Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?
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.
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 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 (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, определенная работа в данном направлении все 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 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 т.ч. 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.
Перспективы применения тепловых насосов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Перспективы применения тепловых насосов" 2017, 2018.
Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы
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.
Первые тепловые насосы появились около 60 лет назад, а сегодня их производство превратилось в отдельную индустрию. По всему миру функционируют сотни изготовителей тепловых насосов, которые предлагают множество различных моделей альтернативных отопительных систем с широким набором всевозможных функций.
На сегодняшний день теплонасосы являются основным видом отопления в Европе. Согласно разным источникам почти 70% всех новых зданий снабжаются системами отопления и горячего водоснабжения на базе тепловых насосов. И это легко объяснимо, так как данное оборудование обладает длинным перечнем достоинств.
Достоинства тепловых насосов
Главными преимуществами применения теплонасосов являются:
1. Использование современных энергосберегающих технологий, обеспечивающих экономическую эффективность
Тепловой насос использует электроэнергию немного эффективнее других видов котлов. При затратах на функционирование системы 1 кВт электроэнергии вырабатывается от 3-х до 4-х кВт тепловой энергии. То есть коэффициент эффективности теплонасоса намного больше единицы. Между собой агрегаты сравниваются по коэффициенту преобразования тепла (КПТ) - отношению полученного тепла к израсходованной энергии.
2. Экологичность
Аппарат при работе не сжигает топливо, а значит, не выбрасывает вредные вещества в окружающую среду. Ни в воздухе, ни на почве не накапливаются опасные для здоровья людей и природы соединения. Хладогены системы не содержат хлоруглеродов, что делает их озонобезопасными. Для планеты использование теплонасосов - это безусловное благо.
3. Возможность повсеместного использования
Если не вода, то земля и воздух есть повсюду, что позволяет использовать тепловые насосы в разных уголках Земли. При отсутствии электричества можно применять модели с дизельными или бензиновыми генераторами. Ветряные генераторы и солнечные батареи также обеспечат нужное количество энергии для отопления частного дома.
4. Многофункциональность
Тепловые насосы, оснащенные реверсивным клапаном, способны не только обогреть дом и обеспечить горячее водоснабжение, но и охладить воздух в летний зной. Летом теплонасос можно использовать как кондиционер и нагреватель воды для дома и бассейна.
5. Безопасность
При работе агрегата нет открытого огня, не используется топливо, и не выделяются опасные смеси и газы. Узлы системы не прогреваются выше 90°С, а значит, не могут стать причиной пожара. Теплонасосы не опаснее холодильников. К тому же им не вредят простои, агрегаты можно эффективно использовать даже после длительных остановок. Кроме того, используя подобное оборудование, никогда не придется столкнуться с замерзанием жидкости в системе.
Но, как и любое другое оборудование, тепловые насосы имеют недостатки.
Недостатки тепловых насосов
Главным и, возможно, единственным весомым недостатком теплонасосов является их цена. К примеру, для обогрева дома, имеющего площадь около 80 м², снабжения его горячей водой и кондиционирования воздуха летом, потребуется приобрести агрегат мощностью не менее 6 кВт и стоимостью 8-10 тысяч евро, а также побеспокоиться о монтаже, который будет предполагать создание 100-метровой скважины, а, как известно, земляные работы обходятся недешево.
Отметим также, что теплонасосы полностью оправдываю себя только в качественных зданиях, где тепловые потери составляют не более 100 Вт/м². Другими словами, чем теплее дом, тем выгоднее использовать подобное оборудование. Собственно, это правило работает со всеми видами отопления.
КПТ выше тогда, когда разница температур теплоносителя в системе и отопительном контуре минимальна. Максимальной эффективности можно добиться, используя отопление на базе теплонасоса в помещениях, где организована низкотемпературная система обогрева, например, теплый пол и тому подобное.
Перспективы использования тепловых насосов в нашей стране
Теплонасосы - надежные устройства. Период службы компрессора и контура системы превышает 30 лет. Практика использования подтверждает, что узлы и автоматика агрегатов практически никогда не выходят из строя на протяжении всего срока эксплуатации. Стоимость вырабатываемого тепла в 2,5 раза дешевле по сравнению со стоимостью тепла от газовых котлов и в 3 раза дешевле, если сравнивать с выработкой тепла централизованной системой отопления. Подогрев воды не вызывает никаких сложностей и весомых затрат, так как 75% требуемого нагрева уже сделал теплонасос.
Практика применения подобного оборудования подтверждает, что оно способно полностью обеспечить потребности в тепле. Лишь в особо холодные дни может потребоваться дополнительный обогрев.
Сроки окупаемости теплонасосов в разных странах оценивается по-разному - 2…6 лет, на это влияют расценки и субсидии на приобретение отопительного оборудования, действующие в некоторых странах.
Несмотря на то что в Швеции более половины всех зданий отапливаются геотермальными тепловыми насосами, Швейцария является лидером в Европе по их использованию, а в Японии производится свыше трех миллиона насосов в год, в России они пока не получили широкого распространения. Прежде всего, это связано с тем, что стоимость тепла, выдаваемого теплонасосом, соизмерима со стоимостью тепла, вырабатываемого газовым котлом. А, как известно, газа в стране пока хватает, котлы стоят дешевле теплонасосов, да и технология газового отопления изучена лучше.
Но, тем не менее, в России уже начался процесс применения тепловых агрегатов. Конечно, общая мощность установленного оборудования в сравнении со странами-лидерами несоизмеримо мала, но многие общественные здания Перми, Калининграда, Туапсе, Самары, Пензы, Московской и Ленинградской областей уже отапливаются по данной энергосберегающей технологии.
Тенденции к росту стоимости природного газа, а также дороговизна подключения к электрическим и тепловым сетям, несомненно, выступают теми факторами, которые дадут толчок популяризации тепловых насосов. Уже сейчас некоторые застройщики и владельцы частных домов прибегают к организации альтернативных систем отопления. И их число с каждым годом возрастает.
