CC BY
299
АСПЕКТЫ СЕРВИСА
УДК662.99
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
С.К.Лунева
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
Рассмотрены вопросы применения тепловых насосов для решения вопросов энергосбережения.
Ключевые слова: энергоэффективность; энергосбережение; теплоснабжение; тепловые насосы
EFFICIENCY OF HEAT PUMPS
S.K. Luneva
St. Petersburg State University of Economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, street Sadovaya, 21 The problems of heat pumps to address energy conservation. Keywords: energy efficiency; energy conservation; heating; heat pumps
ЖЗ
ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
Вопросы энергоресурсосбережения и экономного использования топлива, воды и энергии являются одними из актуальных и приоритетных проблем развития современной России, поэтому необходимо проведение рациональной политики энергопользования, в основе которой энергоресурсосберегающее хозяйствование во всех отраслях народного хозяйства.
В соответствии с Федеральным законом от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и приказом № 61 «Об утверждении примерного перечня мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности» необходимо активно проводить мероприятия по увеличению использования в качестве источников энергии вторичных энергетических ресурсов и (или) возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В частности предлагается:
1. Увеличить производство электроэнергии, используя возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, а также их комбинацию; содействовать строительству малых гидроэлектростанций, а также геотермальных источников энергии в местах возможного их использования.
2. Устанавливать тепловые насосы и обустраивать теплонасосные станции для отопления и горячего водоснабжения жилых домов и
производственных объектов тепловой энергией, накапливаемой приповерхностным грунтом и атмосферным воздухом или вторично используемым, а также использовать тепловые насосы для оптимизации установленной мощности тепловых электростанций и котельных.
Потенциал вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии до середины текущего столетия сможет покрыть около 50% мировой потребности в энергетических ресурсах. В настоящее время за счет возобновляемых источников энергии удовлетворяется лишь около 4% спроса. Только в одной Германии, в которой активно продвигается политика использования возобновляемых источников энергии, потенциал составляет 8 700 ПДж в год, что соответствует 60% сегодняшнего уровня потребления первичных энергоресур-сов.Технический потенциал производства электрической энергии с использованием ВИЭ составляет, по оценкам Федерального министерства окружающей среды, охраны природы и безопасности ядерных реакторов, 525 ТВт.ч в год, что соответствует современному общему валовому объему производства электрической энергии в Германии. В настоящее время он используется примерно на 5%. В случае полного использования в Германии потенциала ВИЭ, экономия может составить приблизительно 3 600 ПДж ископаемых энергоресурсов, что составляет приблизительно 70% энергии, получаемой конечным потребителем.
Тепловые насосы (ТН), как технология, которая будет способствовать уменьшению использования органического топлива путем замещения первичной энергии вторичными энергетическими ресурсами, является одним из перспективных направлений развития современной энергетики и находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей. В странах Европы и Америки ТН используются более 30 лет для теплоснабжения жилых и офисных зданий, а также различных помещений. Крупнейшие энергетические компании занимаются проектированием, изготовлением и внедрением ТН. Международное Энергетиче-
ское Агентство (МЭА, латинская аббревиатура 1ЕА), в которое ассоциированными членами входят 28 энергетически развитых стран и целью деятельности которого является обеспечение энергетической безопасности и поиск улучшения экологической ситуации, становится главным координатором политики внедрения ТН.
Опыт зарубежных стран со сходными климатическими условиями, такими как Швеция, Финляндия, Германия и т.д доказывает целесообразность применения ТН в условиях Северо-Западного региона нашей страны для различных нужд (рис. 1).
Рисунок 1 -Областиприменения тепловых насосов
При проектировании и реконструкции современных систем теплоснабжения необходимо учитывать возможность использования технологии тепловых насосов.
В Японии и США при получении разрешений на строительство общественных зданий обязательным условием является использование ВИЭ, в частности теплонасосных систем. Применение ТН в комплексе с традиционной системой теплоснабжения для систем отопления, кондиционирования и вентиляции крупных объектов обеспечивает полную автономность зон регулирования и существенную экономию топливно-энергетических ресурсов
даже при использовании традиционных источников энергии. Система состоит из замкнутого контура теплоносителя, температура в котором поддерживается с помощью геотермального котла (или же с помощью ТЭЦ, котельной, бойлера, солнечных водонагревателей), а температурный режим в каждой зоне обеспечивается с помощью тепловых насосов. Такими системами оборудованы практически все многоэтажные здания в Японии; в США.
Применение ТН в России расширяется, и будет расширяться, для этого существует огромный потенциал, поэтому все научные исследования в этой области перспективны. На
Эффективность применения тепловых насосов
рынке услуг достаточно успешно работают несколько компаний, которые доказали эффективность применения и использования ТН в условиях Северо-западного региона, в частности Ленинградской области.
Специалисты компании ТМЕпе^у разработали более 30-ти готовых к реализации энергоэффективных решений для автономного и безопасного отопления лагерей, санаторно-профилактических корпусов и пансионатов, а также отдельно стоящих павильонов почтовых служб, автозаправочных станций для условий Ленинградской области. В 2014 г. был разработан новый проект - модернизациядизельных котельных с применением тепловых насосов Dimplex, в котором дизельный котел выполняет роль вспомогательного оборудования в бивалентном режиме. Данное решение предназначено для использования на объектах с уже имеющейся и функционирующей системой отопления, что позволяет значительно сократить расходы на реконструкцию существующей системы теплоснабжения. Проект модернизации дизельных котельных уже нашел широкое применение для объектов муниципальных предприятий, таких как школы, детские сады, медицинские корпуса и т.д., а также для загородных домов и коттеджей. Совместно с Центром энергосбережения и повышения энергетической эффективности Ленинградской области проводятся работы по модернизации отопительной системы детских оздоровительно-образовательных центров Северо-Западного федерального округа, направленных на снижение энергопотребления центрами и повышения надежности и эффективности систем отопления.
Одним из преимуществ ТН является то, что он может работать в режимах отопления и кондиционирования и эти технологии успешно можно использовать при проектировании современных аквапарков. Закрытый аквапарк -это сложное гидротехническое сооружение с искусственным климатом, которое предназначается для оздоровления и отдыха всех возрастных категорий людей. При проектировании и строительстве аквапарка решаются проблемы оптимизации стоимостных показателей всех частей проекта, определяется уровень рентабельности проекта. Решая основную задачу оптимизации стоимостных показателей проекта, перед проектировщиком возникает многокритериальная проблема, и главная ее составляющая лежит в подходе к созданию теплового контура здания аквапарка. С водной поверхности бассейнов круглосуточно происходит интенсивное испарение, при средней температуре воды 26 0С, температуре воздуха 270С и относительной влажности 60%, с каждого 1 м2зеркала бассейнов выделяется 230г воды/ час.
В результате создаются неблагоприятные микроклиматические условия, и происходит конденсация паров воды на относительно холодных ограждающих конструкциях. Это приводит к запотеванию окон, намоканию стен, разрушению внутренней отделки помещений, образованию плесени, коррозии. Особенно опасной является коррозия арматуры железобетонных конструкций, а также образование трещин в кирпичной кладке и шлакобетонной кладке при замерзании влаги, проникающей под действием конденсации в толщу наружных ограждений. Происходит полное или частичное разрушение здания и его конструкций, а также непригодность к дальнейшей эксплуатации. Одной из важной задач является осушение воздуха внутри влажной зоны аквапарка. Наиболее экономичным и эффективным способом борьбы с избыточной влажностью является так называемый конденсационный. Для акваторий общей площадью более 2000м2 воздуха должны применяться установки центрального кондиционера большой производительности, около 100 000 м3/ч. В составе установки имеются теплообменники диагонального типа (рекуператор) и работающий в реверсивном режиме тепловой насос. Конструктивно тепловой насос позволяет менять режим работы с зимнего на летний и наоборот. При такой производительности желательно добиться коэффициента энергетической эффективности с показателем 4:1, т. е. на каждый кВт потребляемой энергии отдаваемая мощность должна составлять 4 кВт. Учитывая, что аквапарки представляют собой объекты высшей категории энергетической насыщенности, указанные показатели эффективности, приводящие к 4-х кратному снижению соответствующих эксплуатационных затрат, дают весьма ощутимую годовую экономию со сроком окупаемости необходимых капитальных вложений в несколько лет.
В каждом проекте на основании технико-экономических показателей принимается решение о целесообразности использования ТН для конкретных условий и источника низкопотенциального тепла. Борьба за рынок приводит к непрерывному совершенствованию эксплуатационных характеристик ТН, повышению их надежности и долговечности.
Основным показателем эффективности теплового насоса (ТН) является коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), который определяется как отношение теплопроизводи-тельности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. Совершенствование ТН характеризуется улучшением
эффективности преобразования энергии, повышением температуры генерируемого теплоносителя, увеличением единичной
мощности агрегата, снижением
капиталовложений в ТН. Эффективность преобразования энергии считается
определяющей характеристикой его
конкурентоспособности. Австрийским
энергетическим агетством была проведена оценка 30 популярных в Европе моделей геотермальных насосов( табл.1, рис.2). Основным критерием эффективности ТН была оценка согласно европейским стандартам £N14511 и БК 255.
Таблица 1 - Рейтинг геотермальных тепловых
насосов
Производитель Модель Эффектив ность
ОС8ШШЯ(Австрия) GMSW 10 plusS 5,1
ШВЕ(К^)(Швеция) F1145-12 5,1
ШВЕ(К^)(Швеция) F1140-6 5,0
ШВЕ(К^)(Швеция) F1240-10 5,0
HELЮTERM(Австри я) HP16S18W-M-WEB 4,9
WATERKOTTE(Герм ания) Ail+ 50093 4,9
OCSHSNER(Австрия) GMsW 10plus 4,8
HOVAL(Лихтенштей н) Thermalia® 15HP 4,7
WEIDER^^^) SW 90 4,7
VIESSMANN(Герман ия) Vitocal 300-G BW 106 4,7
SW 90 GMsW 10 plus HP16S18W-M-WEB F1140-6 GMSW 10 plusS
4,4
4,6
4,8
5,2
Рисунок 2 - Эффективность популярных европейских моделей геотермальных тепловых насосов
Максимальную оценку получили ТН австрийской компании OCSHSNER- GMSW 10 plus S, а также шведские ТН NIBE(KNV) -F1145-12.
Тепловые насосы комфортны в эксплуатации - они не требуют постоянного контроля и дорогостоящего постоянного обслуживания. Встроенная погодозависимая система управле-
ния тепловым насосом контролирует не только их работу, но и всех компонентов системы, обеспечивая наиболее экономичный и комфорт режим работы. Системы работают полностью в автоматическом режиме, при этом имеется возможность управления ими через Интернет или телефон.
Эти и другие достоинства ТН делают все более актуальными задачи по разработке, проектированию, созданию эффективных импортозамещающих парокомпрессионных ТНУ различной производительности для нужд теп-лоснабжения.А также необходимо вести разработки конкурентоспособных схем ТНУ на их базе и основе.
Повышение эффективности ТН за счет совершенствования их рабочих циклов и схем составляет основу современных исследований. В целом термодинамическое совершенство обратных циклов ТН в значительной степени определяет технико-экономическую и экологическую эффективность.
Литература
1.Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федеральный закон Российской Федерации от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013)// Сборник Федеральных конституционных законов и федеральных законов. - М 2009. - Вып.12
2. Прогноз долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года, 8 февраля 2013 ГАРАНТ.РУ: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc
3.Энергосбережение в ЖКХ: Учебно-практическое пособие/Под ред.Л.В. Примака, Л.Н.Чернышова.-М.: Академический Проект; Альма Матер, 2011.-622с
4.СНиП 41-01-2003.Отопление, вентиляция и кон-диционирование./Госстрой России, 2004
5. Елистратов С.ЛКомплексное исследование эффективности тепловых насосов. Автореф. дис. док.тех. / Елистратов С.Л. - Новосибирск. 2010. - 36 с. [Электронный ресурс].
6. Пособие к СниП 23-01-99 Справочная климатология. Справочное пособие к СниП 23-01-99. [Электронный ресурс]. - Режим досту-па:http://www.gosthelp.ru/text/PosobiekSNiP230199Str oite.html
7. Лепеш, Г.В. Энергосбережение в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений/ Г.В.Лепеш. -СПб.:Изд-во СПбГЭУ ,2014.-43 7с
8. Лунева, С. К. Решение вопросов энергосбережения и энергоэффективности при применении тепловых насосов // Технико-технологические проблемы сервиса. -2014.-№3(29)
9. Лунева С. К., Чистович, А. С , Эмиров И. Х. К вопросу об использовании тепловых насосов // Технико-технологические проблемы сервиса .2013.-№4(26)
5
