Основным потребителем энергетических ресурсов является жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ). В настоящее время ЖКХ неэффективно расходует энергоресурсы [1]:
– потери теплоты в тепловых сетях превышают нормативные;
– срок службы теплотрасс в 4–6 раз ниже нормативного;
– КПД некоторых котельных – 40 %;
– модернизации требуют 30 % систем водоснабжения, 17 % канализационных сетей;
– утечки и неучтенные расходы воды в районе составляют 15 %.
Всё это четко обозначило проблему энергосбережения и повышения энергоэффективности зданий и сооружений.
Одновременно с этими процессами происходит:
– истощение природных ресурсов;
– экономическое непостоянство цен на нефть;
– глобальное изменение климата.
Поэтому стоит ли удивляться тому, что возобновляемые источники энергии сегодня находятся в центре всеобщего внимания, так как они являются альтернативой традиционным. К ним следует отнести и теплонасосное оборудование, производство которого растет быстрыми темпами в Европе. По прогнозам МИРЭК к 2020 году во всех развитых странах мира теплоснабжение будет осуществляться с помощью тепловых насосов.
Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой, позволяющее посредством затрат электрической энергии использовать низкотемпературную тепловую энергию грунта, воздуха, воды, хозяйственно-бытовых стоков, шахтных вод, промышленных сбросов и многого другого для получения теплоносителя пригодного для тепло– и хладоснабжения помещений, зданий, сооружений.
При этом затрачивая 1 кВт·ч электроэнергии на работу насоса можно получить около 2,5-3,5 кВт·ч тепловой энергии.
Применение тепловых насосов для отопления и ГВС, применяется по следующим причинам:
по экономическим – позволяет значительно снизить расход денежных средств по сравнению с электроотоплением, а при определенных факторах конкурировать с теплоснабжением от централизованных систем (котельных, ТЭЦ). Более подробно анализ стоимостных показателей приведен в [3];
- по экологическим – по сравнению с другими источниками тепловой энергии не выделяет вредных веществ;
- простота обслуживания – не требуется более одного оператора в смену;
- не требуется масштабная реконструкция систем отопления и ГВС помещений, зданий, сооружений.
Линейка мощности тепловых насосов довольно разнообразна. Можно обеспечить теплоснабжение частного дома, а при использовании двух и более тепловых насосов – крупных районов и промышленных предприятий. Главным приоритетом при реализации таких проектов является наличие источника низкотемпературной тепловой энергии и экономическая эффективность самого проекта.
Применение тепловых насосов экономически оправдано, если тепловая энергия получается непосредственно на месте установки оборудования. Для сравнения в централизованных системах теплоснабжения требуется протяженных тепловых сетей до потребителя, которые требуют не только капитальных вложений при строительстве, но и при эксплуатации.
Рассмотрим основные источники низкотемпературной тепловой энергии:
Наружный воздух. Тепло, содержащееся в воздухе, может использоваться непосредственно в тепловом насосе. Этот источник является самым легкодоступным, учитывая, что температура воздуха в отопительном периоде значительно меняется, применение данного источника в это время не всегда целесообразно для качественного и надежного теплоснабжения потребителя. Некоторые производители тепловых насосов внедряются решения, которые позволяют в летний период за счет наружного воздуха вырабатывать горячую воду, а в отопительный сезон насос переключается на другой источник низкотемпературной тепловой энергии (например, на подземную воду). Тепловой насос позволяет обеспечивать глубокую и круглогодичную утилизацию тепла вентиляционных выбросов.
Подземная вода. Тепло, содержащееся в подземной воде и подземных озерах, может напрямую подаваться в тепловой насос (при этом не требуется установка теплообменника, как при использовании тепла земли), но и охлажденную воду нельзя возвращать назад прямо в место отбора. Ведущие компании производства тепловых насосов рекомендуют сбрасывать отдавшую тепло воду в другой колодец так, чтобы направление течения подземных вод было от места сброса к месту отбора . Вода должна иметь соответствующий состав, температуру не менее + 8 °С на протяжении всего года, а также должна быть чистой и в достаточном количестве.
Геотермальное тепло или тепло земли. Известным фактом является то обстоятельство, что на определенной глубине почвы ее температура положительна (и по мере увеличения углубления температура растет). Тепло содержащее в почве посредством теплообменника (коллектора) в углублении и теплоносителя передается через циркуляционную схему в тепловой насос. Теплоносителем в данном случае должна являться незамерзающая, экологически безвредная жидкость, а циркуляцию обеспечивает циркуляционный насос. Теплообменник может быть помещен в землю на различное расстояние, в зависимости от требуемой мощности. Для получения большой тепловой мощности рекомендуется скважина глубиной 100-150 м. Для получения низких мощностей достаточно поместить теплообменник в плоскостной или траншейный коллектор на глубину 1,5-2 м.
Минусом установки теплообменника на малую глубину является то обстоятельство, что вокруг площадки, куда погружен коллектор, температура почвы из-за постоянного теплосъема понижается, тем самым при определенных температурных условиях на улицы этот участок почвы также может промерзнуть.
Наиболее качественным и надежным способом является бурение скважин и установка теплообменников на большой глубине.
Поверхностная вода. При использовании поверхностной воды к ней предъявляются определенные требования, как и для подземной воды. При внедрении теплового насоса с использованием данного вида источника низкотемпературной тепловой энергии очень часто возникают проблемы с чистотой воды, а также с регулярностью температуры (в большинстве случаев температура поверхностной воды поддерживается за счет стоков промышленных предприятий).
В климатических зонах с мягким климатом и регулярностью температуры поверхностной воды, тепловой насос может быть отличным решением для решения проблем с ГВС.
Отработанное тепло промышленных предприятий. В результате технологических процессов на промышленных предприятиях возникает большое количество низкотемпературной тепловой энергии, которая не используется в технологическом цикле. В зависимости от конкретных условий отработанное тепло можно использовать в ТН для теплоснабжения цехов, мастерских, складов и т.д. промышленного предприятия. В частных домах, жилых многоквартирных домах отработанное тепло используется крайне редко из-за зависимости от работы и удаленности от потребителя промышленного предприятия.
Для подтверждения эффективности применения тепловых насосов рассмотрим опыт применения теплонасосной станции для отопления объектов Велижанского водозабора.
Тепловые нагрузки составляют (без горячего водоснабжения) на промышленные нужды – 2,65 Гкал/ч, на жилье и соцкультбыт – 0,79 Гкал/ч, всего 3,44 Гкал/ч.
До 1996 г. теплоснабжение объектов осуществлялось от котельной, работающей на дизельном топливе. В котельной были установлены 4 котла мощностью по 3,5 Гкал/ч, из них 2 резервных. Таким образом, рабочая мощность котельной составляла 7 Гкал/ч. В связи с резким подорожанием дизельного топлива было принято решение о приобретении и монтаже теплонасосной станции.
Теплонасосная станция представляет собой автономный источник теплоснабжения, использующий в качестве низкопотенциального источника тепла воду из скважин Велижанского водозабора. Низкопотенциальное тепло воды водозабора (5 °С, расход не менее 500 м3/ч) с помощью ТН получается теплоноситель для систем отопления (65 °С) и горячего водоснабжения (55 °С). Оборудование теплонасосной станции позволяет регулировать как температуру прямой воды отопления, так и количество передаваемого ей тепла.
Оборудование теплонасосной станции достаточно энергоемкое: установленная мощность компрессора составляет 630 кВт при напряжении 10 кВ. Потребляемая мощность одной установки (по паспорту) в номинальном режиме при теплопроизводительности 2,8 Гкал/ч составляет 720 кВт, не считая сетевых насосов и другого вспомогательного оборудования.
Годовой экономический эффект составляет 154000 руб./год. При стоимости приобретенного оборудования теплонасосной станции 1,8 млн руб. (без стоимости строительных и монтажных работ) срок окупаемости составит 11,7 лет (по данным 1996 г.).
Выводы
Практически в каждом муниципальном образовании имеются те или иные проблемы с теплоснабжением потребителей. Довольно часто при строительстве новых домов встает вопрос об источниках теплоснабжения для постройки, т.к. подключение к теплоснабжающим организациям может быть невозможно из-за дефицита тепловой мощности, дорого из-за строительства протяженных тепловых сетей. Теплоснабжение удаленных населенных пунктов осуществляется посредством использования дорогого завозного дизельного топлива и мазута. В этом случае должны рассматриваться проекты установки теплового насоса в конкуренции с другими технологическими решениями и проектами по теплоснабжению.
В энергодефицитных регионах по электрической мощности, с одной стороны, внедрение тепловых насосов должно рассматриваться только как перспективное направление, т.к. при переходе с централизованного отопления на насос (даже при наличии в непосредственной близости источника низкотемпературного тепла) может вызвать рост нагрузки на энергосистему, в связи с потреблением насосом электроэнергии. С другой стороны, может снизить электрическую нагрузку, используемую потребителями на электроотопление. Поэтому к вопросу о внедрении тепловых насосов надо подходить очень серьезно.