Экономические перспективы тепловых насосов в россии.

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.

К.т.н. А.Л. Петросян, доцент, А.Б. Барсегян, инженер, Ереванский государственный университет архитектуры и строительства, г. Ереван, Республика Армения

Введение

Небольшая эффективность и высокая стоимость существующих солнечных коллекторов (СК) ограничивают области целесообразного применения систем солнечного теплоснабжения. Однако истощение запасов органического топлива и его чрезмерное удорожание, тревожная экологическая обстановка в мире из-за вредных и тепловых выбросов в атмосферу диктуют необходимость поиска методов повышения энергоэффективности систем теплоснабжения, поскольку они потребляют значительное количество тепловой энергии различного потенциала. Согласно , до 40% всего добываемого в мире топлива расходуется на эти нужды и поэтому развитые европейские страны стремятся в сфере теплоснабжения максимально полно использовать нетрадиционные источники тепла: низкотемпературные вторичные и возобновляемые энергоресурсы. Особое значение имеют солнечная энергия, энергия грунта, сточных и грунтовых вод и т.д. Ряд стран бывшего СССР, ориентированных на привозное топливо и имеющих благоприятные климатические условия (страны Закавказья, Черноморского региона и т.д.), могут весьма успешно использовать эти виды энергии (особенно солнечную). Однако, проектировщики и узкие специалисты сталкиваются со слабой научной, проектной и эксплуатационной базой систем солнечного теплоснабжения, техническими трудностями и высокой стоимостью привозного европейского оборудования, а также с психологическими факторами: системы солнечного теплоснабжения в бывшем СССР были почти научной фантастикой.

В данной статье рассмотрены вопросы совместного использования низкотемпературных СК и теплового насоса (НСК+ТН) в системе солнечного теплоснабжения, комбинация которых позволяет обеспечить высокую энергоэффективность и устойчивую работу системы за весь период летних и переходных месяцев года. С применением грунтовых аккумуляторов тепловой энергии такие системы могут конкурировать и с традиционными источниками тепла.

Для сравнения были также рассмотрены особенности вариантов систем теплоснабжения, в которых источником тепла являются среднетемпературные СК (ССК) и котлы районной котельной.

Схема с низкотемпературными солнечными коллекторами в комбинации с тепловым насосом

Принципиальная схема системы теплоснабжения с НСК+ТН с изложением основных узлов и принципа работы системы приведена на рис. 1.

Первый контур включает в себя бак-аккумулятор 1, циркуляционный насос 2, подающий 3 и обратный 4 теплопроводы, соединенные с внутренней системой жилых зданий микрорайона и конденсатором 5 ТН второго контура.

Во втором контуре источника тепла в состав ТН, кроме конденсатора 5, включены дроссель 6, испаритель 7 и компрессор 8.

Четвертый контур - это система утилизации солнечной энергии с низкотемпературным СК 9, насосом 10 и баком-аккумулятором 11 низкопотенциального источника тепла, обводным байпасным трубопроводом 12 со своей арматурой.

Принцип работы системы теплоснабжения с НСК+ТН следующий. В часы солнечного сияния теплота радиации при помощи СК передается теплоносителю - воде или рассолу (NaCl). Нагретый в СК теплоноситель охлаждается в испарителе ТН и возвращается в бак-аккумулятор для последующего нагрева. В ночные и пасмурные часы вода или рассол проходит через байпасную линию, минуя СК, для сокращения тепловых потерь. При применении грунтового аккумулятора (на схеме не показано) вместо аккумулятора 11 можно получить возможность использования данной системы и в зимние месяцы, однако это, а также использование третьего контура (подача воды из грунтового аккумулятора в испаритель 7), в последующих расчетах не предусмотрено.

За счет низкопотенциального тепла, передаваемого от низкотемпературного СК, в испарителе 7 хладагент испаряется, и пары поступают в компрессор 8. Сжатые пары хладагента с температурой 80-85 О С обеспечивают нагрев теплоносителя первого контура. Нагретый, например до 65 О С, теплоноситель поступает в бак-аккумулятор 1 и далее подается к жилым зданиям микрорайона.

Поскольку температура теплоносителя в НСК близка температуре окружающей среды, то существенно сокращаются тепловые потери от поверхностей НСК, что и приводит к повышению энергетической эффективности системы солнечного теплоснабжения. Кроме того, значительно сокращается необходимая поверхность НСК, повышается их надежность. Сокращаются тепловые потери от теплопроводов при транспортировке низкотемпературного теплоносителя, однако повышается необходимая поверхность отопительных приборов при естественной циркуляции воздуха, установленных в помещениях зданий. Во избежание этого, следует применять фанкойлы, которые можно использовать также и при хладо- снабжении зданий микрорайона.

Сравнение вариантов

В расчетах параметров оборудования системы теплоснабжения с ССК определяющей является площадь поверхности коллекторов ^ ССК), которая может быть определена различными методами. Нами выбран метод, изложенный в , а в качестве тепловой нагрузки принята нагрузка ГВС зданий городского микрорайона (^QrBc):

где 1 а - суммарная солнечная радиация местности, ηссκ - коэффициент эффективности ССК.

Значения солнечной радиации местности определены в зависимости от месячных суммарных радиаций и продолжительности солнечного сияния. Актинометрические и метеорологические данные местности, например, для условий г. Еревана, представлены в таблице.

При снижении суммарной солнечной радиации и повышении среднемесячной температуры наружного воздуха эффективность ССК (ηссκ) повышается и достигает максимума в июле месяце. В целом, среднесезонная эффективность ССК с неселективным поглощающим покрытием составляет примерно 0,48 (рис. 2). Наибольшая эффективность для НСК составляет 0,7-0,74.

Были проведены расчеты системы теплоснабжения для микрорайона г. Еревана с численностью 20 тыс. чел., нагрузкой ГВС - 7 МВт и продолжительностью нагрузки - 7 мес. в году (с апреля по октябрь). Площадь необходимой поверхности ССК для покрытия нагрузки ГВС составила 2 м 2 /чел. и, соответственно, для всего микрорайона - 40 тыс. м 2 .

Для системы теплоснабжения с НСК+ТН требуемая поверхность коллекторов (Fhck+th) в течение указанного сезона представлена в виде графика на рис. 3. Как следует из графиков этого рисунка расчетная поверхность НСК при использовании ТН может составить 16,5 тыс. м 2 , что в 2,4 раза меньше по сравнению с ССК.

Рассматриваемые системы следует сравнить по технико-экономическим показателям с традиционными источниками тепла - с котлами. Производя подбор оборудования, следует определить приведенные затраты за сезон по удельным капитальным вложениям на сравниваемые системы теплоснабжения и стоимости условного топлива. Необходимо учесть и экологический ущерб из-за применения той или иной системы теплоснабжения с различными источниками тепла.

В результате проведенных расчетов было определено, что для системы теплоснабжения с ССК приведенные затраты составят 444 тыс. долл. США/год, для системы с НСК+ТН - 454,7 тыс. долл. США/год, а для системы с районной котельной - 531,9 тыс. долл. США/год.

Из полученных результатов следует, что сравниваемые варианты систем солнечного теплоснабжения почти равноценны (система с НСК+ТН по приведенным затратам превосходит систему с ССК на 2,4%). Однако каждая из систем имеет свои положительные и отрицательные стороны как с экономической, так и технической стороны, которые могут нарушить эту равноценность. В частности, повышение стоимости электрической энергии, уменьшение тепловой нагрузки, приведут к удорожанию системы с НСК+ТН. В регионах, где интенсивность солнечного сияния и температура наружного воздуха в указанные месяцы ниже, а также высоки цены на земельные участки и т.п., снижаются энергоэкономические показатели системы с ССК.

Вариант системы с районной котельной по затратам на 17% превышает другие системы и основная статья расходов - затраты на органическое топливо, которая имеет тенденцию к увеличению.

Поскольку стоимость основного оборудования сравниваемых систем может повышаться относительно небольшими темпами, по сравнению со стоимостью топлива, следует произвести анализ систем по удельным расходам топлива, поскольку для стран, ориентированных на привозное топливо, кроме экономических показателей, наибольший интерес представляет вопрос топливо- или энергосбережения.

На рис. 4 для системы с НСК+ТН показано изменение удельного потребления топлива, которое связано с изменением среднемесячной температуры наружного воздуха. При этом среднесезонное удельное потребление топлива для этой системы составляет 53 г у.т./ кВт*ч тепловой энергии, что намного больше, чем для системы с ССК (0,4 г у.т./ кВт*ч). Это означает, что для условий г. Еревана система с ССК по топливо- и энергосбережению превосходит систему с НСК+ТН.

На этом же рисунке показано среднесезонное удельное потребление топлива для системы теплоснабжения на базе районной котельной. Как и следовало ожидать, это значение намного превышает соответствующие значения для систем солнечного теплоснабжения с различными комбинациями, т.к. последние используют солнечную энергию вместо органического топлива. Поскольку удешевление различных видов топлива невозможно из-за истощения их запасов, то эти показатели могут быть основными для стран, ориентированных на привозное топливо. Однако при этом следует учесть не только экономические, но и актинометрические и метеорологические показатели местности.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемые системы солнечного теплоснабжения по приведенным затратам почти равноценны (из-за высокой цены ССК). Однако существуют другие варианты использования солнечной энергии, в частности, при помощи «солнечных» прудов или бассейнов, капвложения в которые намного ниже, чем в ССК. «Солнечные» пруды одновременно служат аккумуляторами низкопотенциального тепла, поскольку, при применении незамерзающей жидкости, даже в зимние месяцы, их температура равна или ниже температуры окружающей среды. Предварительные расчеты подтверждают это, однако, это уже тема другой статьи.

1. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения с ССК и НСК+ТН по соображениям топливо- и энергосбережения намного эффективнее и экологически безопаснее, чем сжигание топлива в районных котельных.

2. При актинометрических и метеорологических условиях г. Еревана для ГВС микрорайона системы теплоснабжения с ССК и НСК+ТН по приведенным затратам равноценны, однако, по топливосбережению система с НСК+ТН намного уступает системе с ССК.

3. Система теплоснабжения с НСК+ТН и грунтовым аккумулятором может обеспечить ГВС микрорайона и в зимние месяцы, а также осуществить хладоснабжение микрорайона или других потребителей при комбинированной выработке теплоты и холода, что намного повысит энергоэкономические показатели данной системы.

4. Показатели системы с НСК+ТН и «солнечным» прудом или бассейном могут оказаться намного выше, чем при других системах солнечного теплоснабжения из-за низких капитальных вложений в систему и ее возможности работать в зимние месяцы.

Литература

1. Петросян А.Л. Использование солнечной энергии и тепловых насосов для теплоснабжения жилых зданий. Сб. научн. трудов Ереванского государственного университета архитектуры и строительства. Том 2. 2003. С. 122-124.

2. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет системы солнечного теплоснабжения. М.: Энергоиздат, 1982. С. 80.

3. Девочкин М.А. и др. Технико-экономические расчеты в энергетике на современном этапе. Известия вузов. Энергетика. Минск, 1987. № 5. С. 3-7.

4. МТ34-70-010-83. Методика определения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу от котлов тепловых станций. Союзтехэнерго. М., 1984. С. 19.

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.

http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3843

Г. П. Васильев, председатель совета директоров ОАО «Инсолар-Инвест»

В последнее время заметно повышенное внимание к новым энергосберегающим технологиям, в том числе к тепловым насосам. Компания ОАО «Инсолар-Инвест» имеет большой опыт в области применения тепловых насосов в Москве и в России в целом.

На сегодняшний день из энергетического баланса Москвы ясно, что основными энергоресурсами являются природный газ − 96 %, мазут – 2,7 % и уголь – 1,3 %. Для решения энергоресурсосберегающих задач рассмотрим перспективу использования в столице тепловых насосов. Известно, что основной и главный момент в применении тепловых насосов − это наличие источника низкопотенциального тепла, без которого тепловые насосы применяться не могут и никакого эффекта не дают. Попытаемся найти такие источники в Москве.

Из общего списка источников низкопотенциального тепла можно использовать солнечную энергию. Солнечная энергия в качестве низкопотенциального источника для тепловых насосов имеет большой ресурс – ее потенциальная доля в энергетическом балансе нетрадиционных источников энергии составляет порядка 4 %. Помимо нее важный ресурс − энергия вентиляционных выбросов жилых и общественных зданий: здания парят, выбрасывают теплый воздух, который нагревается системами теплоснабжения и выбрасывается на улицу – 9 %. Далее можно назвать тепло канализационных стоков – 13,1 %, это тепло, которое уходит с горячей водой, сливаясь в канализацию и т. д. Может быть использовано некоторое количество сбросного тепла от Метрополитена. Максимальный потенциал имеет утилизация низкопотенциального тепла р. Москва − 27,7 % и грунта поверхностных слоев Земли – 46,1 %. При правильном рациональном подходе к этому вопросу все перечисленные источники в состоянии обеспечить и покрыть практически полностью потребность Москвы.

Специалисты Инсолар-Инвест считают, что в сегодняшнем энергетическом балансе Москвы существуют некие перекосы, и давно пытаются пропагандировать и предложить свою схему (рис. 1). Хотя мы привыкли слышать то, что у нас энергодефицитный город, но на самом деле 40−45 % электрогенерирующих мощностей Мосэнерго работают на область. Поэтому, если рационально подойти к этому вопросу, то некоторую значительную часть электрической энергии, особенно внепиковой, можно использовать для привода тепловых насосов. Что тогда может получиться? Если посмотреть на схему (рис. 1), станет понятно: на ТЭЦ пришло 100 ед. топлива в виде природного газа и т. д., 38 ед. − это примерные технические возможности электростанции, 38 ед. выработано в виде электроэнергии, остальное в виде тепловой энергии идет, скажем, на теплоснабжение города. При этом структура нагрузок города такова, что эти мощности соотносятся следующим образом: электрические нагрузки составляют 14 % от общей энергетической нагрузки города. Поэтому, если использовать какую-то часть электроэнергии, идущую на освещение, на нужды столицы и использовать по схеме 28 ед. на привод тепловых насосов, то в итоге, прибавив сюда тепло грунта или других низкопотенциальных источников, получим в таком цикле около 156 ед. полезной энергии.

Рисунок 1 (подробнее)

Схема применения тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы

Посмотрим, что может получиться, если 5 тыс. МВт использовать для привода тепловых насосов в городе (таблица). Фактически в этом варианте можно покрыть прирост до 2020 года тепловых нагрузок города с помощью тепловых насосов. Экономический эффект, который при этом может быть получен только на топливе, по нашим оценкам, для Москвы составит около 0,5 млрд долл. США. Это экономия от применения такой схемы.

Таблица
Вариант теплоснабжения Москвы с использование тепловых насосов

Наименование технико-экономических
показателей

Вариант Генплана

Вариант с ТСТ

57 200
39 700

Доля электрической нагрузки, %

Известно, что теплонасосные системы принято оценивать коэффициентом трансформации энергии. Это тот показатель эффективности, который численно равен количеству полезного тепла, вырабатываемого теплонасосной системой на единицу затраченной энергии на приеме. На рис. 2 показана линиями красно-желтого спектра зависимость идеального коэффициента трансформации (Ктрид) по циклу Карно от температуры низкопотенциального источника (Ти), а линиями сине-зеленого спектра – реальный коэффициент трансформации (Ктрреал), т. е. показатель с учетом КПД реальных систем и машин. То есть можно получать от 2,5 до 3,5 кВт полезного тепла на 1 кВт затраченной электрической энергии.

Рисунок 2.

Зависимость величины коэффициента трансформации энергии от температуры источника низкопотенциального тепла

Был проведен анализ территории России с точки зрения получения энергии с помощью тепловых насосов в условиях российского климата. Построенные изолинии значений коэффициента трансформации грунтовых геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения показали, что на юге страны значение коэффициента трансформации энергии равно примерно 4 и около 2,7 − на севере России. Это достаточно неплохие показатели, и они означают, что на юге можно на 1 кВт получать 4 кВт полезной тепловой энергии. Все районирование было проведено с учетом изменений температур грунта при эксплуатации системы, потому что очень много возникает споров: замерзнет или не замерзнет грунт. Достаточно ответственно можно сказать, что не замерзает. Просто нужно правильно проектировать. Инсолар-Инвест проектирует системы, учитывая тот тепловой режим, который складывается в грунте на пятый год эксплуатации этих систем.

Величина удельных затрат энергии на привод геотермальных теплонасосных систем, приведенных к 1 м2 в год, для Москвы составляет около 90 кВт ч/м2, учитывая отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. В МГСМ учитывается только отопление и вентиляция.

Отметим важный момент: не очень эффективно, оказывается, строить систему на максимальной расчетной мощности объекта, потому что получается завышенное значение капитальных вложений. Поэтому, как правило, используется суммарная величина мощности теплового насоса и пикового доводчика, который может работать на традиционном топливе или в виде электронагревателя. Это позволяет оптимизировать и получить достаточно хорошие экономические показатели всей системы в целом.

Рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика к электрической мощности теплового насоса для Москвы составляет, примерно, 1,2. Где-то на Севере и дальше это соотношение равно 2−2,8. Уточним, это отношение не к тепловой мощности теплового насоса, а к электрическому приводу, потому что тепловая мощность будет раза в 3 выше.

А теперь рассмотрим экологический эффект теплонасосных систем. К сожалению, у нас в стране не очень много или вообще, практически, нет нормативных документов, которые позволяли бы учитывать экологическую эффективность подобных систем. А она весьма существенна, потому что по оценкам на 1 руб. или долл. экономического эффекта, получаемого потребителем, государство или муниципалитет, в данном случае, город получают до 3 долл. эффекта именно за счет этой экологической составляющей.

Специалисты Инсолар-Инвест предложили методику, которая позволила бы поставить подобные системы в равные условия с традиционными. Были рассмотрены эти проблемы с учетом экономической целесообразности сопротивления теплопередачи или теплозащиты ограждающих зданий с учетом экологической составляющей в тарифах и без нее. В первом случае, когда рассматривается здание или объект без учета экологической составляющей, получилось значение сопротивления теплопередачи теплозащитной оболочки равное 2,9 м2 град/Вт, т. е. нужно повысить немного сопротивление теплопередачи. Во втором случае, т. е. с учетом экологической перспективы и эффективности различных технологий, это значение составило 4,4 м2 град/Вт.

Методика учитывает экологический ущерб от сжигания органического топлива на территории города. И это должна быть некая добавка к тарифам, по нашим данным, примерно 18 центов за кВт ч сожженного органического топлива. Это не значит, что люди должны деньги платить. Речь идет о том, что когда на стадии ТДЛ сравнивают варианты различных систем энергоснабжения объекта, то желательно было бы что-то подобное применять для учета экологической эффективности новых систем. Поскольку то, что мы сегодня проектируем, закладываем в проект, эксплуатироваться будет завтра, послезавтра и долгие годы спустя. Поэтому нужно стратегически понимать, какой будет экология города, региона и страны в целом.

Использование низкопотенциального тепла из получение тепловой энергии из альтернативных источников - перспективное направление современной энергетики. Использование тепловых насосов в мире неуклонно растет, как и области применения тепловых насосов.

В этой статье мы рассмотрим общие тенденции в мире и практику применения в отдельных странах. Периодически информация будет обновляться.

Статистика использования тепловых насосов в мире

Теплонасосные технологии известны более 150 лет, но широкое распространение они получили только в последние десятилетия. Основными предпосылками для этого являются:

• Перспективность возобновляемых источников энергии
• Повышение стоимости традиционных теплоносителей
• Борьба с загрязнением окружающей среды
• Повышение эффективности тепловых насосов
• Отсутствие негативного воздействия на окружающую среду

Для индивидуального использования наибольшей популярностью пользуются воздушные тепловые насосы благодаря низкой стоимости. Но в промышленных условиях широко распространены геотермальные тепловые насосы.

В странах, окруженных морями, для централизованного отопления создают теплонасосные станции мощностью в десятки и сотни киловатт.

Статистика производства тепловых насосов типа грунт-вода и воздух-вода за последние 8 лет.

Из графика выше видно, что уровень продаж тепловых насосов неуклонно растет. По объемам производства установок лидируют США и Китай. Первые - благодаря качеству продукции, вторые - из-за низкой стоимости.

Типы тепловых насосов и их популярность

Есть три основных типа теплонасосных установок:

• Воздушные;
• Водяные;
• Геотермальные (грунтовые).

Воздушные

Эти тепловые насосы популярны ввиду низкой стоимости, но их зависит от температуры воздуха снаружи здания. Установки типа воздух-воздух используются для отопления помещений, а воздух-вода - для отопления и/или ГВС .

Низкая стоимость привела к их широкому применению в жилых домах, владельцы которых редко рассчитывают на долгосрочную перспективу. Они часто используются как вспомогательный источник тепла.

Водяные

Тепловые насосы типа вода-вода или вода-воздух нагревают, соответственно, воду или воздух. Они более эффективны чем воздушные, но для их установки нужен водоем. Стоимость монтажа при этом существенно выше, чем воздушного, но ниже чем геотермального теплового насоса.

В основном используются водяные теплонасосы большой мощности, которые устанавливаются в морях и обеспечивают теплом прибрежные регионы. Реже их устанавливают владельцы частного жилья, многокваритных и промышленных зданий.

Геотермальные (грунтовые)

Монтаж таких установок наиболее дорогой из-за необходимости укладки геотермального поля или бурения скважин. Основною их плюс - устанавливать геотермальный насос можно практически в любой местности.

Высокий позволяет использовать низкопотенциальное тепло земли для отопления строений любого типа. Но высокая стоимость приводит к тому, что их чаще устанавливают владельцы жилья большой площади, либо промышленных и производственных зданий.

Укладка геотермального поля существенно удорожает стоимость монтажа геотермального теплового насоса.

Особенности использования тепловых насосов в разных странах

Во всем мире реализуются различные программы для поддержки производителей и внедрения теплонасосных технологий.

Госпрограмма в США

В Соединенных Штатах правительство обязало строительные компании устанавливать тепловые насосы в каждой новостройке. Благодаря этому в стране выпускается более 1 млн. установок ежегодно.

На 2017 год более 10% жилых зданий обеспечены тепловыми насосами. Для повышения их энергоэффективности, активно устанавливаются , которые позволяют снизить потребление электроэнергии на 25%.

Тепловые насосы в Норвегии

В этой стране 98% энергопотребления обеспечивается возобновляемыми источниками энергии. Поэтому около 80% домов отапливаются электричеством.

Из всех продающихся в Норвегии отопительных приборов и установок, 90% - воздушные тепловые насосы. Их доля на энергетическом рынке постоянно растет.

Государство субсидирует покупателей воздушных тепловых насосов (за исключением типа воздух-воздух), что позволяет жителям страны сэкономить до 20% стоимости.

Опыт Германии

Немцы традиционно отдают предпочтение индивидуальным источникам тепла, поэтому тепловые насосы здесь популярны. В разных регионах страны действуют программы по поддержанию альтернативной энергетики.

Популярностью среди владельцев жилых домов пользуются тепловые насосы с принципом работы воздух-вода, а владельцы многоквартирных, производственных зданий и коммерческой недвижимости пользуются геотермальными.

Тепло из моря в Швеции

Температура Балтийского моря на небольшой глубине не опускается ниже +2 градусов, поэтому в стране действуют несколько крупных тепловых станций. Сама большая мощностью более 300 МВт тепловой энергии обеспечивает отоплением дома Стокгольма. В частных домах, удаленных от побережья, популярные воздушные тепловые насосы.

В Швеции ранее действовала программа субсидий, позволившая снизить энергопотребление страны для отопления более чем наполовину. Сейчас она неактуальна, так как 95% жилых зданий отапливается тепловыми насосами.

Тепловой насос вода-вода в Швеции, мощностью 5,7 МВт.

Франция

В стране существует налоговый кредит для таких типов тепловых насосов:

• Геотермальные - 40%
• Воздушные - 25%
• Низкой мощности для ГВС - 40%

Также установлен минимальный коэффициент энергоэффективности COP геотермальных установок >3,4. Кроме этого существуют минимальные нормы производительности воздушных теплонасосов в зависимости от температуры воздуха.

Во Франции существуют отдельные программы от различных организаций, местные и региональные системы поощрения, субсидии и дотации.

Использование тепловых насосов в Японии

После катастрофы на АЭС Фукусима-1 правительство поддерживает развитие и использование альтернативных источников тепловой энергии. В стране действуют программы субсидирования и дотаций.

Самыми популярными являются тепловые насосы типа воздух-вода. Из-за того, что японцы традиционно нагревают воду ночью, когда тариф на электроэнергию ниже дневного, энергоэффективность установок повышается.

Перспективы применения тепловых насосов в мире

Снижение цен на нефть повлияло на другие теплоносители, поэтому спрос на тепловые насосы снизился. Тем не менее, он растет, что стимулирует производство. Во многом это зависит от того, что такие установки можно устанавливать без подключения инфраструктуры, за исключением электросети.

Использование альтернативных источников энергии в комплексе с тепловым насосом позволяет увеличить его КПД. Например, для его работы можно получать электроэнергию от солнечных батарей и ветрогенераторов, а для предварительного подогрева воды использовать солнечные вакуумные или плоские коллекторы.

По прогнозам специалистов, рынок тепловых насосов в ближайшие годы будет расти, несмотря на активную разработку новых месторождений ископаемого топлива. Как результат - будет повышаться конкуренция, что приведет к снижению стоимости оборудованя.

Во многих странах второго и третьего мира внедряются государственные программы, которые стимулируют область применения альтернативной энергетики. В итоге это приведет к широкому распространению и увеличению объемов продаж теплонасосных установок.