Актуальность использования низкопотенциального тепла с применением тепловых насосов

К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) относят солнечную, ветровую и геотермальную энергию, а также энергию океана, малых водотоков и биомассы, низкопотенци- альное тепло.

В качестве приоритетных сфер приложения нетрадиционных источников энергии наибольший интерес представляет область теплоснабжения, являющаяся сегодня одним из наиболее емких мировых потребителей топливно-энергетических ресурсов. Преимущества технологий теплоснабжения, использующих нетрадиционные источники энергии, в сравнении с их традиционными аналогами, связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также с новыми возможностями в области повышения степени автономности систем теплоснабжения.

В 1850 г. 91% производства энергии базировался на дровах и только 9% - на угле. В 1900 г. дрова занимали в общем балансе 18%, первое место (73%) - уголь, нефть и природный газ - 7%, а гидроэнергия - 2%. Через 50 лет (1950 г.) нефть и природный газ занимали 58%, уголь - 38%, гидроэнергия - 4%. За сто лет (1850 - 1950 гг.) эпоха дров сменилась эпохой угля, а затем - эпохой нефти и газа. В последующие пятьдесят лет (2000 г.) доля газа и нефти выросла до 60%, уголь занимал второе место (20%), гидроэнергетика существенно не выросла, зато появились новые источники энергии - ядериая и использование биомассы [1.12].

В производстве электроэнергии доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) мала. Без крупных ГЭС в целом в мире она составляет всего около 1,6%. Однако в ряде развитых стран доля ВИЭ в производстве электроэнергии значительно больше: Дания - более 12%, Италия - 2,8%, Германия - 2,7%, Великобритания - 2,4%, США - 2,2% [11.

Для решения проблем, способствующих энергосбережению, в регионах пашей страны имеются большие возможности: технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет величину порядка 4,6 млрд, т у.т. в год, экономический потенциал оценивается величиной, эквивалентной 270 млн. т у.т. в год, а его распределение по отдельным видам таково: малые и микроГЭС - 65; геотермальная энергия - 115; биомасса - 35; ветровая энергия - 10; низкопотенциалыюе тело - 36;

солнечная энергия -12,5 млн. т у.т. в год. Использование возобновляемых источников энергии позволит решить многие проблемы энергосбережения и энергоснабжения.

Энергия, получаемая от ВИЭ, как правило, дороже традиционной, что существенно влияет на сегодняшнее отношение к ним. Поэтому если 70-е -80-е гг. прошлого века для развитых стран стимулом применения ВИЭ явились известные нефтяные кризисы и опасение, что век дешевых традиционных топлив закончился, то сегодня основным аргументом в пользу применения ВИЭ в этих странах является их экологическая чистота. Для развивающихся стран ВИЭ имеют, прежде всего, социальное значение.

За последние десятилетия в общем балансе источников получения энергии остается доминирующее использование нефти и газа, растет в абсолютных значениях при относительном снижении потребление угля, выражена положительная тенденция роста ядерной энергетики (в отдельных развитых странах до десятков процентов от общего объема получения энергии), использование для производства энергии биомассы, солнечных и ветровых энергоустановок.

Несмотря на большой прогресс в производстве электроэнергии на ветровых и солнечных установках, а также производстве биогаза в ряде развитых стран, долевой вклад этих альтернативных источников суммарно значительно ниже основных энергетических источников - углеводородных, ядерных и гидроэнергетических.

Теплоснабжение это наиболее социально значимый и в тоже время наиболее топливоемкий сектор экономики: в нем потребляется 40% энергоресурсов, используемых в стране, а более половины этих ресурсов приходится на коммунально-бытовой сектор.

В настоящее время около 72% всей тепловой энергии производится централизованными источниками (мощностью более 20 Гкал), остальные 28% производятся децентрализованными источниками, в том числе 18% - автономными и индивидуальными источниками. Кроме того, незначительная часть спроса на тепловую энергию (4,5%) удовлетворяется за счет утилизации сбросного тепла от технологических установок, а доля тепла, получаемого от возобновляемых источников энергии, очень мала [1.15].

В последнее время проблемы энергосбережения и экономии тепловой энергии особенно в жилищно-коммунальном секторе.

В ЖКХ страны в настоящее время эксплуатируется порядка 68 тыс. (включая ведомственные) котельных, которые вырабатывают около 600 тыс. Гкал тепловой энергии в год. В большинстве городов

РФ сложилась крайне неблагоприятная обстановка с содержанием энергетического хозяйства, где свыше 40% бюджета города расходуется па теплоснабжение [1.15].

Около 50% объектов и инженерных сетей требует замены, не менее 15% находится в аварийном состоянии. На каждые 100 км тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений. Потери в тепловых сооружениях и сетях достигают свыше 30%, а с утечками теплоносителя ежегодно теряется более 250 млн м3 воды. Главные резервы экономии ТЭР сосредоточены не только у потребителя, но и в инженерных сетях, в том числе 25-60% по теплу.

Причин такого состояния коммунальной энергетики много. Это и дефицит финансов, износ оборудования и тепловых сетей, и слабое разграничение зон полномочий в коммунальной энергетике, а также отсутствие перспективных схем развития систем теплоснабжения с разработкой и внедрением высокоэффективных технологий использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) [1.15].

В существующих условиях требуются новые подходы к решению проблемы снижения затрат на теплоснабжение: разработка комплексных программ теплоснабжения, ориентированного на реализацию потенциала экономии ТЭР; совершенствование тарифной политики и стимулирования потребителей энергоресурсов к экономии; повышение эффективности использования тепловой энергии; создание действенного механизма, стимулирующего снижение затрат па теплоснабжение в сфере ЖКХ; новые научные разработки; создание новых энергосберегающих технологий и оборудования, основанных на вовлечении в процесс получения тепловой энергии возобновляемых источников энергии (ВЭР), обеспечивающих снижение себестоимости тепла, его потерь при выработке и транспортировке.

Большие резервы в повышении эффективности теплоснабжения заложены в использовании низкопотенциалыюго тепла, нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Ресурсы нетрадиционных возобновляемых источников энергии в России огромные: низкопотенциальное тепло - валовый потенциал 525 млн т у.т./год, технический потенциал 105 млн т у.т./год, экономический потенциал 31,5 т у.т./год [1.14].

Ресурсы экономии органического топлива за счет использования низкопотенциалыюго тепла системы водооборотного снабжения - валовый потенциал 200 т у.т./год, технический потенциал 40 млн т у.т./год, экономический потенциал 12 т у.т./год [1.14].

Существенное улучшение экономических и экологических характеристик производства тепловой энергии достигается с помощью теплонасосоиых установок (ТНУ), позволяющих трансформировать низкопотеициальную теплоту ВЭР и возобновляемых природных источников до более высоких температур, пригодных для целей теплоснабжения. Кроме того, применение ТНУ дает возможность приблизить тепловые мощности к местам потребления, минимизировать протяженность тепловых сетей, рассредоточить выбросы в регионе и получать в системах отопления 3-8 кВт эквивалентной тепловой энергии в зависимости от температуры низкопотеициальных источников, затрачивая при этом 1 кВт электрической энергии.

Конструктивная схема теплового насоса

Рис. 1.9. Конструктивная схема теплового насоса

Признание тепловые насосы получили из-за их: [1.7]

  • 1.Экономичности: чтобы передать в систему отопления 1 кВт ч тепловой энергии тепловому насосу нужно лишь 0,2-0,35 кВт ч электроэнергии.
  • 2. Экологичности: ТНУ не сжигает топливо и не производит вредных выбросов.
  • 3. Минимальности обслуживания: для работы ТНУ мощностью до 10 МВт требуется не более одного оператора в смену.
  • 4. Короткого срока окупаемости: в связи с низкой себестоимостью производимого тепла тепловой насос имеет малый срок окупаемости.

Эффективность применения теплового насоса хорошо проявляется в сравнительном анализе с традиционными системами теплоснабжения, например с угольной котельной. Если для производства 1 Гкал (1163 кВт-ч) тепла угольной котельной малой и средней мощности, с эффективностью использования 60%,

потребуется 420 кг угля, то в тепловом насосе, утилизирующем тепло из источника с температурой всего +10 °С, аналогичный результат достигается при потреблении 277 кВт-ч электроэнергии, плата за которую составит в зависимости от уровня применяемого тарифа. Тепловая станция мощностью 1 Гкал/ч (1,16 МВт) экономит 2100 тонн угля в год.

Важнейшей особенностью ТНУ является универсальность по отношению к виду первичной энергии, возможность использования практически всех видов энергии, поскольку компрессор ТНУ может приводить в действие механическим, электрическим и любым тепловым двигателем. Это способствует оптимизации топливного баланса с замещением дефицитных энергоресурсов менее дефицитными видами.

По сравнению с электроотоплением расход электроэнергии сокращается на 50-70%: экологическая чистота, высокий уровень комфортности. Благодаря полной автоматизации ТНУ не требует постоянного обслуживания.

Теплонасосное оборудование позволяет, кроме отопления зданий в зимний период, дополнительно иметь горячее водоснабжение круглый год.

Как свидетельствует мировой опыт, ТНУ довольно интенсивно вытесняют традиционные схемы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топлива. ТНУ могут использоваться в качестве квартирных, домовых, квартальных и районных источников теплоснабжения. Они не требуют больших сроков строительства. ТНУ могут размещаться вблизи потребителей, что позволяет минимизировать протяженность тепловых сетей, практически исключив потери тепловой энергии при транспортировке.

Конструктивная схема системы отопления жилого дома с использованием теплового насоса

Рис. 1.10. Конструктивная схема системы отопления жилого дома с использованием теплового насоса

Массовое производство и внедрение ТНУ осуществляется в США, Японии, ФРГ, Швеции, Канаде, Франции, Дании, Австрии, Норвегии, Нидерландах и других странах.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИ- РЭК), к 2020 г. 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает более 15 млн тепловых насосов различной мощности от нескольких киловатт до сотен мегаватт. В США более 30% жилых зданий оборудованы тепловыми насосами. В Швеции только за последние годы введено более 100 (от 5 до 80 МВт) теплопасосных станций. Широко внедряются тепловые насосы в Германии, Японии, Канаде, в ряде крупных передовых стран [1.13].

Общее состояние развития теплонасоспого теплоснабжения в мире также подтверждает реальность прогноза МИРЭК.

Сравнительно отстающие в этой сфере деятельности страны предпринимают значительные усилия для развития теплонасоспого теплоснабжения. В Японии, например, ежегодно продается 3 млн тепловых насосов. Швейцарской национальной программой энергосбережения предусматривается увеличение производства тепла тепловыми насосами до 2250 ГВт-ч, т.е. втрое выше существующего уровня за 3 ближайших года. Для реализации этой программы инвесторами выделяются значительные дотации [1.2].

В ФРГ сокращение федеральной поддержки фирм, применяющих тепловые насосы, привело к снижению продаж в 80-е гг. тепловых насосов. Для преодоления этого в настоящее время выделяется самая крупная дотация — государственная. На 1 кВт тепловой мощности запущенного в эксплуатацию теплового насоса выплачивается 200 евро, 230 тыс. евро за тепловой насос теплопроизводителыюстыо 1,16 МВт. Это притом, что по производству экономичных индивидуальных котлов па жидком или газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия занимает одно из первых мест в мире. В настоящее время общая номинальная мощность тепловых насосов в Германии составляет около 4800 МВт, соответствующее электрической нагрузки 1260 МВт, т.е. воздействие тепловых насосов на систему управления национальной электросети может равняться крупной гидроаккумулирующей установки. Министерство Охраны Окружающей Среды Германии видит существенный рост рынка тепловых насосов на будущее: 1 млн. систем к 2020 году и 2 млн. к 2030 году, что охватывает как новое строительство, так и существующие объекты [1.1].

Схема системы отопления и горячего водоснабжения с использованием теплового насоса

Рис. 1.11. Схема системы отопления и горячего водоснабжения с использованием теплового насоса

Швеция - безусловный мировой лидер в практическом использовании тепловых насосов - уже сейчас около 60% необходимого для теплоснабжения тепла она получает от теплопасоспых установок. Причем применение ТН в Швеции стало настолько массовым, прежде всего по экономическим соображениям, что когда в 1985 г. в стране был проведен опрос населения на тему «Какое из видов отопления жители страны предпочитают?», то 95% опрошенных ответили - теплонасосное. В Швеции работают две самые мощные ТНС на 320 и 200 МВт, обе на низкопотепциальпом тепле Балтийского моря [1.2].

Россия существенно отстает в этой сфере даже от малых стран. Между тем, с учетом более жестких климатических условий, более продолжительного отопительного периода экономическая, экологическая эффективность от применения теплового насоса будет намного выше, чем в странах Европы, США и Канады. В последние годы внедрение теплопасоспых технологий значительно увеличивается.

Согласно проведенным исследованиям, имеются большие возможности для разработки и широкого внедрения энергосберегающих технологий в ЖКХ с применением ТНТ для решения существующих проблем отопления и горячего водоснабжения коммунальных объектов [1.8].

Схема расположения теплообменника теплонасосной установки

Рис. 1.12 Схема расположения теплообменника теплонасосной установки

В современных условиях факторами, способствующими повышению роли теплонасосной техники и стимулирующие ее развитие, являются: рост стоимости топлива, ужесточение экологических требований; необходимость усовершенствования и снижения топливо- и капиталоемкости теплоснабжения.

Согласно проведенных расчетов за счет отбора теплоты нетрадиционных источников и использования ВЭР можно снизить теплопотребление в России примерно на 30%, а в жилищно- коммунальном секторе до 40%, сэкономив за счет использования вторичных энергетических ресурсов более 30 млн т у.т.

Тепловые насосы в перспективе найдут широкое применение в жилом и общественном секторах 11.3]

  • - в общественных зданиях с кондиционированием воздуха будут применять современные кондиционеры, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в режиме теплового насоса в холодный;
  • - в жилищно-коммунальном секторе с помощью ТНУ будет осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий;
  • - в водопроводно-канализационных хозяйств городов и муниципальных образований отопление и горячее водоснабжение будет осуществляться полностью за счет низкопотенциального тепла с применением тепловых насосов.

Эффективность систем теплоснабжения с применением тепловых насосов во многом определяется наличием источника низкопотепциальпой теплоты. Источниками низкотемпературной теплоты для ТНУ в коммунальном хозяйстве могут служить грунтовая вода, наружный воздух, теплота грунта, теплота канализационных стоков, загрязненных и очищенных хозбытовых стоков, а также водопроводная вода.

Для систем теплоснабжения индивидуальных домов необходимо наличие постоянного температурного потенциала. Этим требованиям отвечают грунт и грунтовые воды.

Используя температуру сбрасываемой горячей воды в квартирах, теплоту вытяжного воздуха систем вентиляции, кондиционирования можно снизить па 30-40% потребление тепловой энергии в жилом секторе.

Схема теилонасосной установки с использованием теплоты грунта

Рис. 1.13 Схема теилонасосной установки с использованием теплоты грунта

Теплоснабжение объектов водопроводно-канализационного хозяйства городов и муниципальных образований осуществляется, как правило, от собственных источников теплоснабжения, сжигающих органическое топливо или электрокотельных. Для теплоснабжения этих объектов можно использовать низкотемпературное тепло перекачиваемых ими очищенных или загрязненных хозбытовых стоков, а также водопроводной воды.

Значительным тепловым потенциалом, который практически не исчерпаем, располагают хозяйственно-бытовые стоки в коммунальном хозяйстве, используя который, можно значительно снизить

себестоимость тепловой энергии для объектов ЖКХ. Тепловая энергия, заключенная в канализационных стоках, на данный момент практически не используется. Технологии утилизации с применением тепловых насосов дают возможность утилизировать

низкопотеициальное тепло стоков и использовать его для отопления и горячего водоснабжения объектов социальной и коммунальной сферы, получать дешевую экологически чистую энергию.

Внедрение передовых энергосберегающих технологий для теплоснабжения является технической основой реформирования системы

ЖКХ. Технологии с использованием тепловых насосов должны дать новый импульс в решении проблем теплоснабжения в сфере ЖКХ и при модернизации городских и муниципальных энергохозяйств.

Теплонасосное теплоснабжение из всех видов нетрадиционной энергетики является наиболее быстро развивающейся отраслью, и в некоторых развитых странах оно уже является главным конкурентом традиционной теплоэнергетики, основанной на сжигании органического топлива. Будущее за теплонасосными технологиями. По прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75% тепла для отопления и горячего водоснабжения будет поступать от тепловых насосов [1.1].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >