Тепловые насосы

 

В пользу дальнейшего  продвижения рассмотренных инновационных  технологий в практику говорит тот факт, что наконец-то начата разработка Российской программы развития ВИЭ, и, возможно, как в западных странах, появится реальная федеральная и региональная поддержка проектам с ВИЭ и ТН, как законодательная, так и финансовая.

Другим способствующим фактором является опережающий рост цен на природный газ по отношению к электроэнергии. Например, согласно опубликованным на сайте администрации Ярославской области плановым тарифам, к 2010 году цены на эти энергоносители вырастут, относительно 2007 г., явно неодинаково: в 2,1 и 1,5 раза, соответственно.

Рассчитанные с учетом этих факторов технико-экономические  показатели (ТЭП) на примере коттеджа (Табл.) подтверждают, что только при  комплексном использовании основных из перечисленных механизмов внедрения в условиях центральных регионов России можно достичь эффективного и коммерчески приемлемого уровня применения геотермальных технологий на приповерхностном грунте.

Из таблицы видно, что  проектный коэффициент преобразования в грунтовом ТН c пиковым электродоводчиком позволяет снизить потребление энергоресурсов на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение до эффективного значения. Экономия топлива определяется тем, что коэффициент использования первичной энергии (то есть - топлива, расходуемого на электростанции), равный произведению рабочего коэффициента ТНУ (3,9, Табл.) на КПД производства электроэнергии (принят 0,3), для варианта в таблице составляет около 1,2, то есть на 30% превышает КПД газового котла (0,9). Другая часть экономии образуется за счет возвращения на подогрев приточного воздуха 70-80% тепла вентиляционных выбросов. И если применительно к 2007г. себестоимости генерируемой тепловой энергии для сравниваемых в таблице систем энергообеспечения примерно одинаковы, то в 2010 году тепло, произведенное с использованием системы на природном газе, становится дороже, чем в предлагаемом варианте с грунтовой ТНУ, примерно на 20%. Срок окупаемости последнего варианта, с годовым потреблением электроэнергии тепловым и циркуляционными насосами 19 тыс. кВт-ч, при тарифах на 2010 г., меньше по сравнению с газовым котлоагрегатом, даже если тот используется в комплексе с такой же вентиляционной системой, снабженной теплоутилизатором.

Предлагаемые подходы  могут быть применены и при  внедрении геотермальных технологий на приповерхностном грунте для многоэтажных зданий, но тогда, ввиду использования многоскважинного подземного контура, при проектировании добавляется оптимизация поля скважин с учетом имеющегося пространства под застройку и теплового взаимовлияния грунтовых теплообменников, зависящего от расстояний между ними и конфигурации скважинного поля.

Таким образом, на примере  объектов в Ярославской области, предлагается механизмы эффективного внедрения технологии, основанной на использовании возобновляемой геотермальной энергии, а также - энергогенерирующую систему, позволяющую, наряду с качеством микроклимата в жилых помещениях и энергоресурсосбережением, обеспечить конкурентоспособное и инвестиционно привлекательное автономное энергоснабжение дома. Технология и система подходят для развития малого и среднего бизнеса, занятого в строительстве малоэтажных жилых и других зданий в России, в т.ч. - в ЦФО и окрестных регионах. Возрастающий в нашей стране спрос на строительство коттеджных поселков также способствует этому развитию, в т. ч. - в рамках проекта "Доступное и комфортное жилье – гражданам России", и выполнению других энергоэффективных программ, связанных, например, с сохранением окружающей среды при намеченных темпах роста энергопотребления.

С применением предложенных геолого-экономических, технологических, технических, методологических и проектировочных решений при оцененном масштабном потенциале природных энергоресурсов создаются предпосылки для освоения в достойных объемах экологически чистого местного источника возобновляемой энергии, разрабатываемого с помощью мелких скважин и обеспечивающего при коротких подсоединениях (снижающих риски, затраты на транспортировку и теплопотери) широкий спектр объектов с любой удаленностью от энергоподводящих магистралей и месторождений органического топлива.

Дальнейшее движение цен на традиционные энергоносители к среднемировым значениям, увеличение энергопотребности регионов, ведущее  к нарастанию экологических проблем, и опережающий рост цен на природный  газ по отношению к электроэнергии, потребляемой тепловыми насосами, будут неизбежно стимулировать массовое развитие в России технологий, основанных на использовании ВИЭ.

 

6. Кондиционирование.  Пассивное и активное. Принцип

  Принцип холодоснабжения очень  прост. В зимнее время тепловой насос «трансформирует» тепло из окружающей среды для использования в системе отопления. Летом, наоборот, «холод» из скважины (7-9 градусов) используется, чтобы создать необходимый климат в помещениях дома. Фанкойлы подключаются к внешнему коллектору, а принцип работы системы холодоснабжения такой же, как и системы отопления, за исключением того, что вместо радиаторов используются фанкойлы.  
Пассивное охлаждение

 

 

 

 

 

 

 

При пассивном  охлаждении компрессор теплового насоса не работает, и теплоноситель просто циркулирует между скважиной и фанкойлами. Таким образом, холод из скважины напрямую поступает в систему кондиционирования.   

Активное охлаждение

 

 

 

 

 

 

 

 

Если пассивного охлаждения не достаточно, в системе  кондиционирования используется холод, производимый тепловым насосом. При этом автоматически включается компрессор теплового насоса, и теплоноситель из скважины дополнительно охлаждается тепловым насосом.

7. Роль и место тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения крупных городов Российской Федерации

В сложившихся условиях функционирования системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) в городах РФ существуют большие возможности повторного вовлечения огромного потенциала низкопотенциальной теплоты (НПТ) тепловых потоков и выбросов на энергообъектах СЦТ в топливно-энергетический баланс (ТЭБ) городского энергохозяйства, и в первую очередь, за счет внедрения энергосберегающей теплонаносной технологии.

До последнего времени работы по освоению теплонаносной технологии велись скорее разрозненными, чем объединенными усилиями. В ряде городов РФ сооружены теплонаносные установки (ТНУ), которые на данном этапе больше выполняют демонстрационные функции. В числе таких городов следует назвать Нижний Новгород, Новосибирск, Саратов, Москву, Санкт-Петербург и др. Повышенный интерес к освоению теплонаносной технологии в СЦТ, как в прочем и децентрализованном секторе, особенно проявился в последние 5-6 лет. Это обусловлено возрастающим напряжением в топливообеспечении, но главным образом, из-за непрерывного удорожания первичных энергоресурсов, и как следствие этого роста цен на энергоносители.

Накопленный опыт внедрения ТНУ в этих городах показывает на существование практически повсюду одних и тех же трудностей, сдерживающих их внедрение в СЦТ. Основными из них являются отсутствие нормативно-правовых документов, регламентирующих взаимодействие структур городского энергохозяйства, финансовых структур (коммерческих банков, инвестиционных фондов и т.п.) и энергопроизводителей в вопросах взаиморасчетов за произведенную теплоту с помощью ТНУ и финансирования данной технологии. Различие и наличие межведомственных интересов сдерживает не только разработку подобных документов, но и эксплуатацию уже смонтированных ТНУ.

Однако теплонаносная технология неизбежно со временем будет востребована по целому ряду причин. Рассмотрим их более подробно с позиции целесообразности и эффективности внедрения ТНУ в СЦТ городов РФ. Вначале отметим, что в настоящее время только на ТЭС РАО «ЕЭС России» системой охлаждения технической воды (СОТВ) сбрасывается в окружающую среду не менее 140-150 млн Гкал, что эквивалентно 24-26 млн т у.т. непроизводительного расхода топлива. Естественно, что в разных регионах РФ существуют различия в объемах сброса НПТ, например, из-за применения открытой схемы водоразбора, но это только указывает на необходимость регионального подхода в изучении возможностей применения теплонаносной технологии, конечно же, с учетом особенностей СЦТ в каждом регионе. Однако, надо признать, что такое положение является неизбежным при существующей классической системе теплоснабжения (в связи с отсутствием до последнего времени эффективных технологий утилизации НПТ). Освоение теплонаносной технологии позволяет изменить сложившееся представление о невозможности полезно вовлекать в ТЭБ бросовую теплоту.

На самом деле СЦТ в крупных городах РФ обладает уникальными возможностями по эффективному вовлечению НПТ в ТЭБ города и с относительно незначительными капитальными затратами в сравнении с таковыми в зарубежных странах, где СЦТ не получила такого развития, как в РФ.

Итак, какие это преимущества от применения ТНУ в условиях СЦТ, рассмотрим ниже. Практически повсюду в целях обеспечения надежности и экономичности теплоснабжения между тепло-магистралями тепловых сетей ТЭЦ и РК предусмотрены перемычки, которые позволяют, например, летом отключать РК, а подачу теплоты в виде горячей воды производить от ТЭЦ. Это позволяло до недавнего времени увеличивать долю комбинированный выработки тепловой и электрической энергии в неотопительный сезон. Однако в последние несколько лет в связи с переходом на рыночные отношения и в условиях неплатежей этот принцип работы в СЦТ нарушен. Причиной такого положения явилось различие тарифов на теплоэнергию, производимую на ТЭЦ и РК. Парадокс состоял в том, что городские службы Теплоэнерго реализовали теплоту по завышенному тарифу (установленному для предприятий Теплоэнерго), это и привело к раздельному производству и реализации теплоты на ТЭЦ и РК, в частности, такое положение наблюдается в системе теплоснабжения г. Москвы.

 

8. Оценка технического потенциала возможного использования НПТ СЦТ

Самым важным в техническом отношении является то, что имеются связи между тепломагистралями ТЭЦ и РК, которые используются сейчас только в чрезвычайных случаях. Это обстоятельство можно весьма выгодно использовать для утилизации бросового НПТ ТЭЦ с помощью применения ТНУ.

Существенным здесь является возможность трансформации НПТ ТЭЦ с высоким коэффициентом преобразования (КОП) на уровне 6-8 и возможно это благодаря наличию перемычек между тепломагистралями ТЭЦ и РК. Учитывая, что температурные графики сетевой воды в городских теплосетях ТЭЦ и РК совпадают (а если и различаются, то незначительно), то преобразование НПТ ТЭЦ с помощью теплонаносных станций (ТНС) термодинамически становится выгодным.

Технологический процесс  полезного вовлечения НПТ ТЭЦ  осуществляется за счет ее передачи на более высоком температурном  уровне обратной сетевой воды теплосети  РК и происходит это следующим  образом:

Поток обратной сетевой воды (ОСВ), возвращаемый на ТЭЦ, проходит через испарители ТНУ и захолаживается до температуры 30 °С (в каждом конкретном случае температура захоложенной ОСВ обосновывается с учетом региональных особенностей СЦТ) и, в конечном итоге, подается в конденсатор паровой турбины (в основной или во встроенный т/о пучок), где и происходит нагрев захоложенной ОСВ, т.е. конденсатор выполняет функции дополнительного подогревателя ОСВ и, таким образом, в нем происходит утилизация НПТ ТЭЦ. В настоящее время НПТ на ТЭЦ полностью выбрасывается в окружающую среду с помощью системы охлаждения технической воды (СОТВ);

В свою очередь, поток ОСВ, возвращаемый на РК, на той же ТНС проходит через конденсаторы ТНУ и нагревается на 15-25 °С (при необходимости можно и больше), что, в конечном итоге, приводит к существенному сокращению расхода топлива на РК. 
Чтобы реализовать такую схему утилизации, с одной стороны, должны быть задействованы перемычки между тепломагистралями ТЭЦ и РК, в этой части нет проблем, с другой, должны быть решены вопросы взаиморасчетов между ТЭЦ и РК, исходя из принадлежности ТНС и долевого участия инвесторов в сооружении ТНС.

Что касается вопросов технической реализации использования захолаженной ОСВ на ТЭЦ, то они были достаточно углубленно проработаны применительно к теплофикационным турбинам типа Т-250/300-240 специалистами ОАО «Уральский ТМЗ». В результате были установлены техническая осуществимость, возможностью целесообразность подачи в конденсатор захоложенной ОСВ для ее нагрева теплотой отработавшего пара.

Оценки масштабов экономии энергоресурсов за счет применения тепловых насосов в СЦТ показывают, что на энергообъектах РАО «ЕЭС России» можно повторно вовлечь в систему теплоснабжения крупных городов не менее 45-50 % НПТ с КОП на уровне 6-8 и до 60-70 % НПТ с КОП на уровне 4-5. В первом случае потребление электроэнергии на привод компрессоров будет минимальным (для ТНУ компрессионного типа). При этом необходимо отметить, что около 40% сброса НПТ ТЭЦ приходится на отопительный период и около 60% НПТ - на неотопительный период. Ниже все оценки эффективности применения ТНУ проводятся с ориентацией на вовлечение бросовой теплоты ТЭЦ РАО «ЕЭС России» для уровня 45-50% НПТ, что не должно вызвать непреодолимых технических трудностей, благодаря уже сложившимся связям между тепловыми сетями ТЭЦ и РК.

При проведении оценок объемов полезного вовлечения НПТ с помощью ТНУ принималось во внимание, что в неотопительный период возможно вовлечь в хозяйственный оборот города около 20-25% тепловых выбросов на ТЭС, т.е. где-то 12-15% от всего годового объема НПТ (этот уровень может быть существенно увеличен, если будут найдены экономичные решения складирования теплоты на летний период, например, в подземных или наземных хранилищах, а также замкнутых линзах на приемлемых глубинах, как это осуществляется в Швеции и других странах). В отопительный период эта доля может достигать 80% от объема тепловых выбросов на ТЭС, т.е. около 32% от всего объема НПТ тепловых выбросов. Однако реальные объемы полезного использования НПТ подлежат уточнению и особенно по регионам РФ. 
Здесь сделаем оговорку, что источники НПТ ТЭЦ не единственные в системе городского хозяйства и, пожалуй, самые огромные источники НПТ сосредоточены на станциях аэрации. Нами этот источник НПТ не рассмотрен.