CC BY
54Сергей Александрович Гулый,
кандидат технических наук, начальник Северо-Восточной научно-исследовательской мерзлотной ст анщш Института
мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН.
Отопление и горячее водоснабжение в большинстве городов мира осуществляется централизованными системами теплоснабжения. В России источниками тепловой энергии в таких системах являются вырабатывающие электроэнергию и тепло городские ТЭЦ или котельные. Преимущества централизованного теплоснабжения доказаны давно. Однако его использование имеет и недостатки. Основными из них являются необходимость строительства протяженных теплотрасс к удаленным и имеющим малую плотность застройки объектам, что сопряжено со значительными капитальными вложениями и большими тепловыми потерями. Больших затрат требует и их эксплуатация. Это - самое ненадежное звено в системе централизованного теплоснабжения.
Серьезные проблемы возникают при реконструкции существующих
С. А. Гулый
объектов и строительстве новых в обжитых городских районах с плотной застройкой. В этих случаях увеличение тепловой нагрузки создает для застройщика непреодолимые трудности в реализации технических требований при подключении к районной тепловой сети, в том числе финансовые. И, наконец, самое главное - мы живем в стране с долгими и достаточно суровыми зимами. Теплоснабжение в подобных условиях требует больших затрат на топливо, почти вдвое превосходящих расходы на производство электроэнергии. Высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей в северные регионы, как и другие негативные факторы, все чаще заставляют искать альтернативные способы теплоснабжения.
Опыт зарубежных стран показывает, что одним из наиболее эффективных решений этой проблемы явля-
На фото вверху - теплохолодильная установка ТХУ-14-2-0 (типа «вода - вода»). Теплопроизводительность - 25 кВт. Предназначена для охлаждения молока на животноводческих молочнотоварных фермах и нагрева воды для санитарно-технологических нужд [http://www.packet.zp.ua].
ется внедрение теплонасосной системы теплоснабжения (рис. 1, 2).
Наиболее активное использование тепловых насосов на Западе началось после энергетического кризиса 70-х годов прошлого века. В настоящее время во всех развитых странах налажено их массовое производство. По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 году в передовых странах отопление и горячее водоснабжение тепловыми насосами будет применяться в 75% случаев [1].
Рис. 1. Парокомпрессионный тепловой насос НТ-400. Теплопроизводит ельность - 400 кВт. Ист очником низкопот енциальной т епловой энергии может служить вода арт езианских скважин, очистных сооружений, водоводов, т ехнологичес-ких жидкостных сист ем промышленных предприятий и оборотного водоснабжения и т .д. Теплона-сос предназначен для высокоэкономичного преобразования большого количества низкопот енци-ального т епла (5-40?С) в т епло более высокого т емперат урного пот енциала (более 607С) для нагрева т еплоносит еля в сист емах от опления и горячего водоснабжения [http://www.sbras.nsc.ru/dvlp/rus/pdf/187.pdf].
Общий объем продаж выпускаемого за рубежом теплонасосного оборудования выражается суммой 125 млрд. долларов США, что в 3 раза превышает доходы от реализации вооружений.
О динамике спроса на тепловые насосы говорят следующие данные: если в 1980 г. в США работало около 3 млн. таких установок, Японии - 5 млн., Западной Европе - 0,15 млн., то в 1993 г. в развитых странах их общее количество превысило 12 млн., причем ежегодно выпускалось более 1 млн. единиц. Сегодня в США эксплуатируется 13,5 млн. подобных агрегатов, а в развивающейся китайской экономике насчитывается 10 миллионов единиц. Но и это немного по сравнению с 57 миллионами установок, имеющихся в Японии, где такое оборудование является основным в обеспечении отопления жилого фонда.
Закономерен вопрос - почему метод, столь популярный за рубежом, не был распространен в СССР? Ответ вполне очевиден. Отсутствие децентрализованных систем теплоснабжения, невысокая стоимость и огромные запасы ископаемого топлива (уголь, торф, нефть, газ), а также незначительные в те годы затраты на его транс-
портировку даже в самые отдаленные точки страны не стимулировали применение альтернативных способов теплоснабжения.
К сожалению, и в настоящее время в России внедрение тепловых насосов идет с большими трудностями. Причины здесь не только финансовые. Не последнюю роль играют новизна и необычность таких установок для наших потребителей, отсутствие четких правил формирования тарифов на теплоэнергию для ее производителей. За рубежом эти проблемы преодолевались путем предоставления на несколько лет льгот предприятиям, внедряющим теплонасосные установки. В большинстве стран Западной Европы на получаемую от применения теплонасосов прибыль устанавливался меньший налог, а иногда были прямые финансовые дотации. Например, австрийским фирмам, использующим теплонасосные системы, была установлена дотация до 100 тыс. шиллингов. В ФРГ в начале 90-х гг. прошлого века таким фирмам предоставлялась налоговая скидка до 7,5% капитальных затрат (при условии их капитализации), что равноценно 20%-й дотации на установку теплонасосных агрегатов. В итоге сейчас в Австрии действуют 105 тыс. тепловых насосных станций, позволяющих ежегодно экономить 116 тыс. тонн мазута. Возможно, что для наших масштабов потребления топлива такая величина незначительна, но для маленькой Австрии, не имеющей собственных месторождений нефти и газа, это существенно.
Рис. 2. Геот ермальный т епловой насос AHW (типа «вода - вода + вода - воздух»). Выходная т епловая мощность - от 5 до 21 кВт . Низкотемпературными источниками тепла являют ся вода открытых водоемов, грунт овые воды, грунт . Он предназначен для от опления-кондиционированиядомов, котт еджей, зданий небольших площадей [http://www.boreal-geothermal.com].
Так что же такое тепловой насос, и есть ли возможность его использовать в наших суровых северных условиях?
Тепловой насос - это устройство, позволяющее утилизировать тепло низкотемпературных (низкопотенциальных) возобновляемых природных или искусственных источников для повышения температуры теплоносителей с целью использования их в системах отопления или горячего водоснабжения.
Термодинамически этот процесс в парокомпрес-сионных тепловых насосах осуществляется следующим образом:
- рабочая жидкость (например, фреон) закипает в испарителе при невысокой температуре (0-50С) за счет тепла низкопотенциального источника, которым может быть воздух или грунт;
- образовавшийся пар сжимается компрессором до необходимой температуры;
- пар поступает в теплообменник и нагревает рабочее вещество отопительной системы, а сам при этом остывает.
Термодинамический цикл теплового насоса завершается понижением (при помощи дроссельного клапана) давления и расширением охлажденного хладагента с последующим его возвратом в испаритель.
Рабочий цикл такой установки идентичен циклу обычной холодильной машины, а отличием от нее является полезное использование не только холода, но и тепла [2].
Работа используемых теплонасосных установок должна быть оптимально сбалансирована. Основной энергетической характеристикой теплового насоса является коэффициент преобразования (не путать с к.п.д.):
О ТЪЯкВ/й
€ IV," кИт
1 <Р'4.№
ч,
Г
ат ¡г
кЧ I I
) I
О 5</ / кВт
3 (
ф;. ш иные 1К1.1Ы
(1)
йТ _ г е
где От - суммарная теплопроизводительность;
01_ - количество тепла, отобранное у низкопотенциального источника;
£ - расход электроэнергии в тепловом эквиваленте. Коэффициент преобразования связан с термическими характеристиками цикла теплового насоса следующим соотношением:
9= Ч
Г- Г.
(2)
где Т, Т2 - соответственно температура кипения и конденсации хладагента, К;
П - соотношение между реальной и идеальной эффективностью термодинамического процесса. Для ориентировочного расчета отопительного устройства с тепловым насосом, использующего турбокомпрессоры, это соотношение можно принять равным 0,5 [3]. Обычно Т задается на 3-5 градусов ниже температуры низкопотенциального источника, а Т2 - на столько же градусов выше температуры рабочего вещества отопительной системы.
Принципиальная схема работы парокомпрессион-ных тепловых насосов приведена на рис. 3. Значение коэффициента преобразования подобных установок, как видно из формулы (1), всегда больше единицы. Казалось бы, из этого можно сделать вывод о безусловной целесо-
Рис. 3. Принципиальная схема работы т еплового насоса. Высокий коэффициент преобразования достигает ся за счет небольшой разницы между т емперат у-рами кипения и конденсации рабочей жидкости.
образности их применения. Однако это условие выполняется не всегда. Во-первых, нередко для производства электрической энергии, потребляемой тепловыми насосами, расходуется больше топлива, чем при традиционном способе отопления. Такое бывает, например, когда электрическая энергия вырабатывается дизельной электростанцией. Во-вторых, если даже и есть экономия топлива, суммарные затраты на отопление тепловыми насосами могут оказаться более высокими по сравнению с традиционными системами отопления. Поэтому, чтобы оценить целесообразность применения таких насосов, необходимо всесторонне исследовать свойства источника низкопотенциальной энергии и рассмотреть способы утилизации вырабатываемого тепла, а также сделать технико-экономическую оценку сроков окупаемости капитальных затрат и эффективности описываемых установок в сравнении с традиционными способами получения тепла на этой территории.
Ключевым вопросом, от решения которого в значительной степени зависит не столько эффективность применения тепловых насосов, сколько возможность их использования, является вопрос об источнике низкопотенциального тепла. Таким источником может быть, например, атмосферный воздух. Примерно 77% установленных в Европе тепловых насосов используют в этом качестве наружный воздух. Системы класса «воздух - воздух» преобладают в Южной Европе: Италии, Испании и Греции. Понятно, что в этих странах выбор способа обогрева на основе теплового насоса обусловлен необходимостью кондиционирования воздуха в летний период [4].
В России в зимнее время, когда тепловая нагрузка значительно возрастает, температура воздуха слишком низка, чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса [5]. Однако воздух как таковой все же может быть использован, но в ином варианте. В настоящее время в конструкциях новых зданий повышена теплоизоляция ограждающих конструкций (стены, окна). К тому же применение стеклопакетов увеличивает герметичность зданий. Все это приводит к потере тепла в основном за счет вентиляционных выбросов. Подобные изменения требуют новых технических разработок по организации кон-
тролируемого воздухообмена в помещениях. А это значит, что широкое применение будут находить системы приточно-вытяжной вентиляции, в том числе и с утилизацией тепловых выбросов. По сравнению с хорошо известными воздушными теплообменниками-утилизаторами, теплонасосные установки способны обеспечить более глубокое и, что особенно важно, круглогодичное использование тепла выходящего из здания воздуха.
Морская вода, как и воздух, является практически неисчерпаемым источником низкопотенциальной энергии, причем эффективность ее утилизации значительно выше, чем воздуха. Это подтверждается мировой практикой использования теплонасосных станций, работающих на морской воде. Например, в Швеции построено несколько таких станций, самая крупная из которых, мощностью 320 МВт, предназначена для теплоснабжения Стокгольма. Источником низкопотенциального тепла здесь является вода Балтийского моря, температура которой понижается в зимнее время до 2?С [6].
Тепловой потенциал обычных сточных вод с температурой 16-18?С недостаточен, как показывают расчеты, чтобы использовать их в качестве низкопотенциального источника для отопления расположенных на севере населенных пунктов [5]. В то же время для круглогодичного обеспечения горячей водой его вполне хватает. Там, где во время максимального потребления горячей воды (утренние и вечерние часы) тепла одних сточных вод недостаточно, в системе можно установить дополнительные баки-аккумуляторы, которые будут сохранять тепло, вырабатываемое тепловыми насосами в период минимального водозабора горячей воды (например, ночью), либо задействовать дополнительный источник тепла низкого потенциала.
В качестве последнего можно использовать теплоту грунта [7]. В климатических условиях средней полосы России его температура на глубине 4-5 м и более постоянна и варьирует от 5 до 8 ?С. Такой диапазон делает возможным утилизацию грунтового тепла. Большой опыт применения тепловых насосов с грунтовыми теплообменниками накоплен в США и Канаде. Установки, применяемые в Швеции, Швейцарии и Австрии забирают тепло из грунта по заглубленному змеевиковому теплообменнику.
Что касается вопроса об утилизации для этих целей мерзлых грунтов, то следует сказать следующее. Мерзлый грунт сам по себе не является источником возобновляемой энергии. Поэтому приток тепла к охлаждающему устройству очень быстро снижается во времени. Следовательно, использовать мерзлый грунт в качестве источника низкопотенциальной энергии на территории крио-литозоны для целей отопления или горячего водоснабжения нецелесообразно. Большего эффекта можно достичь, если в летнее время собирать солнечную энергию с поверхности посредством пленочных водонагревателей и сразу же передавать ее потребителю для горячего водоснабжения [8-10].
Идея применять тепловые насосы в области вечной мерзлоты для одновременного охлаждения грунтов в основании здания и снабжения его внутренних помещений теплом впервые была высказана Стенбак-Нильсоном и Л. Свитом [11]. Реализовал ее выдающийся инженер-строитель Б. Инстанес в Норвегии в 80-х годах прошлого века в населенных пунктах Свегруве и Лон-гьербине, расположенных на Шпицбергене в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород
[12]. Основания двух складских помещений и одного магазина были оборудованы теплонасосной системой охлаждения с использованием труб, уложенных горизонтально на гравийную подушку и присыпанных 0,7-метровым слоем мелкозернистого песка. В течение всего года тепловыми насосами поддерживалась постоянная температура грунта -10?С. Это позволило вместо обычных для тех мест свайных фундаментов с проветриваемым подпольем применить облегченные фундаменты в виде сплошной плиты и получать дополнительно от 5 до 15 кВт тепловой энергии от каждого здания. Все объекты с осени 1986 г. эксплуатируются с экономическим эффектом и без каких-либо проблем.
Результаты исследований показывают, что тепла, отводимого из-под здания при использовании описанного метода, достаточно, чтобы в течение нескольких лет окупить теплонасосное оборудование и компенсировать затраты на устройство фундамента [13,14].
Обеспечение надежности основания фундаментов является лишь одним из аспектов использования тепловых насосов на территории криолитозоны. Не менее успешно они могут применяться и в других отраслях северной инженерии. Так, произведенное в конденсаторе таких установок тепло может быть направлено не только для отопления и горячего водоснабжения, но и для оттаивания многолетнемерзлых грунтов при водно-тепловой мелиорации, сезонного и круглогодичного обогрева тепличных комплексов, складов (рис. 4). Полученный в испарительной системе холод целесообразно утилизировать для замораживания грунтов в основании и теле земляных дамб гидротехнических сооружений, охлаждения прудов-отстойников тепловых станций, для долговременного хранения овощей, рыбной и мясной продукции. Большой интерес может представлять использование тепловых насосов в технологиях, связанных с устройством и эксплуатацией подземных емкостей для хранения жидких продовольственных и нефтепродуктов.
Расчет экономической эффективности применения теплового насоса является неотъемлемой частью проектирования. Для предварительных расчетов можно оценивать его стоимость из расчета 150-300 долл. за 1 кВт вырабатываемой тепловой энергии. Большая цифра применима для оценки тепловых насосов малой мощности.
V V кПш
к-41 кЧ|ц .11 ■ ■ |■ / ¡V I
4~.3
Рис. 4. Схема использования т еплового насоса для одновременной выработки холода с целью охлаждения ледяного склада и получения т епла для обогрева т еплицы.
Очевидно, что использование тепловых насосов в чисто отопительных целях окупает себя, если соблюдается условие
> 1,
т
где т - соотношение цены эквивалентного количества тепла, выработанного за счет электроэнергии и полученного при сжигании органического топлива.
Как видно из таблицы, значение т для различных регионов России находится в очень широких пределах. В настоящее время Магаданская область - одна из немногих территорий в России, где этот показатель близок к единице вследствие использования относительно дешевой электроэнергии ГЭС по сравнению с дорогим привозным твердым топливом (см. табл.). В таких условиях применение тепловых насосов очень выгодно. Однако, когда значения т близки к 3 или больше, то использование их будет экономически оправданным при Ф > 3.
Каким образом можно получить более высокое значение ф? Одним из путей решения проблемы, в соответствии с формулой (2), может быть понижение температуры в отопительных системах. Очевидно, что при увеличении поверхности теплообмена, например, установки панелей в полах, будет приемлема температура 50, а не 95-105?С, как это принято сейчас в системе водяного отопления. Повышением расхода циркулирующего воздуха можно понизить температуру конденсации и до 35?С (см. рис. 3).
Если же рассматривать теплонасосное охлаждение оснований сооружений в контексте возможного глобального потепления климата, то использование такого метода представляется очень удачным техническим решением. С его помощью можно предотвратить колоссальный социально-экономический ущерб от разрушения потерявших устойчивость сооружений, возведенных на веч-номерзлых грунтах, и при этом не только полностью компенсировать расходы на приобретение теплонасосного оборудования, но и заметно понизить затраты на снабжение теплом населения и хозяйственных объектов.
Весь мир применяет тепловые насосы. Может быть, и нам пора обратить внимание на столь полезный и выгодный опыт других стран?
Тарифы, утвержденные энергетической ко миссией
Наименование АО Тарифы, действующие а июне 2007 г. m
Электроэнергия, коп / кВг-ч Тепло, Руб./ Гкал
Маглданэнорго ЦЭУ 164,57 ifies.ao 1,1
Иркутскэнерго 32.47 320.04 1.2
Дзльэ»ерпосбыт 152,00 823,10 2,1
"Чукютэнсрго 411,00 IBS», 20 2:5
Амурэнергосбыт 125,ее 5Э3.40 2,5
Камчзтсхэнпрпо 357,00 1467,56 2,9
Хйбаоовскэне^го 190,40 601.69 3,7
Якутскэнерго 201,10 494,89 4.7
Всего ло России 107.08 424.04 Z9
Лит ерат ура
1. Мировая энергетика: Прогноз развития до 2020г. /Пер. с англ. - М.: Энергия, 1980. -256 с.
2. Стырикович М.А., Шпильрайн Э.Э. Энергетика. Проблемы и перспективы. - М.: Изд-во Энергия, 1981. -192 с.
3. Мартыновский В.С. Тепловые насосы. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955. -191 с.
4. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы /Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. -224 с.
5. Гулый С.А. Ресурсы низкопотенциальной энергии для тепловых насосов на территории Магаданской области //Колыма. -1999. - № 3. - С. 55-59.
6. Яновский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. - М.: Энергоат омиздат, 1989. -128 с.
7. Хайнрих Г., Найорк Х, Нестлер В. Теплонасос-ные уст ановки для отопления и горячего снабжения / Пер. с нем. - М.:Ст ройиздат, 1985. - 351 с.
8. Перльштейн Г.З. Водно-тепловая мелиорация мерзлых пород на Северо-Востоке СССР. - Новосибирск: Наука, 1979. - 304 с.
9. Гольдт ман В.Г., Приймак А.И. Солнечный водонагреватель для гидрооттайки и его эффект ивность /Труды ВНИИ-I. - Т. XXXI. - Магадан, 1971. -С. 177-206.
10. Гулый С.А. Использование простейших солнечных коллект оров тепла для горячего водоснабжения в условиях Северо-Востока России // Сб. докл. на VII научной конференции «Идеи, гипотезы, поиск». - Магадан, 2000. - С. 24-26.
11. Stenbeak-Nielson and Sweet L.R. Heating with Ground Heat, An Energy saving Method for Home Heating // The Northern. -1975. - 7(1). - Р. 20-25.
12. Jnstanes B. Permafrost engineering on Svalbard // International Workshop on Permafrost engineering Longyearbyen, Svalbard, Norway 2000. - Р. 1-24.
13. Перльштейн Г.З., Гулый С.А.., Буйских А.А. Мат емат ическое моделирование температурных полей, создаваемых тепловыми насосами // Сб. материалов I Международной конференции Академии Северного форума Республики Саха (Якутия) «Знание - на службу нуждам Севера». - Якутск, 1996. - С. 205.
14. Перльштейн Г.З., Гу-лый С.А., Буйских А.А. Повышение несущей способност и мерзлых грунтов с помощью т епловых насосов // Основания и фундаменты. -2000. - № 3. - С. 26-31.
