Рациональное теплоснабжение

Опубликовано в Статьи, Энергоэффективность | 1 коммент.

Перспективы внедрения теплонасосных установок в Украине

Сегодня, когда цены на энергоносители неудержимо растут, а их доступные запасы ощутимо уменьшаются, использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии становится жизненно важной задачей, особенно для таких энергодефицитных стран, как Украина. Одним из путей ее решения может стать широкомасштабное внедрение теплонасосных установок. Эффективность этой технологии уже проверена и одобрена в развитых странах. Современные технологические решения, анализ существующих проблем, опыт разработки и внедрения теплонасосных систем в Украине обсуждались на международной конференции «Новая энергия планеты».

Тепловой насос (ТН) — это установка, преобразующая тепловую энергию низкопотенциальных источников (воздуха, воды, грунта) или низкотемпературную энергию вторичных энергоресурсов в тепловую энергию более высокого потенциала, пригодную для практического использования.

Применение теплонасосной техники позволяет не только уменьшить затраты органического топлива при производстве тепла, но и существенно снизить загрязнение окружающей среды. Кроме того, теплонасосные установки могут одновременно производить тепло и холод. Они мобильны, относительно просты в изготовлении и эксплуатации.

По прогнозам Международного Энергетического Комитета, к 2020 г. 75% отопительных установок в развитых странах мира будут работать с использованием теплонасосной технологии.

В США и Японии для отопления и кондиционирования воздуха широкое применение получили реверсивные ТН класса «воздух-воздух». Исследованиями и производством ТН в США занимается более 50 крупных фирм. В Японии ежегодно производится и продается до 500 тыс ТН различного функционального назначения, около 5 млн теплонасосных систем являются основным оборудованием в теплообеспечении жилищного фонда.

Мировым лидером в использовании и производстве ТН стала Швеция. Самый мощный в мире теплонасос установленной мощностью 320 МВт работает в Стокгольме, используя в качестве низкотемпературного источника морскую воду.

«В развитых и развивающихся странах счет работающих теплонасосных установок ведется на сотни тысяч и миллионы. Но в Украине, к сожалению, работают только единичные установки этого типа», — отметил директор Опытного конструкторско-технологического бюро Института технической теплофизики НАН Украины (ОКТБ ИТТФ НАНУ) Николай Уланов.

По его мнению, Украина отстает от успешно использующих теплонасосную технологию стран по нескольким причинам. Во-первых, это отсутствие государственной поддержки при разработке, исследовании и внедрении данного типа оборудования. Во-вторых, практически нет демонстрационных образцов работающих теплонасосных установок. В-третьих, сказывается противодействие фирм, производящих традиционное теплогенерирующее оборудование. Но главным «тормозом» является относительно низкая цена на органическое топливо и высокая стоимость э/э, используемой для привода теплонасосов.

Источники энергии

Источниками низкопотенциального тепла могут выступать атмосферный воздух, вода природных водоемов, грунт, грунтовые воды, солнечное излучение, а также вторичные энергоресурсы — вода из систем охлаждения оборудования или технологических процессов, вытяжной воздух систем вентиляции, очищенная вода станций аэрации и др.

Значительный тепловой потенциал имеют хозяйственно-бытовые стоки в коммунальном хозяйстве. Как отметил Н.Уланов, их использование может существенно снизить себестоимость тепловой энергии в ЖКХ. Например, в г.Киеве в январе температура сточной воды составляла +20° С, тогда как температура атмосферного воздуха — минус 25° С.

Суммарные объемы образующихся в городах сточных вод практически не изменяются в течение года. Например, в Киеве ежесуточно образуется 1.4 млн куб м сточных вод, в Одессе — 400 тыс куб м, Кривом Роге — 455 тыс куб м, Симферополе — 200 тыс куб м, Виннице — 110 тыс куб м, а всего в Украине — свыше 10 млн куб м в сутки.

Артезианские воды со среднегодовой температурой 10-12° С, водопроводная вода с температурой в течение года от 5 до 16° С также могут рассматриваться в качестве источников низкопотенциальной энергии (однако в меньшей степени, чем сточные воды).

Еще один источник — шахтные и карьерные воды угольной промышленности, железнорудных предприятий, а также карьеров по добыче нерудных материалов. Среднегодовая температура шахтных и карьерных вод составляет 22-26° С. Их суммарные объемы — свыше 1 млрд куб м в год, в т.ч. у предприятий угольной промышленности — 788 млн куб м, железнорудных предприятий — 150 млн куб м, у остальных добывающих предприятий нерудной отрасли — 70 млн куб м.

Потребители

Основные потребители теплонасосных установок (ТНУ) — системы автономного отопления объектов ЖКХ (коттеджей, отдельных домов, административных зданий, школ, больниц, гостиниц, пансионатов и др.), системы горячего водоснабжения. Кроме того, ТНУ могут использоваться для создания оптимального микроклимата в крупных общественных зданиях, спортивных комплексах, киноконцертных залах и др.

Весьма перспективным представляется применение ТНУ в различных технологических процессах промышленности и сельского хозяйства — сушка, дистилляция и разделение смесей, выпаривание, нагрев сырья, промежуточных или конечных продуктов; на животноводческих комплексах, в теплицах, зернохранилищах и т.п.

В школах, детских садах, предприятиях общественного питания могут использоваться теплонасосные «водогрейки», которые подогревают воду до 45-50°С за счет энергии окружающего воздуха с эффективностью, в 3.5-4 раза превышающей прямой электронагрев.

Впрочем, как отметил Н.Уланов, указанные достоинства тепловых насосов не означают абсолютной целесообразности замены ими традиционных теплогенераторов. «Каждый вид отопления имеет свою нишу рационального применения в конкретных условиях. Там, где внедрение тепловых насосов обосновано технико-экономическими расчетами, они имеют неоспоримые преимущества перед другими технологиями генерации тепла», — подчеркнул Н.Уланов.

Конкурентоспособность ТНУ зависит от их функционального назначения и от многих факторов термодинамического, конструктивного, экономического и экологического характера. Целесообразность внедрения ТНУ конкретного типа необходимо определять в каждом конкретном случае.

Исследования, выполненные в институте КиевЗНИИЭП, НПП «Инсолар», Институте проблем машиностроения НАН Украины, показали, что при рационально организованной системе на базе тепловых насосов затраты топлива могут быть уменьшены по сравнению с крупными отопительными котельными в 1.2-1.8 раза, по сравнению с мелкими котельными и индивидуальными теплогенераторами — в 2-2.6 раза.

По прогнозам специалистов, стоимость тепловых насосов может увеличиваться не более чем на 2-3% в год, а тарифы на э/э будут расти более быстрыми темпами. Учитывая этот факт, сроки окупаемости тепловых насосов могут существенно снизиться.

Опыт разработки и внедрения

Заместитель директора НПП «Инсолар» Александр Клепанда привел примеры разработок, внедрения и эксплуатации различных теплонасосных систем за период с 1996 г. по 2010 г.

Так, в 2007 г. на пригородном вокзале ст. Залютино (г.Харьков) реализован проект отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования помещений при помощи грунтового теплонасоса. До модернизации эти функции выполняли угольные котлы мощностью 50 кВт, после модернизации был установлен грунтовый теплонасос мощностью 38.6 кВт. При этом до модернизации (за 2006 г.) эксплуатационные расходы за отопительный период составили 145.6 тыс грн; после модернизации (за 2007 г.) — 36.2 тыс грн. Срок окупаемости теплонасоса — 2.5 года.

В с.Тополиное (Донецкая обл.) реконструирована система отопления храма площадью 400 кв м, где установлен теплонасос типа WRHH-122 с номинальной мощностью 32 кВт.

Многолетняя эксплуатация в крытом бассейне спортклуба «Нефтяник» в г.Ахтырка (Сумская обл.) системы поддержания оптимального температурно-влажностного режима на базе теплонасоса «воздух-воздух» и теплообменников-утилизаторов позволила уменьшить в 8 раз потребление тепловой мощности и минимизировать коррозионное разрушение железобетонных и строительных конструкций.

При участии НПП «Инсолар» в 2002 г. реализован проект обеспечения с помощью теплового насоса горячего водоснабжения жилого дома в г.Москве (микрорайон Никулино-2). В результате этого экономия энергии составила 45.5%. Теплогенерирующее и вспомогательное оборудование потребляет электрическую мощность 90 кВт.

Кольцевые теплонасосные системы используются для утилизации избытков теплоты, возникающих внутри здания, например, для создания комфортного климата в гостиничных комплексах. К примеру, VRV-система кондиционирования с функцией теплового насоса, внедренная НПП «Инсолар», успешно эксплуатируется в течение пяти лет в гостиничном комплексе Cosmopolit (г.Харьков).

Н.Уланов сообщил, что ОКТБ ИТТФ НАНУ в 2008 г. разработало проектно-сметную документацию теплонасосной установки горячего водоснабжения в г.Краматорске. В 2009 г. специалисты ОКП «Донецктеплокоммунэнерго» смонтировали это оборудование. Источником низкопотенциального тепла являются канализационные сточные воды. Установлено два тепловых насоса типа Carrier 30HXC 080-375. В настоящее время начата опытная эксплуатация этой установки.

Проблемы

Как отметил А.Клепанда, широкому внедрению ТНУ в Украине препятствует ряд технических и экономических факторов. В частности, это недостаточная квалификация проектантов и монтажников, отсутствие надежных методик проектирования с учетом динамики тепловой нагрузки объектов, отсутствие приборов тестирования свойств грунта. Кроме того, сложно прогнозировать уровень цен на э/э и топливо, а качество э/э оставляет желать лучшего.

«Практически во всех странах мира успехи в создании и внедрении теплонасосной техники достигнуты благодаря государственной поддержке», — подчеркнул А.Клепанда. Поддержка государства состоит, в частности, в целевом финансировании серии демонстрационных пилотных теплонасосов, введении специальных тарифов на э/э для пользователей теплонасосной техники, предоставлении льгот и выгодных кредитов при покупке ТН, снижении НДС при ввозе комплектующих для теплонасосной техники производства зарубежных фирм.

Перспективы

По мнению специалистов, для широкого внедрения технологий с использованием тепловых насосов необходимо, прежде всего, создать соответствующую законодательно-нормативную базу. Следует разработать государственную программу, в которой предусмотреть объемы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию новых технологий, конструкций экономичных и эффективных ТН, и выделить финансовые средства на их внедрение.

Предприятиям, использующим теплонасосные установки, предлагается предоставить налоговые льготы, а также специальные тарифы на э/э, потребляемую приводами тепловых насосов.

Технические показатели теплонасосных станций для теплообеспечения коммунальных объектов

Название объекта	Тепловая мощность, МВт	Источник низкопотен-циального тепла и его затраты G	Стоимость теплоэнергии, грн/Гкал фактическая/расчетная	Экономия природного газа, млн куб м/год	Срок окупаемости, лет	Капитальные затраты, млн грн
Теплонасосная установка горячего водоснабжения в г.Краматорске Донецкой обл.	1.44	Неочищенные сточные воды G = 120 м3/ч	194.14/186.9	1.470	2.47	2.061
Теплонасосный комплекс теплоснабжения шахты «Должанская-Капитальная»	11.85	Шахтная вода G = 960 м3/ч	250.94/121.21	0.771	2.65	5.56
Реконструкция котельной квартала №165 пос. Кирово Донецкой обл. путем установки тепловых насосов	4.27	Шахтная вода шахты «Северная» G = 282 м3/ч	404.0/338.9	2.430	1.56	7.58
Теплонасосная станция для отопления и горячего водоснабжения микрорайона по ул. Савчука в г.Чернигове	10.35	Неочищенные сточные воды G = 1900 м3/ч	325.4/332.8	6.036	2.8	40.95

Данные: ОКТБ ИТТФ НАНУ

ЧТО ТАКОЕ ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Принцип действия теплового насоса базируется на реализации обратного термодинамического цикла. В ТН рабочий агент совершает обратный круговой термодинамический цикл, в результате которого обеспечиваются непрерывный отвод энергии от холодного источника и передача ее теплоносителю с более высокой температурой за счет подвода внешней энергии к компрессору.

Для оценки энергетической эффективности ТН используется коэффициент преобразования (СОР), представляющий собой отношение теплоты, отдаваемой тепловому потребителю, к затраченной работе привода компрессора. Величина СОР зависит от разности температуры источника и потребителя, степени обратимости цикла, термодинамических свойств рабочего тела и других факторов, и на практике находится в пределах 1.5-6.0. Это означает, что на единицу затраченной э/э тепловому потребителю передается в 1.5-6 раз больше тепловой энергии.

Оксана ЛИВЕНЬ