CC BY
20
Теплонасосные системы для сельскохозяйственного производства
УДК 631.671:620.9
Владимир Самосюк,
генеральный директор НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, кандидат экономических наук, доцент
Андрей литовский,
завсектором по разработке машин для охлаждения и временного хранения продукции животноводства НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства,
Станислав Романов,
руководитель группы сектора по разработке машин для охлаждения и временного хранения продукции животноводства НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства, кандидат биологических наук, доцент
Министр окружающей среды Германии Норберт Ретген заявил, что в 2050 г. почти вся энергия, необходимая стране, будет вырабатываться за счет возобновляемых источников, то есть с помощью гидроэлектростанций, гелио-термических, ветряных, биогазовых систем, использования низкотемпературного тепла земли, воздуха, воды. По существу, министр экстраполировал тенденцию настоящего времени в будущее - в 2009 г. в Германии доля альтернативной энергетики достигла 16,1%. После либерализации энергетического рынка страны резко возросли цены на электроэнергию. Многие коммуны приняли решение о собственном ее производстве из возобновляемых источников с целью уменьшить объем ее закупки на 50%. Правительство Германии поддерживает это направление. Новый тариф на электроэнергию, производимую ве-
тросиловыми установками, будет равен 9,7 евроцента за кВт.ч, стоимость 1 кВт электроэнергии, генерируемой на биогазовых комплексах, составит от 13 до 18 евроцентов в зависимости от мощности установки.
В Соединенных Штатах Акт о возврате капитала (2009 г.) способствовал тому, что министерство энергетики страны значительно увеличило финансовую поддержку компаний, разрабатывающих новые технологии в области возобновляемых источников энергии. В 2010 г. федеральное правительство США инвестировало в возобновляемую энергетику 67 млрд долл. в виде грантов, гарантий, займов. Италия за период с 2009 по 2020 г. планирует направить на эти цели 42 млрд евро.
Основной задачей, поставленной перед нашей республикой в области энергетической безопасности, является достижение к 2015 г. доли собственных энергоресурсов в балансе котельно-печного топлива не менее 28%. Одним из самых перспективных способов снижения энергозатрат для отопления и теплоснабжения объектов, не включенных в систему централизованного теплоснабжения, во всем мире считается применение тепловых насосов. Осуществляя обратный термодинамический цикл, они получают возобновляемую низкопотенциальную энергию из окружающей среды (земли, воды, воздуха) и повышают ее температурный уровень до необходимого для потребителя, что позволяет ис-
пользовать этот процесс для нужд отопления и обеспечения горячей водой для производственных и гигиенических целей. Количество функционирующих тепловых насосов в странах Европы исчисляется миллионами. В 2008 г. в Германии их введено в эксплуатацию 62,5 тыс., в 2009 г - в 27% новостроек. В Швеции ими генерируется 50% тепловой энергии на отопительные нужды, в Швейцарии 40% одно- и двухквартирных домов оборудовано тепловыми насосами. Их обязательное использование предписывается федеральным законодательством США. Благодаря финансовой поддержке правительства Китая это направление активно развивается, создана интегрированная теплонасосная система с подземным холодохранилищем. По прогнозам Мирового энергетического комитета, к 2020 г. доля насосов в теплоснабжении составит 75%. Сейчас объем их продаж в мире - около 125 млрд долл. (в 3 раза больше рынка вооружений).
В нашей республике примеры применения теплонасосного оборудования единичны. Это объясняется следующими причинами:
• низкой стоимостью природного газа по сравнению с Западной Европой;
• высокой ценой импортного теплонасосного оборудования;
• неурегулированной тарифной политикой: электроэнергия, затрачиваемая для работы теплонасосных установок, рассматривается как использованная неэффективно - для производства тепла;
ИННОВАЦИИ
• недостаточной информированностью потенциальных потребителей о возможностях теплонасосных систем.
Однако ситуация наверняка изменится, когда потребление электроэнергии в теплонасосных системах составит статистически значимую величину, а улучшению информированности потенциальных потребителей послужит, в частности, данная статья.
Об энергетической и экономической эффективности применения тепловых насосов можно судить по следующим элементарным расчетам: 1 м3 природного газа при сжигании в отопительном котле может дать до 8600 ккал или 10 кВт.ч тепловой энергии. Этот же кубометр, сожженный на хорошей электростанции, даст 5 кВт.ч электроэнергии и одновременно около 4 кВт.ч тепловой. Если этими 5 кВт.ч запитать тепловой насос, можно реально произвести (с учетом энергии, получаемой из окружающей среды):
• 15 кВт.ч тепла из воздуха, или
• 20 кВт.ч из грунта, или
• 25 кВт.ч из водного источника.
Таким образом из 1 м3 газа вместо 10 кВт.ч можно получить до 30 кВт.ч тепловой энергии.
По мощности тепловые насосы можно разделить на 3 группы:
• бытовые, мощностью до 15 кВт;
• промышленные малой мощности -до 100 кВт;
• промышленные большой мощности -от 100 кВт до 203 МВт.
Применение тепловых насосов особенно целесообразно на децентрализованных производственных объектах в сельской местности. В ряде случаев они могут оказаться единственным надежным источником теплоснабжения там, где нет централизованной тепловой или газопродводящей сети, достаточных местных ресурсов или их установка опасна с экологической или противопожарной точки зрения. Уровень теплопотребления предприятий агро-
сектора, как правило, невысок (до 100 кВт), поэтому для них наиболее эффективны парокомпрессионные тепловые насосы (в отличие от адсорбционных, мощность которых превышает 200 кВт). Тепловые насосы служат 15-20 лет. Они, в принципе, совместимы с любой циркуляционной системой теплоснабжения, а малые габариты, современный дизайн и малошумность позволяют устанавливать их в любых хозяйственных помещениях.
Для использования низкопотенциального тепла грунта наиболее целесообразно применение вертикальных теплообменников. Они не требуют большой площади земельных участков, не зависят от интенсивности солнечного нагрева земли, то есть всесезонны, эффективно работают практически во всех видах геологических сред (за исключением сухого песка или гравия). Теплоноситель циркулирует по трубам (полиэтиленовым или полипропиленовым), которые помещают в вертикальной скважине глубиной от 40 до 200 м. Наиболее широко в Европе применяют простые и дешевые двойные и-образные теплообмен-
ники. На 1 м такого теплообменника, в зависимости от грунта, можно получить 55-85 Вт энергии.
Важным показателем использования тепла земли является устойчивость эксплуатации грунтового теплообменника, то есть способность системы обеспечивать подвод необходимого количества низкопотенциального тепла длительное время. Германия и Швейцария уже более 20 лет ведут наблюдение за температурным режимом вокруг эксплуатируемого теплообменника по всей глубине скважины. Измерения показали, что в течение первых пяти лет температура грунтового массива вокруг теплообменника снижалась на 1-2 градуса, однако еще через 10 лет и далее колебания температуры были в пределах 0,5 °С. Аналогичные результаты получены и в наших исследованиях.
Для условий России стоимость установки отопления в трехэтажном здании площадью 1500 м2 без дополнительного подогрева с максимальной температурой теплоносителя 55 °С при использовании немецкого оборудования составляет 74,2 тыс. евро.
Рис. 1. Элементы системы обогрева и горячего водоснабжения бытовых помещений с применением теплового насоса мощностью 33,6 кВт
Существенной проблемой широкого внедрения теплонасосного оборудования в сельскохозяйственном производстве Беларуси является отсутствие отечественного изготовителя таких установок, информации о них у потребителей и даже у руководителей районного уровня. Импортные насосы и комплектующие изделия вследствие отсутствия конкуренции со стороны белорусских производителей реализуются у нас по неоправданно высокой цене.
Рис. 3. Экспериментальный образец теплового насоса
В качестве пилотного проекта при реконструкции здания ремонтной мастерской экспериментального мехдвора РСДУП «Зазерье» Пуховичского р-на была создана система обогрева и горячего водоснабжения бытовых помещений данного объекта с применением теплового насоса импортного производства тепловой мощностью 33,6 кВт (рис. 1).
Для анализа и оценки энергетических, экономических, а также гидравлических, термодинамических, конструктивных, эргономических и иных характеристик был разработан и смонтирован контрольно-измерительный комплекс, оснащенный системой передачи измеряемых данных на компьютер в профильном подразделении нПц НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства (рис. 2).
Проведены исследования работы системы теплоснабжения, которые позволили установить:
• применение теплонасосных систем эффективно и экономически целесообразно для объектов, не включенных в системы централизованного теплоснабжения (это особенно актуально для производственных, административно-бытовых и других сооружений в сельской местности);
• по стоимости внедрение теплонасосных систем сопоставимо с установкой систем отопления на природном газе
с учетом работ по проектированию и прокладке газоподводящих трубопроводов;
• по удельным эксплуатационным затратам применение теплонасосных установок на 5-10% выгоднее использования природного газа для отопления децентрализованных объектов.
На основе полученных данных силами специалистов НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства был разработан и изготовлен экспериментальный образец теплового насоса, исследовательские испытания которого зафиксировали теплотехнические и энергетические характеристики, аналогичные параметрам импортного оборудования, в том числе тепловую мощность 34 кВт (рис. 3).
Создана экспериментальная система типа «воздух - воздух» мощностью до 35 кВт для обогрева трех производственных помещений пункта технического обслуживания и ремонта тракторов и сельхозмашин мехдвора РСДУП «Зазерье» Пуховичского района. В ней применен тепловой насос на базе компрессора белорусского производства (ХГВ-28 БелОМО), впервые переведенный для работы на озонобезопасном хладагенте R407С, а также система автоматического управления собственной конструкции (рис. 4). Опыт эксплуатации в условиях экстремально низких температур зимы 2009-2010 г. показал работоспособность и эффективность таких установок для обогрева производственных помещений.
Таким образом, была практически доказана перспективность применения тепловых насосов в практике сельскохозяйственного производства и, кроме того, возможность разработки и изготовления данного вида энергосберегающего оборудования силами НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства и предприятий республики. Анализ импортных и экспериментальных отечественных
Рис. 4. Экспериментальная теплонасосная установка типа «воздух - воздух» мощностью 35 кВт для обогрева трех производственных помещений пункта технического обслуживания и ремонта тракторов и сельхозмашин
теплонасосных установок показал, что в среднем коэффициент преобразования тепла (отношение генерируемой тепловой энергии к потребленной на привод компрессора электроэнергии) составляет 2,9-3,8. При этом установлено, что существуют пути для дальнейшего совершенствования разработанных конструкций - в направлении повышения коэффициента преобразования тепла, модернизации системы автоматического управления, применения тепловых насосов в технологических процессах одновременного производства холода и выработки тепла. Необходимо иметь в виду, что Директива по использованию возобновляемых источников энергии, принятая в декабре 2008 г. Европейским парламентом, не допускает эксплуатацию тепловых насосов с коэффициентом преобразования 2,875 и ниже.
В настоящее время в дочерней организации центра, Институте «Плодо-овощпроект», разработана техническая документация на тепловой насос. Организация имеет лицензию и компетентна проводить предпро-ектные работы для оценки расхода тепловой энергии, разработать проектно-сметную документацию. В ближайшей перспективе институт
будет доукомплектован кадрами, способными осуществить монтаж, испытание и пусконаладочные работы указанного оборудования.
Комплексное использование ресурсов низкопотенциального тепла на базе тепловых насосов для теплоснабжения производственных и бытовых помещений сельскохозяйственных предприятий - чрезвычайно важная и актуальная задача, особенно в свете постоянного удорожания углеводородных энергоносителей и потенциальной угрозы нестабильности их поставок в нашу страну, а также в связи со строительством в республике собственной АЭС. НПЦ по механизации сельского хозяйства может выступить в качестве организации-разработчика и изготовителя теплонасосного оборудования парокомпрессионного типа с электроприводом тепловой мощностью до 100 кВт.
В развитие этого направления следует предусмотреть создание систем микроклимата животноводческих помещений с использованием тепло-насосного оборудования, обладающих возможностью утилизации тепла удаляемого отработанного воздуха и подогрева воздуха и воды для технологических целей. Целесообразна также разработка теплонасосных систем
двойного назначения - обеспечивающих одновременно низкотемпературный режим для хранения сельскохозяйственной продукции и обогрев за счет отбираемого тепла вспомогательных (бытовых, технологических) помещений складов. Должны найти применение комбинированные системы теплоснабжения с использованием тепловых аккумуляторов, особенно в тех случаях, когда поступление низкопотенциальной энергии происходит периодически. Эти системы могут интегрироваться с гелиоводонагрева-тельными установками.
В результате реализации такой программы на сельскохозяйственных и иных децентрализованных предприятиях республики могут быть введены в эксплуатацию 500 систем теплоснабжения на основе теплонасосных установок. Большой потенциал - до 1 тыс. штук - и для других объектов Минобороны, МВД, МЧС, Белорусской железной дороги. Суммарная тепловая мощность теплонасосных систем может составить не менее 60 МВт. Это позволит произвести около 125 Мкал тепловой энергии для обогрева помещений, что соответствует 17,7 тыс. т условного топлива, или сократить потребление природного газа на 14,4 млн м3.
