Тепловые насосы - будущее энергетики

Теплоснабжение является одним из социально значимых секторов энергетики, в первую очередь, обеспечивающим жизненно важные благоприятные условия для проживания и работы людей, что очень наглядно было продемонстрировано минувшей зимой.

Существенное улучшение экономических и экологических характеристик производства тепловой энергии можно достичь с помощью тепловых насосов.

Применение теплонасосных установок, позволяющих трансформировать низкотемпературную возобновляемую природную энергию и вторичную низкопотенциальную теплоту (НПТ) до более высоких температур, пригодных для теплоснабжения, является современным (хотя принцип действия теплового насоса (ТН) известен уже более 100 лет) и одним из наиболее эффективных способов экономии органического топлива в системах теплоснабжения.

При использовании теплонасосных технологий (ТНТ) независимо от типа ТН и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает в 1,2-2,5 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива. Столь высокая эффективность достигается тем, что ТН «вовлекает в дело» низкопотенциальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, грунтовых вод, природных водоемов, солнечную энергию) и техногенных источников (промышленные отходы, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до +40 ОC, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.

Большим преимуществом схем теплоснабжения, создаваемых на базе теплонасосных установок (ТНУ) с электрическим приводом, является их высокая экологическая эффективность. Производство тепла с помощью ТНУ характеризуется весьма значительным энергосберегающим эффектом (20-70% в зависимости от типа ТНУ и замещаемого теплоисточника). Кроме того, оно позволяет приблизить тепловые мощности к местам потребления, т.е. минимизировать протяженность тепловых сетей.

Применение ТН для отопления показало, что экономически конкурировать с ними не в состоянии даже газовые котельные. Чтобы передать в систему отопления 1 кВт.ч тепловой энергии, теплонасосная станция (ТНС) тратит лишь 0,2-0,35 кВт.ч электроэнергии (ЭЭ) [1].

Теплонасосные технологии в мире

Думается, успешно сбудутся прогнозы Мирового энергетического комитета (МИРЭК): к 2020 г. 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью ТН.

В настоящее время в мире работает более 30 млн ТН различной мощности - от нескольких кВт до сотен МВт. В США более 30% жилых зданий оборудованы ТН. В Швеции лишь за последние годы введены в действие более 100 ТНС (мощностью от 5 до 80 МВт). В Японии ежегодно продается 3 млн ТН (для сравнения, в США -1 млн). Благодаря Швейцарской национальной программе энергосбережения за три прошедших года в этой стране увеличено производство тепла с помощью ТНУ до 2250 ГВт.ч. Следует отметить, что для реализации этой программы инвесторам были выделены значительные дотации.

В ФРГ сокращение федеральной поддержки фирм, применяющих ТН, привело к снижению продаж ТН в 80-е гг. Сейчас на каждый кВт тепловой мощности ТН, запущенного в эксплуатацию, выплачивается компенсация (при том, что по производству экономичных котлов на жидком или газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия продолжает занимать одно из первых мест в мире).

Россия существенно отстает в этой сфере даже от малых стран - общая тепловая мощность всех ТНУ в РФ составляет около 70 МВт (меньше, чем в Люксембурге). А ведь с учетом более жестких климатических условий, более длительного отопительного периода экономический и экологический выигрыш от применения ТН у нас будет намного выше, чем в Европе, США и Канаде.

Проблемы внедрения

В настоящее время в России около 72% всей тепловой энергии производится централизованными источниками (мощностью более 20 Гкал/ч), остальные 28% - децентрализованными (в т.ч. автономными и индивидуальными -18%). Кроме того, незначительная часть спроса

на тепловую энергию (4,5%) удовлетворяется за счет утилизации сбросного тепла от технологических установок. Доля тепла, получаемого от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), очень мала [2].

Почему же ТН до сих пор не заняли достойное место в схемах теплоснабжения в России? Анализ показал (кроме традиционно инертного отношения к новым разработкам) следующие причины.

Потребители теплоты в большинстве своем используют «высокотемпературную теплоту». Температура теплоносителя в расчетный период обычно составляет не менее 95 ОC. Существующие ТН не могут ее поднять до таких значений и обеспечивают, как правило, 50-55 ОС (в некоторых случаях - до 63 ОС). Если температура теплоносителя должна в расчетный период превышать 55 ОС, то требуется специальная подготовка: повышение площади теплообмена или использование пиковых подогревателей при низких наружных температурах. Для отопления и горячего водоснабжения (ГВС) зданий и сооружений вполне достаточно было бы 65-80 ОС, и такую проблему можно решить с использованием низкотемпературного отопления. Однако в существующих зданиях и сооружениях уже смонтирована теплосъемная аппаратура (радиаторы отопления), и поэтому потребуется их реконструкция.

Второй причиной надо назвать суровые климатические условия России. На большинстве ее территорий глубина промерзания грунта зимой доходит до 2 м. Прокладка коммуникаций для отбора тепла грунта на большей глубине значительно удорожает проекты [3].

Немаловажное значение имеет невостребованность круглогодичного использования тепла от вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

Кроме того, широкое внедрение ТН сдерживают относительно низкие цены на топливо.

Будет ли кто-нибудь спорить с тем, что ресурсы НПТ в России огромны? Несмотря на имеющиеся проблемы, использование ВИЭ актуально, поэтому можно и нужно использовать технологии утилизации НПТ для целей теплоснабжения с применением ТН.

Технический потенциал ВИЭ России согласно [4] составляет 105 млн т у.т./год. Эта цифра спустя десятилетие требует сверки и уточнения. Соответствующие работы (НИР по оценке потенциала и ТЭО производства тепловой энергии в России на основе использования НПТ), проведенные нами в последнее время, позволяют утверждать - фактически потенциал больше на 15-20%.

Согласно нашим расчетам, низкопотенциальной энергией нетрадиционных источников при отборе у них тепла, например, при снижении температуры хотя бы на 5 ОС, можно было бы «покрыть» 20-30% суммарного теплопотребления страны, сэкономить миллионы т у.т. Однако существует ряд причин, сдерживающих использование НПТ от указанных источников. Среди этих причин главными являются:

• отсутствие заинтересованности со стороны государства;

• отсутствие льгот, стимулирующих более интенсивное применение теплонасосной техники;

• отсутствие нормативно-правовой документации.

Существующие разработки

В последние годы в научных коллективах и в ряде иных организаций РФ активизированы работы по созданию и внедрению ТН. Лидер по внедрению ТНУ - новосибирское ЗАО «Энергия», которое начиная с 1990 г. внедрило в России 125 ТН общей мощностью 64,3 МВт на 64 объектах различных отраслей промышленности и ЖКХ. Серийно выпускает ТН завод «Компрессор» (г. Москва). Внедрением ТН занимается ЗАО НПФ «Тритон-Лтд» (г. Нижний Новгород), ЗАО ОКБ «Карат» (г. Санкт-Петербург), ФГУП «Рыбинский завод приборостроения». Некоторый опыт утилизации НПТ грунта есть у ОАО «Инсолар-Инвест» (г. Москва). Новые ТН большой мощности, использующие в качестве рабочего тела углекислый газ, конструирует фирма «ЭКИП» (г. Москва). ТН небольшой мощности выпускаются ЗАО «Экомаш» (г. Саратов) и рядом других предприятий. Ведутся научно-исследовательские работы по созданию новых конструкций ТН.

Большой опыт по разработке и внедрению энергосберегающих технологий с использованием ТН накоплен в Межотраслевом научно-исследовательском институте экологии и топливно-энергетического комплекса (г. Пермь). Отдел энергосберегающих технологий и природоохранного оборудования (ЭТПО) этого НИИ с 1986 г. занимается проблемой использования ВЭР и ВИЭ.

В 1988 г. впервые в СССР была разработана и внедрена технология утилизации тепла оборотной воды [6] компрессоров на одной из шахт в Пермской обл. с применением ТН.

В 2001 г. на шахте «Осинниковская» ОАО УК «Кузнецкуголь» (Кемеровская обл.) впервые в России внедрена опытно-промышленная технология утилизации НПТ шахтных вод для ГВС шахты.

В дальнейшем также была разработана и запатентована технология утилизации НПТ неочищенных сточных вод с помощью ТН, что позволило использовать бросовое тепло канализационных стоков для отопления зданий канализационных насосных станций [9, 10]. Осенью 2000 г. на РНС-3 «Гайва» (г. Пермь) эта технология была внедрена (рис. 1) и уже в течение 5-ти сезонов полностью обеспечивает потребности насосной станции в отоплении и ГВС. В сравнении с электроотоплением себестоимость 1 Гкал тепла снизилась в 4,6 раза. Срок окупаемости проекта составил 1 год.

Разработана технология и рабочий проект установки по утилизации низкопотенциального тепла загрязненных хозбытовых стоков, взамен существующей угольной котельной в г. Кунгуре (Пермский край). Расчетная себестоимость вырабатываемого тепла в 4 раза меньше по сравнению с существующей угольной котельной. В настоящий момент ведутся пуско-наладочные работы.

Перспективы

Перспектива для ТН - широкое использование в жилом и общественном секторах. В общественных зданиях будут применяться современные кондиционеры, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание (в режиме ТН) в холодный. С помощью ТНУ будет осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. Отопление и ГВС водопроводно-канализационных хозяйств городов и муниципальных образований будет осуществляться полностью за счет НПТ с применением ТН.

Источниками низкотемпературной теплоты для ТНУ в коммунальном хозяйстве могут служить грунтовая вода, наружный воздух, грунт, канализационные стоки, загрязненные и очищенные хозбытовые стоки, а также водопроводная вода.

Для систем теплоснабжения индивидуальных домов необходимо наличие постоянного температурного потенциала. Этому требованию отвечают грунт и грунтовые воды.

Рис. 1. Теплонасосная установка ТН-110.

В рамках раздела «Энергоэффективность ЖКХ» Федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика» отделом ЭТПО разработаны рекомендации по применению ТНТ и методика расчета технико-экономической эффективности ее использования в сфере ЖКХ [11]. Оценка эффективности применения ТНТ проводилась в сравнении с традиционными источниками тепловой энергии (котельные, работающие на газе, угле, мазуте, электрокотлы). Принятая мощность сравниваемых источников - 1 Гкал/ч. Продолжительность работы в году -5496 ч, что соответствует длительности отопительного периода для Пермского региона.

Results showed that the operating costs for CN in 3.69 times less than electric heating, 1.3 times less than for a gas boiler, 2.44 times lower than for fuel oil, 1.9 times less than coal (Fig. 2).

Инициативные исследования, проведенные нами в последние годы на ТЭС АО «Пермэнер-го», свидетельствуют об актуальности, целесообразности, необходимости использования низкопотенциальных источников тепла для снижения стоимости тепловой энергии, вырабатываемой ТЭЦ. Бросовое тепло, которое теряется в градирнях, возможно использовать для подогрева сырой химочищаемой воды, поступающей на восполнение потерь сетевой воды ТЭЦ [13].

В настоящее время только на ТЭС РАО «ЕЭС России» системы охлаждения технической воды ежегодно сбрасывают в окружающую среду не менее 140-150 млн Гкал тепловой энергии [14], что эквивалентно непроизводительному расходу 24-26 млн т у.т.

По предварительным расчетам, технически реализуемый (с помощью ТН) потенциал НПТ ТЭЦ в системе централизованного теплоснабжения может быть оценен в размере 70-80 млн Гкал/год, что равносильно годовой экономии 12-14 млн т у.т. Электрическая мощность, необходимая для этого приводам компрессоров ТНУ (при общей тепловой мощности ТНУ около 14 тыс. Гкал/ч), составит 2,3-2,5 тыс. МВт, расход ЭЭ - около 14 тыс. ГВт.ч/год, а выработанная с помощью ТНУ тепловая энергия - около 70 млн Гкал/год. При усредненном тарифе, принятом в расчетах, на тепло - 140 руб./Гкал, на ЭЭ - 300 руб./МВт.ч, - экономическая выгода составит не менее 5,6 млрд руб. и общие капиталовложения в ТНС в размере 18 млрд руб. окупятся за 3-3,5 года [14].

Оценки масштабов экономии энергоресурсов за счет применения ТН в системах централизованного теплоснабжения показывают: не менее 45-50% НПТ, образующейся на энергообъектах РАО «ЕЭС России», можно повторно вовлечь в теплоснабжение крупных городов [14]. Поэтому НИОКР по созданию новых технологий на основе ТН, по освоению новых конструкций ТН и по созданию озонобезопасных хладагентов требуют самого серьезного внимания.

Для широкого внедрения теплонасосных технологий необходимо:

• создать законодательно-нормативную базу, способствующую внедрению технологий с применением ТНУ;

• разработать в ближайшие годы федеральную целевую программу;

• разработать и принять Федеральный закон «О возобновляемых источниках энергии»;

• для предприятий, разрабатывающих и внедряющих энергосберегающие технологии с применением ТН, предусматривать государственную дотацию и установить налоговые льготы, а также установить льготные тарифы на электроэнергию, потребляемую приводами ТН.

Литература

1. Закиров Д.Г. Энергосбережение. Пермь: Книга, 2000.

2. Реутов Б.Ф. и др. Национальный доклад «Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса». Кн. 1. М.: МЭИ, 2001.

3. Закиров Д.Г., Петин Ю.М. Теплонасосные технологии в России // Энергия и менеджмент. Минск, 2004. № 4. С. 56-62.

4. Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе России. М.: Минтопэнерго РФ, 1994.

5. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Под ред. П. П. Безруких. СПб.: Наука, 2002.

6. Закиров Д.Г., Рыбин А.И. Применение тепловых насосов в целях утилизации теплоты оборотной воды и охраны окружающей среды//Уголь. 1988. №3.

7. Закиров Д.Г. и др. Внедрение опытной технологии утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод // Уголь. 2001. №9.

8. Закиров Д.Г. и др. Утилизация низкопотенциального тепла шахтных вод - перспективное направление энергосбережения угольной отрасли // Уголь. 2000. № 11.

9. Закиров Д.Г., Закиров Д.Д., Суханов В.С. Проблемы теплоснабжения в коммунальном хозяйстве и пути их решения с использованием тепловых насосов // Жилищно-коммунальное хозяйство. 2002. № 5.

10. Патент на изобретение № 2155302 РФ, МПК 7 F 24 D 17/02, 3/18. Установка отопления и горячего водоснабжения/ Д.Г. Закиров, А.А. Рыбин, Д.Д. Закиров. Опубл., 27.08.2000. Б. И. №24.

11. Разработка методических рекомендаций по применению теплонасосных технологий и методики расчета технико-экономической эффективности ее использования в сфере ЖКХ: Отчет о НИР / МНИИЭКО ТЭК, Пермь, 2003.

12. Чубайс А. Б. Выступление на Всероссийском совещании энергетиков в Калининграде 11 октября 2002 г. // Энергосбережение и проблемы энергетики Западного Урала. 2002. № 4.

13. Закиров Д.Г. Утилизация вторичных энергетических ресурсов и использование возобновляемых источников энергии с применением тепловых насосов - основной путь снижения энергоемкости производства// Промышленная энергетика. 2002. № 5.

14. Чаховский В.М., Гапас И. В. Роль и место теплонасосной технологии в системе централизованного теплоснабжения крупных городов РФ // Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Ч. 1 / Под общ. ред. П. П. Безруких. М: МЭИ, 2002.

15. Калнинь И.М. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра //Холодильная техника. 2000. № 10.