают дотации, субсидии, льготные кредиты.

Опыт использования тепловых насосов в нашей стране пока невелик, однако условия для их внедрения есть. Во-первых, потому что с ростом цен на топливо и электроэнергию и повышением экологических требований возрастает целесообразность их использования. Во-вторых, в нашей стране активно развивается малоэтажное строительство, его доля в общем объеме сдаваемого жилья в последние годы находится на уровне 40-47% и имеет тенденцию к росту. В 2009 г. на нужды отопления и горячего водоснабжения (ГВС) малоэтажной застройки было израсходовано топливо в размере 52 млн т у.т.

Ограничения внедрения ТНУ

Исследование эффективности использования ТНУ для автономного отопления и горячего водоснабжения объектов малоэтажной застройки показало, что, по сравнению с традиционными системами автономного теплоснабжения - индивидуальными газовыми и электрическими котлами - ТНУ имеют ряд ограничений, для преодоления которых требуются дополнительные затраты.

Основными ограничениями внедрения тепловых насосов являются следующие.

1. Высокие удельные капитальные вложения. Рынок теплонасосной техники в России только формируется. В основном, представлены тепловые насосы зарубежного производства (Германия, Австрия, США), и они достаточно дороги. Кроме стоимости основного оборудования, его монтажа и наладки, для наиболее распространенных в области теплоснабжения грунтовых ТНУ требуются буровые работы на глубине 50-100 м, которые также являются дорогостоящими. Более экономичным решением являются ТНУ с горизонтальным коллектором. Однако для размещения горизонтального коллектора необходим свободный земельный участок значительной площади, который в дальнейшем выбывает из хозяйственного оборота: на нем нельзя возводить постройки, сажать деревья и кустарники. В настоящее время в системах индивидуального теплоснабжения более широкое распространение получают ТНУ с вертикальным зондом. Так, для условий центральных регионов только стоимость работ по бурению скважины оценивается в 1800-3000 руб. (в зависимости от геологических характеристик площадки) за погонный метр.

Из-за того, что удельные капиталовложения в ТНУ существенно выше, чем для альтернативных нагревателей, тепловой насос устанавливают лишь на часть расчетной отопительной нагрузки (т.н. базовую часть) с покрытием пиковой тепловой нагрузки от более дешевого нагревателя. Определение доли теплового насоса в покрытии общей тепловой нагрузки потребителя - это оптимизационная задача, которая решается в каждом конкретном случае. Ее результат зависит от схемы теплоснабжения дома, плотности графика продолжительности стояния температур наружного воздуха в регионе, соотношения стоимости теплового насоса и пикового нагревателя, стоимости электро-энергии в регионе.

Расчеты показывают, что комплект ТНУ с подключением и бурением скважины стоит дороже, чем установка газового или электрического котла. В целом, установка системы с ТНУ дороже теплоснабжения от котла в 2,4-2,8 раз.

2. Ограничения по температуре на выходе из теплового насоса. Максимальная температура, которую может обеспечить греющий контур геотермальных тепловых насосов, как правило, составляет 55 °С, у отдельных моделей - 60-65 °С. Для того, чтобы тепловой насос мог работать в течение всего отопительного периода и максимально реализовать свой энергосберегающий потенциал, необходимо использование низкотемпературных систем отопления - системы отопления с максимальными температурами в прямой и обратной линиях не выше 70 и 50 °С соответственно. Однако для низкотемпературных систем требуется увеличенная площадь отопительных приборов по сравнению с традиционными системами отопления, рассчитанными на температурный график 95/70 °С. Это влечет дополнительные затраты.

3. Неоднородность теплового потенциала грунта в региональном разрезе. Потенциал грунта как источника тепла для южных регионов существенно выше, чем для северных. Так, температура грунта на глубине 50-100 м в условиях г. Пятигорска составляет 15-16ºС, для г. Москвы 10-11 ºС, а для г. Архангельска 4-5 ºС. Чем выше температура грунта, тем выше коэффициент трансформации, тем меньше электроэнергии тратит тепловой насос на выработку одного и того же количества тепла. Отметим, что экономическая эффективность применения тепловых насосов на цели теплоснабжения существенно зависит от климатических условий региона в целом, причем факторы, влияющие на эффективность использования тепловых насосов, имеют разную направленность. Тепловой потенциал грунта и, соответственно, коэффициент трансформации растет с севера на юг, но продолжительность отопительного периода и число часов использования ТНУ, а значит и реализация их энергосберегающего потенциала, с севера на юг уменьшается.

4. Учет фактора охлаждения грунта при эксплуатации ТНУ . Потребление тепловой энергии к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. На севере этот фактор выражен сильнее, чем на юге. Потребление тепловой энергии в течение каждого последующего отопительного сезона вызывает дальнейшее охлаждение грунта. Снижение температуры грунта имеет экспоненциальный характер, и примерно через пять лет эксплуатации его температура выходит на квазистационарный уровень, пониженный относительно естественного на 1-2º и более. При проектировании систем теплоснабжения необходим учет такого охлаждения грунта, что делает ее еще более затратной.

Варианты теплоснабжения с применением ТНУ

Схемы теплоснабжения с тепловым насосом, применяемые для теплоснабжения домов, можно разделить с точки зрения включения пикового подогревателя на последовательные и параллельные.

При последовательной схеме вода, нагретая тепловым насосом - при температурах наружного воздуха, при которых ее температуры достаточно для покрытия нагрузки - поступает в радиаторы. При более холодной погоде включается пиковый источник.

При параллельной схеме с пиковым электрообогревателем вода, нагретая тепловым насосом, подается в радиаторы на протяжении всего отопительного периода, а, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в отапливаемых помещениях требуется генерация недостающего тепла. В качестве его источника может быть использован газовый котел, котел на жидком топливе, электрокотел, нагреватель конвективного или инфракрасного типа, что также влечет дополнительные затраты.

Высокую энергетическую эффективность обеспечивает комбинирование теплового насоса с системой отопления «Теплый пол». В такой системе тепловой насос работает на протяжении всего отопительного периода. Однако в ней, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в помещениях требуется дополнительная генерация тепла. Согласно СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» средняя температура для полов помещений с постоянным пребыванием людей не должна превышать 26ºС. Низкотемпературная система отопления «теплый пол» позволяет получить тепловой поток 50-150 Вт/м 2 , при температуре теплоносителя 35-55 ºС. При этом имеют место ограничения, накладываемые на элементы интерьера: есть требования к толщине и теплопроводности напольного покрытия, не допускается применение ковровых покрытий; необходима дистанция между стенами и границей укладки труб; требуется план расстановки мебели, изменение которого в дальнейшем не желательно. В общем случае максимальная площадь укладки «теплого пола» составляет 60-70% отапливаемой площади.

Кроме компрессионных тепловых насосов, уже нашедших широкое применение в теплоснабжении, возможно использование тепловых насосов абсорбционного типа, в которых функцию компрессора на электрическом приводе выполняет т.н. «тепловой компрессор», работающий за счет сжигания топлива. В последнее время производители тепловых насосов малой мощности готовят к выпуску модели абсорбционных, а также адсорбционных тепловых насосов на базе микропористого алюмосиликатного минерала «цеолит». Они имеют более высокие капитальные вложения. Преимуществом абсорбционных и адсорбционных тепловых насосов является то, что они могут работать на более дешевой, по сравнению с электрической, энергии сжигания топлива. В тепловых насосах этого типа отсутствует электрический компрессор, электрическая мощность требуется лишь для циркуляции теплоносителя в отопительной системе и системе сбора низкопотенциального тепла. Абсорбционные и адсорбционные тепловые насосы требуют меньшей холодопроизводительности, чем компрес-сионные - это позволяет использовать менее глубокие скважины, что дает экономию на дорогостоящих работах по бурению.

Об оценке капитальных вложений

В поиске более экономичного с точки зрения капитальных вложений решения нами рассмотрены тепловые насосы, использующие в качестве источника низкопотенциального тепла атмосферный воздух. Тепловые насосы этого типа имеют коэффициент трансформации 3,2-3,6 (при температуре воздуха t н =2 °С). Однако они имеют существенные ограничения в использовании: при снижении температуры наружного воздуха резко снижаются их тепловая мощность и коэффициент трансформации. При t н <-20 °С использовать такие водо-воздушные тепловые насосы на цели отопления невозможно; а на цели ГВС их невозможно использовать уже при -15 °С. В наиболее холодные интервалы отопительного периода теплоснабжение производится за счет дублирующих установок - электрокотлов, которые приходится рассчитывать на полную тепловую нагрузку. Это не позволяет экономить затраты на пиковый источник тепла и на заявленную электрическую мощность, и из-за этого, а также из-за пониженного в холодные периоды коэффициента трансформации, резко возрастает годовой расход электроэнергии.

Сопоставление описанных схем с тепловыми насосами разных типов и альтернативных систем индивидуального теплоснабжения выполнено по критерию минимума суммарных дисконтированных затрат на систему отопления поселка малоэтажной застройки, состоящего из 200 домов общей площадью по 200 м 2 каждый, за расчетный период 30 лет (см. рис.).

По критерию минимума суммарных затрат в настоящее время тепловые насосы не способны конкурировать с котлами на газе. Экономическая ниша тепловых насосов - негазифицированные районы, и конкурирующая технология для них - электрокотлы .

Расчеты показывают, что, оптимизировав схему теплоснабжения с ТНУ, можно добиться экономии электроэнергии по сравнению с электрокотлом от 59% на севере до 64% на юге России и получить экономию заявленной электрической мощности порядка 20-25%.

Для условий Севера с большой продолжительностью отопительного периода (от 5600 ч/год) и высокими тарифами (от 2 руб./кВт∙ч) на электроэнергию схема отопления от компрессионного грунтового теплового насоса, работающего параллельно с конвекторным обогревателем, показывает близкие и даже более низкие затраты за расчетный период, чем электрокотлы. В остальных регионах России суммарные затраты на тепловые насосы, даже при оптимальном выборе схемы, температурного графика, поверхностей теплообмена - высоки по сравнению с суммарными дисконтированными затратами в теплоснабжение от электрокотлов, полученными при прочих одинаковых условиях. Обусловлено это, главным образом, высокими капитальными вложениями в ТНУ, причины которых рассмотрены выше. Все другие рассмотренные варианты теплоснабжения на базе тепловых насосов не являются экономически эффективными ни для одного из рассмотренных регионов России.

Проведенное дополнительное исследование показало, что системы теплоснабжения на базе ТНУ становятся экономически более эффективными, чем индивидуальные электрокотлы а) при повышении тарифов на электроэнергию и б) при снижении соотношения стоимости ТНУ и электрокотлов. Так, повышение тарифов на электроэнергию более, чем на 30% позволяет разработать такую схему теплоснабжения с тепловым насосом, которая будет экономически более эффективна по критерию суммарных дисконтированных затрат, чем теплоснабжение от электрокотла. При действующих тарифах на электроэнергию ТНУ будут экономически эффективными по сравнению с электрокотлами, если удастся снизить удельные капитальные затраты на их установку на 50% и более.

Оценен эффект от экономии условного топлива. Результаты показывают, что при среднем удельном расходе топлива на электростанциях 340 г у.т./кВт∙ч для условий северных регионов ни одна из схем теплоснабжения с тепловыми насосами компрессионного типа не является топливосберегающей по сравнению с газовыми котлами. Топливосберегающим эффектом обладают лишь абсорбционные (адсорбционные) установки, они позволяют экономить порядка 20% топлива. Для центральных южных регионов России при оптимальном выборе схемы теплоснабжения с компрессионной ТНУ может быть достигнута экономия топлива до 9% - даже по сравнению с использованием котлов на газе. По сравнению с использованием электрокотлов экономия топлива на электростанциях составляет 55-65% соответственно.

Заключение

Учитывая темпы малоэтажного строительства в субъектах федерации, прогнозы Минэкономразвития РФ роста тарифов на электроэнергию и газ и прогнозируемый темп инфляции, можно оценить спрос на установку тепловых насосов на цели теплоснабжения жилых зданий. По нашим оценкам, на перспективу до 2030 г. в стране в целом может быть востребовано порядка 3,4-4,4 ГВт теплонасосной мощности, что составляет 9-11% от вводимой тепловой мощности малоэтажной застройки. Их установка позволит экономить топливо в количестве около 3,8 млн т у.т. в год.

Реализуя всевозможные решения для отопления зданий, промышленных сооружений, производственных комплексов, коммерческих и государственных структур, специалисты руководствуются принципом энергоэффективности. С учетом особенностей нашего климата, экономически выгодным представляется использование источников энергии земли. Применение энергетических источников окружающего воздуха также обеспечивает весомые преимущества и отвечает сразу двум принципам - экономичности и энергоэффективности.

Просчитать выгоды от внедрения тепловых насосов на предприятиях и объектах можно заранее - еще на стадии планирования и проектирования. Для этого необходимо учесть срок окупаемости проекта, гарантированный срок службы оборудования, стоимость установок и монтажа, сервисного обслуживания. К конкурентным преимуществам тепловых насосов стоит отнести:

• возможность уменьшения эксплуатационных расходов в четыре-пять раз по сравнению с традиционными способами обогрева помещений - котлами и т.д.
• снижение потребляемой электрической мощности, направленной на обогрев зданий и повышение температуры воды, в четыре раза;
• универсальность - установки используются не только для отопления и горячего водоснабжения помещений, но и успешно заменяют системы кондиционирования воздуха в теплое время года;
• возможность удаленного управления системой, мониторинга работы;
• отсутствие необходимости обязательного сервисного обслуживания, отличающегося высокой ценой;
• гарантированный срок службы установленного оборудования при соблюдении рекомендаций - до семи лет.

Уведомление потенциальных покупателей тепловых насосов об их возможностях и преимуществах - необходимый, обязательный процесс. Только так у клиентов можно сформировать положительное мнение о современных системах отопления, что в перспективе позволит производителям быстрее и эффективнее продвигать свой товар на рынке.

Жители Европы по достоинству смогли оценить потенциал современных тепловых насосов. По разным данным, в европейских странах и городах успешно используются сотни тысяч тепловых установок. К сожалению, на отечественном рынке ситуация куда менее обнадёживающая - по самым смелым прогнозам, в стране используется несколько тысяч установок. И это несмотря на то, что на рынке в ассортименте представлено оборудование разных производителей из Европы, Азии, России.

Что же мешает повсеместно использовать тепловые насосы для отопления и ГВС? Причин несколько. Прежде всего, это демократичная стоимость газовых установок (даже при высокой стоимости их подключения), а также отсутствие программ, направленных на поддержку, субсидирование и поощрение пользователей, выбирающих теплонасосное оборудование.

И все же перспективы у рынка тепловых насосов есть, причем достаточно большие. Все возрастающая стоимость тарифов на газовое отопление, а также высокий ценник на подключение оборудования заставляют пользователей искать альтернативные варианты. Тепловые насосы - отличный способ обеспечить обогрев зданий в холодное время года по минимальной цене.

Успешный опыт, подтверждающий высокие экономические перспективы теплонасосного оборудования в России, может быть подтвержден портфолио нашей компании. В нем собрана информация обо всех объектах, где в свое время были внедрены теплонасосные установки. Большинство клиентов, которые обращаются к нам за помощью, руководствуются соображениями экономической эффективности оборудования. Однако не всегда выгоды играют определяющую роль: во многих случаях тепловые насосы становятся единственно возможным вариантом реализации технических решений, обеспечивающих обогрев зданий.

Экономическое обоснование проектов позволило определить срок окупаемости установок. Годовая экономия при использовании теплонасосного оборудования составляет 540 тысяч рублей. Соответственно, срок окупаемости проекта не превышает четырех с половиной лет. На практике результат оказывается еще более обнадеживающим: в год экономится около 570 тысяч рублей, что позволяет снизить срок окупаемости до четырех лет.

Впечатляющая экономия достигается за счет нескольких составляющих - высокой стоимости электроэнергии - 6,5 рублей за киловатт-час, эффективного и рационального использования теплонасосного оборудования, применения высокотехнологичных инженерных коммуникаций и современных решений.

Конкурентное преимущество нашей компании - комплексный подход к решению клиентских вопросов и задач, что позволяет использовать наиболее надежные и энергоэффективные решения. У нас вы можете заказать полный спектр услуг для объектов - от разработки технологического проекта до монтажа, пусконаладочных работ и сервисного обслуживания.