CC BY
20
ЭКОНОМИКА, ЭКОЛОГИЯ РЕГИОНАЛЬНЫЕ АСПЕКТ ЭНЕРГЕТИКИ
ЫИ
УДК 621.577
К ПРОБЛЕМЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ РЕКРЕАЦИОННЫХ ЗОН СИБИРИ
В. Е. НАКОРЯКОВ*, С. Л. ЕЛИСТРАТОВ*, М. В. ЗАСИМОВ*,
В. А. ФИАЛКОВ**
* Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН ** Байкальский музей Иркутского научного центра СО РАН
В работе предложен подход к решению проблемы экологически чистого теплоснабжения на территории рекреационных зон
Особо охраняемые природные территории (ООПТ) относятся к объектам общенационального достояния и охраняются Российским государством [1]. Согласно [2] их общее количество в России с учетом территорий федерального, регионального и местного значения составляет 13 628, а общая занимаемая ими площадь суши - 200,256 млн. га, что соответствует 11,7 % территории страны. За Уралом расположены обширные рекреационные зоны федерального значения (табл.1), превосходящие по своей территории отдельные европейские государства.
Таблица 1
Особо охраняемые природные территории федерального значения [2]
Особо охраняемые природные территории Россия В том числе в Сибири и на Дальнем Востоке
Кол-во Площадь суши, млн. га Кол-во Площадь суши, млн. га
Государственные природные заповедники 100 27, 200 51 24, 333
Национальные парки 35 6, 947 6 2, 459
Природные парки 50 15, 326 21 14, 141
Государственные природные заказники 69 9, 933 34 6, 282
Памятники природы 28 0, 0289 2 0, 0111
Дендрологические парки и ботанические сады 100 0, 0075 17 0, 0029
Территории многих ООПТ являются биосферными резерватами ЮНЕСКО и выполняют функции «зеленых легких» нашей планеты. Среди них особое место занимает озеро Байкал - единственная в России территория всемирного наследия ЮНЕСКО, в границах которой для регламентации хозяйственной деятельности был издан в 1999 г. специальный Федеральный закон “Об охране озера Байкал”. Проектом «Рекреационная зона Байкальской природной территории»
© В.Е. Накоряков, С.Л. Елистратов, М.В. Засимов, В.А Фиалков Проблемы энергетики, 2007, № 9-10
предусмотрено выведение в этом регионе инфраструктуры туристической отрасли на мировой уровень при соблюдении всех природоохранных норм. В результате реализации проекта на озере Байкал без ущерба для экологии смогут отдыхать до 1,5 млн. туристов в год.
Вполне очевидно, что зоны расположения туристических баз, курортов, домов отдыха, пансионатов и т. п. объектов в пределах ООПТ с сезонным или круглогодичным пребыванием большого количества людей должны быть максимально избавлены от воздействия негативных антропогенных факторов традиционных технологий производства тепловой энергии: газообразных выбросов окислов азота, серы, углерода, летучих частиц сажи и угля, отвалов золы и остатков мазута. В контексте вышесказанного весьма контрастно, например, смотрятся чадящие угольные котельные на фоне живописной природы известных российских курортов «Белокуриха» и «Горячинск».
Как показали экспериментальные исследования [3], использование водогрейных и паровых котлов малой мощности с низкими коэффициентами полезного действия для теплоснабжения различного рода объектов на территории ООПТ по экологическим критериям просто недопустимо. Выявлено существенное различие химического состава летучей золы, выбрасываемой в атмосферу теплоисточниками различной мощности на угле. На ТЭС, где применяется пылеугольный способ сжигания, летучая зола состоит в основном из неорганических соединений с небольшими вкраплениями несгоревшего углерода. Такая зола не является биологически активной. Наоборот, летучая зола малых котельных покрыта сажей с высоким содержанием бенз(а)пирена и других полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и является поэтому биологически активной. На ТЭС твердые частицы и летучая зола улавливаются в газоочистных устройствах, а рассеивание других продуктов сгорания органических топлив происходит, как правило, на очень больших малозаселенных территориях. Напротив, после маломощных котлов, не оснащенных эффективными средствами газоочистки, все летучие выбросы, в т. ч. сильный канцероген бенз(а)пирен, рассеиваются в пределах населенных пунктов, оказывая прямое негативное воздействие на здоровье населения. В табл. 2 нами представлены в удобной для восприятия форме основные экологические показатели работы малых котельных на местных видах топлива в зоне Прибайкалья.
Можно видеть (табл. 2), что в летучей золе, выбрасываемой в атмосферу мелкими угольными котельными, содержится на 1-2 порядка больше бенз(а)пирена, чем в летучей золе мазутных котельных. В тоже самое время, пылеугольный способ сжигания решает проблему снижения выбросов ПАУ и бенз(а)пирена на крупных энергетических станциях. Авторы работы [3] отмечают, что экспериментально обнаруженные ими выбросы бенз(а)пирена на Ново-Иркутской ТЭЦ не превысили 3 мкг/ГДж тепла, т.е были почти в 100 тыс. раз меньше, чем в малых угольных котельных.
Вышеприведенные данные подтверждают необходимость замены на территории рекреационных зон традиционных источников тепла, использующих ископаемые виды топлива, на экологически безопасные. В качестве пригодных для этих целей по критерию освоенности в современном промышленном производстве могут рассматриваться электрокотлы различного типа или парокомпрессионные тепловые насосы (ТН) на озонобезопасных рабочих телах. Для выработки тепла в электрокотлах и ТН с электроприводом используется электроэнергия, не оказывающая в месте ее непосредственного потребления вредного воздействия на окружающую природную среду. Однако электроотопление, несмотря на
первоначально низкие капитальные затраты и относительное удобство в эксплуатации, в настоящее время является крайне высокозатратным способом получения тепловой энергии. Применение же ТН позволяет в несколько раз снизить расход электроэнергии за счет использования низкопотенциального (<40°С) тепла местных возобновляемых и сбросных источников (артезианские воды, сточные воды, тепло грунта, воды рек, озер и т.п.). Очевидно, что замена малых котельных на ТН приведет к избавлению от наиболее опасных для населения выбросов токсичных продуктов сгорания твердых топлив. Например, при замене угольной котельной мощностью 0,8 МВт (черемховский каменный уголь, котел НВР-18) на ТН с электроприводом (электроснабжение от ГЭС) сокращение вредных выбросов за отопительный сезон в рекреационной зоне Прибайкалья может составить: 802 - на 10, 8 т; N02 - на 2, 4 т; СО - на 22, 5т; летучих частиц - на 6, 7 т, из них биологически активной сажи - на 4, 8 т (содержание ПАУ - 38 кг, в т.ч. высокоопасного канцерогена бенз(а)пирена - 1,9 кг).
Таблица 2
Осредненные значения удельных выбросов вредных веществ для теплоисточников малой мощности [3]
Тепло источник Топливо Выбросы, кг / Гкал ПАУ (в том числе бенз(а)пирен), г/Гкал
S02 N02 СО Летучие частицы (в т.ч. сажа )
Угольный Бородинский 1,09 0, 96 10,9 2,39 6,47
котел, (бурый) (1,47) (0,42)
0,7 Гкал/ч Черемховский 5,45 1,22 11,3 3,35 19, 0
(каменный) (2,43) (0,95)
Мазутный
котел, Мазут М-100 2,93 0,84 2,93 0, 25 0, 044
0,86 Гкал/ч (0, 038) (0, 001)
Практическим шагом на пути решения вышеобозначенной проблемы стал ввод в эксплуатацию опытного ТН, разработанного в рамках работ по «Программе энергосбережения СО РАН» для теплоснабжения Байкальского музея Иркутского научного центра СО РАН. Общий вид и схема включения в работу ТН представлены, соответственно, на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Общий вид теплового насоса НТ60-1
Источником низкопотенциального тепла для работы ТН служит холодная (4-6°С) проточная байкальская вода аквариумов музея. В процессе разработки схемы и конструкции этой машины, адаптированной к условиям работы в рекреационной зоне озера Байкал, были предложены и реализованы технические решения, соответствующие мировому уровню развития теплонасосной техники и современным требованиям экологической безопасности:
- в качестве рабочего тела был использован озонобезопасный хладон И-134а;
- испаритель с внутритрубным кипением хладагента спроектирован для условий работы при предельно низких температурах холодной байкальской воды;
- использованный в конструкции высоконадежный компрессор фирмы Бк/ег 40-30.2 (У)-40Р имеет высокие показатели работы и хорошо развитую в сибирском регионе сервисную базу обслуживания;
- схема теплонасосной установки разработана с учетом специфики работы с низкотемпературными возобновляемыми теплоисточниками и обеспечивает относительно более высокие значения коэффициента преобразования по сравнению с традиционными схемами компоновки тепловых насосов.
Рис. 2. Принципиальная схема системы отопления Байкальского музея: 1 - насосная станция; 2 - аквариумы музея; 3 - подкачивающий насос; 4 - регулирующие водяные вентили; 5 -
испаритель с внутритрубным кипением хладагента; 6 - поршневой компрессор Бк/ег 40-30.2 (У)-40Р 7 - конденсатор; 8 - переохладитель; 9 - терморегулирующий вентиль; 10 - электрокотел;
11 - отопительные приборы; 12 - циркуляционный насос системы отопления
Принципиально, что конструкция НТ60-1 и схема его включения в работу (рис. 2) позволяют в перспективе существенно расширить область
практического применения теплонасосных технологий в направлении использования широкодоступных местных возобновляемых источников тепла с предельно низкими температурами (< 5°С), в качестве которых могут быть использованы возможности высокодебитных прирусловых вод.
Замена на теплонасосные установки (ТНУ) существующих систем прямого электроотопления и котельных, использующих органические виды топлива, является по эколого-экономическим соображениям крайне актуальным направлением природоохранной деятельности. При производстве тепла электрокотлами и ТН отсутствуют выбросы вредных веществ, но электроотопление является экономически малоэффективным способом получения тепловой энергии. При практически самом низком в нашей стране действующем отпускном тарифе ОАО «Иркутскэнерго» на электроэнергию, равном 41,65 коп/кВт*ч, удельные энергозатраты на производство тепловой энергии электрокотлами в западной части побережья озера Байкал составляют около 500 руб./Гкал, а для ТН со среднегодовым коэффициентом преобразования ф = 3, 0 всего 162 руб./Гкал. Для сравнения отметим, что действующий тариф на централизованный отпуск тепла в Иркутской области от ОАО «Иркутскэнерго» составляет 307, 51 руб./Гкал. Для восточной части побережья озера Байкал, где тариф ОАО «Бурятэнерго» на отпуск электроэнергии составляет 213 коп./кВт*ч, электроотопление становится абсолютно невыгодным: энергозатраты составляют более 2,5 тыс. руб./Гкал выработанного тепла. Удельные энергозатраты для экологически чистых теплонасосных систем отопления на базе возобновляемого тепла холодной воды озера Байкал (2-6°С) и теплой (35-40°С) подземной лечебной воды курорта «Горячинск» могут соответственно при практически достижимых для ТН значениях коэффициента преобразования ф = 3,0-6,0 составить 800-400 руб./Гкал. С учетом высокой стоимости угля и затрат по его доставке себестоимость выработки тепла на котельных в прибрежной восточной части озера в настоящее время составляет 800-1000 руб./Гкал. В данном случае представляется целесообразным выполнить по эколого-экономическим соображениям скорейшую замену угольных котлов на тепловые насосы.
Однако осуществление полной замены традиционных теплоисточников на ТН не всегда возможно по причине ограниченных возможностей по дебиту и температуре местных возобновляемых и сбросных источников, а также относительно высоких капитальных затрат на приобретение тепловых насосов, стоимость которых в несколько раз превышает стоимость традиционного котельного оборудования. В этом случае возможна реализация промежуточного варианта, предусматривающего комбинированную выработку тепловой энергии. Предложенная ранее в работе [4] схема организации комбинированных источников тепла на базе ТН создает возможность для сокращения вредных выбросов в зоне децентрализованного теплоснабжения. Адаптированная к условиям теплоснабжения в рекреационных зонах, эта схема (рис. 2) предусматривает совместную работу в составе комбинированной теплопроизводящей установки (КТУ) двух экологически чистых электропотребляющих теплоисточников: ТН и электрокотлов. Такой экологически чистый теплоисточник позволяет повысить качество и надежность теплообеспечения потребителей, а также снизить себестоимость вырабатываемого тепла до уровня, конкурентоспособного с традиционными технологиями производства тепловой энергии. Не исключается также вариант совместной работы по такой схеме ТН и котлов на органических видах топлива с тем условием, что большая часть годовой нагрузки системы теплоснабжения в составе КТУ будет покрыта за счет работы ТН.
Анализ графиков годовой отопительной нагрузки показал, что ТН с единичной мощностью, составляющей 40% от расчетной нагрузки системы отопления, способен покрыть свыше 80 % годовой потребности в тепле. В этом случае на долю котельного оборудования в составе КТУ придется только 20% выработки тепловой энергии, а следовательно количество вредных выбросов сократится в 5 раз.
Для рекреационных зон рассмотренные выше ситуации во многом типичны. Теплонасосные системы отопления и горячего водоснабжения могут дать ощутимый экологический эффект при их масштабной реализации в Тункинской долине Республики Бурятия, жилой и промышленной зонах побережья озера Байкал, в горных районах Республики Алтай, на курорте «Белокуриха» Алтайского края и на территории других природоохранных зон Сибири.
В настоящее время, в связи с ужесточением экологических требований к работе теплоисточников, необходимо осуществить на территории рекреационных зон системный переход на экологически чистое теплоснабжение на базе ТН компрессионного типа, аналогичных тому, который используется для теплоснабжения Байкальского музея ИНЦ СО РАН.
Выводы
1. На территории рекреационных зон выработка тепла на базе малых угольных котельных по экологическим соображениям является неприемлемой.
2. Как показал опыт отопления Байкальского музея ИНЦ СО РАН, для работы ТН могут быть использованы повсеместно распространенные возобновляемые источники тепла (тепло артезианских вод, грунта, воды рек, озер и т.п.) с предельно низкими температурами (< 5°C).
3. В процессе системного перехода в рекреационных зонах на экологически чистые технологии теплоснабжения могут быть реализованы комбинированные схемы выработки тепла на базе тепловых насосов нового поколения.
Summary
This work offers the method for solution to the problem of environmentally heat supply of the territory of recreation zones.
Литература
1. Федеральный закон от 14 марта 1995 г. №33 ФЗ «Об особо охраняемых природных территориях».
2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2005 году».
3. Филиппов С. П., Павлов П. П., Кейко А. В., Горшков А. В., Белых Л. И. Экологические характеристики теплоисточников малой мощности - Иркутск, 1999. - 48 с. - (Препр. / ИСЭМ СО РАН. № 5-99).
4. Накоряков В. Е., Елистратов С.Л. Термокотельная как эффективный
способ экономии органического топлива, повышения энергетической и экологической безопасности // Сборник материалов «Программа
энергоэффективности и энергобезопасности Новосибирской области до 2020 года». Вып.1. - Новосибирск, 2005. - С. 257-265.
Поступила 26.02.2007
