Сегодня в мире в качестве альтернативного источника отопления очень широко применяется тепловой насос. Но Россия в этом вопросе находится едва ли не на самом последнем месте. В статье подсчитаны финансовые затраты на теплоснабжение тепловым наосом и традиционными отопительными агрегатами здания в Ленинградской области за отопительный период и выполнен экономический анализ их применения.
Ключевые слова: тепловой насос, энергоэффективность, геотермальная энергия, низкопотенциальная энергия, теплоснабжение, возобновляемые источники энергии.
Nowadays heat pump is widely used as a source of heating in the world. However, in Russia the question of application of the heat pump takes the last place. The article estimated the financial cost of heat supply by the heat pump and traditional heating units of the building in the Leningrad region during the heating period. Economic analysis of the use of their application have done.
Keywords: heat pump, energy efficiency, ground source heat pump, renewable energy.
Развитие страны во многом зависит от эффективного использования ее природных ресурсов, в особенности топливно-энергетических. Россия, обладая огромными запасами традиционных топливно-энергетических ресурсов, одновременно располагает большим потенциалом альтернативных источников энергии, которые по сей день в нашей стране недооценены, несмотря на тенденцию развития альтернативной энергетики соседних европейских стран. Наиболее востребованной энергией в России является тепловая, применяемая в основном для теплоснабжения жилых и общественных зданий.
Заменой традиционных источников тепловой энергии, а именно газовых, жидкостных и твердотопливных котлов, а прямого электрического отопления, может стать теплонасосная система теплоснабжения. Одним из эффективных мероприятий по экономии топлива представляется широкое применение тепловых насосов (ТН). ТН преобразует природную низкопотенциальную теплоту, а также тепловые отходы в теплоту более высокой температуры, пригодную для теплоснабжения [1].
По данным Европейской Ассоциации тепловых насосов (EHPA) в период 2005–2014 год в Европе было продано больше 6,5 млн. тепловых насосов [2]. В мире сегодня эксплуатируется по некоторым данным более 130 млн. тепловых насосов. По данным Международного Энергетического Агентства доля теплоснабжения к 2020 году в развитых странах тепловыми насосами будет составлять 75 % [3].
В России самым потребляемым топливом является природный газ, который поступает к потребителям по магистральным трубам. Несмотря на то, что Россия является одним из крупных поставщиков газа, уровень газификации недостаточен и равен на 2014 год 65,4 % по всей стране, и 54,6 % в сельской местности [4].
Одним из главных преимуществ теплонасосной технологии безусловно является ее автономность в работе, что особенно приемлемо для населенных пунктов, где есть нехватка традиционных источников энергии или их потребление слишком дорого и неэффективно. С такой проблемой сталкивается и Россия, поэтому широкое применение тепловых насосов могло бы помочь решить данный вопрос.
Эффективность применения тепловых насосов напрямую связано с температурным режимом региона: чем среднегодовая температура воздуха в регионе выше, тем эффективнее работа теплового насоса. Поэтому наиболее популярны тепловые насосы в регионах с относительно теплым климатом. Но несмотря на это, сегодня, например, в Финляндии более половины строительных фирм, которые занимаются строительством частных домов в качестве источника отопления выбирают тепловые насосы. По данным Финской Ассоциации тепловых насосов (SULPU) к 2020 году в Финляндии планируется установить более миллиона тепловых насосов, которые будут производить 8 млрд. кВт∙ч возобновляемой энергии [5]. В России же опыт использования тепловых насосов пока невелик, однако целесообразность их применения в нашей стране возрастает с ростом цен на топливо и электроэнергию.
Принцип работы теплового насоса иих классификация.
Принцип действия теплового насоса известен более ста лет. Он заключается в передаче внутренней энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой. Так как по второму закону термодинамики тепловая энергия переходит от более низкого температурного уровня к более высокому, то для достижения теплонасосного цикла необходимо использовать внешнюю приводную энергию [6]. На рисунке 1 показа принципиальная схема работы ТН.
Рис. 1. Теплонасосный цикл: 1 — низкопотенциальное тепло, 2 — приемник теплоты, 3 — конденсатор, 4 — регулирующий вентиль, 5 — компрессор, 6 — испаритель, 7 — источник теплоты
Рабочим телом в тепловом насосе является вещество, кипящее при низкой температуре, названная хладагентом. Энергоноситель, отбирающий необходимую теплоту с источника низкой потенциальной энергии, попадает в испаритель. В испарителе тепло передается хладагенту и жидкий хладагент обращается в пар. Далее пары всасываются компрессором и сжимаются в нем до высокого давления. При сжатии температура паров растет, что создает возможность отдачи тепла теплоприемнику. Пары хладагента при высоком давлении и высокой температуре поступают в конденсатор, где происходит съем теплоты с помощью энергоносителя, который является приемником тепла. Конденсируясь, пар хладагента отдает тепловую энергию, переходя в жидкую фазу. Далее жидкий хладагент проходит через регулирующий вентиль (дроссель клапан) и поступает обратно в испаритель. В регулирующем вентиле давление жидкого хладагента снижается до давления в испарителе.
Таким образом полная производительность складывается, как показано на рисунке 1, из двух составляющих теплота истопника низкой потенциальной энергии Q0и приводной мощности P, с помощью которой повышается температура.
Тепловые насосы, работающие на базе компрессора называются парокомпрессионные. По типу используемого компрессорного оборудования делятся на спиральные, поршневые, винтовые и турбокомпрессорные. По виду привода компрессоры делятся на электроприводные, с приводом от двигателя внутреннего сгорания, с приводом от газовой турбины. По типу низкопотенциальному источнику и нагреваемого энергоносителя парокомпрессионные тепловые насосы подразделяются на типы: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «воздух-воздух», «вода-воздух» [7]. По такому же принципу работают и абсорбционные тепловые насосы (АТН), но в котором за место механического компрессора работает термический в виде дополнительного циркуляционного контура раствора с генератором и абсорбентом [6].
АТН работает за счет способности раствора абсорбента всасывать водяные пары, обладающие более низкой температурой, чем раствор. Вода выступает в качестве хладагента закипает под вакуумом на трубном пучке испарителя за счет теплоты, удаляемой от циркулирующей в трубках охлаждаемой среды (источника низкопотенциальной теплоты). Водяные пары поглощаются раствором абсорбента на трубном пучке абсорбера с выделением теплоты, которая отводится нагреваемой водой, циркулирующей в трубках. Разбавленный раствор из абсорбера откачивается в генератор, где на трубном пучке осуществляется регенерация (выпаривание) поглощенных в абсорбере водяных паров за счет теплоты греющего теплоносителя. Сконденсированные нагреваемой водой водяные пары хладагента возвращаются в испаритель, а концентрированный раствор — в абсорбер [8].
Абсорбционные тепловые насосы существуют двух основных видов: солевые и водоаммиачные. В водоаммиачных машинах хладагентом является аммиак, а абсорбентом вода. В солевых машинах вода– это хладагент, водный раствор соли– абсорбент. Сегодня в мире используют в основном солевые АТН, в которых абсорбентом является водный раствор соли бромистого лития (H2O/LiBr) [7].
Сегодня в России в частном секторе применяются в основном парокомпрессионные компрессоры с электроприводом типа «грунт-вода», «воздух-вода», «воздух-воздух» и «вода-вода». Преимуществом ПТН с электроприводом является простота их энергосбережения, что является одним из главных факторов при выборе теплового насоса [9].
Оценка эффективности теплоснабжения здания спомощью ТН на примере здания вЛенинградской области.
Одной из главных характеристик, описывающих эффективность работы ТН, является коэффициент преобразования или трансформации (COP — coefficientofperformance). Он определяется как отношение произведенного тепла Qн к подводимой энергии P, т. е.:
COP=Qн/P(1)
При температуре энергоносителя 95–105°С, что обычно используется в традиционных радиаторах, ТН имеет COP<2,0. В системах отопления на базе ТН обычно применяют панельно-лучистое отопление (систему «теплые полы»), при этом COP>3,0.
В качестве расчетной модели будем использовать реальный объект в Ленинградской области. В расчете учтем, что магистральный природный газ для данного региона отсутствует. Характеристики здания:
назначение здания — гостиница;
отапливаемая площадь здания — 1619м2;
класс энергоэффективности здания «С» с расчетной удельной характеристикой расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания 
=0,29 Вт/м3∙оС;
расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания за отопительный период 
=179231 кВт∙ч.=645232 МДж.
Рассчитаем и сравним финансовые затраты на снабжения теплом данного здания в зависимости от вида отопительных агрегатов, приведенные в таблице 1.
Таблица 1
Сравнение затрат на отопление различными отопительными агрегатами здания склассом энергоэффективности «С»
|
Вид отопительного агрегата |
Теплотворная способность топлива |
КПД отопительного агрегата |
Количество топлива за отопительный период |
Стоимость топлива за единицу за 2016 год |
Стоимость за отопительный период, тыс. руб. |
Средняя рыночная стоимость основного оборудования, тыс. руб. |
|
Тепловой насос |
- |
3,41 |
52715кВт∙ч |
3,84р/кВт∙ч |
202,0 |
3500,0 |
|
Газовый котел (сжиженный газ) |
26,9 МДж/л |
0,9 |
26651л |
15р/л |
400,0 |
700,0 |
|
Дизельный котел |
43,12 МДж/л |
0,9 |
16626л |
32,30р/л |
537,0 |
500,0 |
|
Пеллетный котел |
17,17 МДж/кг |
0,8 |
46974кг |
6500р/т |
305,0 |
1500,0 |
1 — Коэффициент трансформации COP=3,4 для Ленинградской области [10].
Из таблицы 1 наглядно видно, что финансовые затраты на отопление тепловым насосом ниже по сравнению с другими способами отопления. Необходимо заметить, что расчет производился на основании того, что применяем парокомпрессионный тепловой насос типа «грунт-вода», который является наиболее эффективным к применению в данном регионе.
Помимо относительно низких годовых затрат на отопления, к преимуществам ТН можно отнести его повышенную пожарную безопасность. Тепловые насосы, применяемые для жилого малоэтажного строительства, малошумны, компактны и автономны. В летний период ТН можно переключить в режим охлаждения, подключая систему «холодный потолок» или фанкойлы.
Одним из главных недостатков является большие капитальные вложение на теплонасосное оборудования, на монтаж теплообменных контуров [11]. На рисунке 2 приведен график окупаемости ТН. Из графика можно наблюдать, что срок окупаемости ТН около 20 лет, если применять его вместо пеллетного котла.
Рис. 2. График окупаемости капитальных затрат на тепловой насос при его применении
Также к недостаткам можно отнести относительно невысокую температуру нагрева воды ТН, в большинстве случаев она равна +50 оС…+60 оС. При увеличение температуры воды, уменьшается эффективность ТН и его надежность. Поэтому в большинстве случаем следует применять систему отопления «теплый пол».
Заключение.
Расчет показал, что использование ТН на данном объекте при заданных климатических условиях окупит себя приблизительно через 20 лет. В данном расчете не учтены затраты на эксплуатацию отопительных агрегатов и дополнительного оборудования, а также цена топлива принята постоянной.
Финансовый анализ показал, что ТН является реальной альтернативой традиционному теплоснабжению. Особенно это заметно на примере здания в Ленинградской области, где существует проблема газификации населенных пунктов и автономность отопительного оборудования играет заметную роль.
Одной из актуальных задач является расширение рынка отечественных теплонасосных установок с целью уменьшение их цены, а, следовательно, их популяризации у владельцев частных домов, так как импортное оборудование требует довольно высоких начальных капитальных вложений.
Литература:
- Е. И. Янтовский, Ю. В. Пустовалов. Парокомпрессионные теплонасосные установки. Москва. Энергоиздат. 1982.
- http://www.ehpa.org/fileadmin/red/07._Market_Data/2014/EHPA_European_Heat_Pump_Market_and_Statistics_Report_2015_-_executive_Summary.pdf
- Возобновляемые источники энергии. План внедрения и продвижения технологий на период до 2007 года. EREC, Renewa, le Energy House. Brussels, 2007.
- http://mrg.gazprom.ru/about/gasification/
- http://www.tmenergy.ru/teplovyie-nasosyi/stati/ryinok-teplovyix-nasosov-finlyandii-prodolzhaet-rasti/
- Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. Г. Хайнрих, Х. Найорк, В. Нестлер. Пер. ред. Б. К. Янвеля. — М.: Стройиздат, 1985.
- Корольков А. Г. Абсорбционные бромистолитиевые водоохлаждающие и водонагревательные трансформаторы теплоты [Текст] / А. В. Попов // Проблемы энергосбережения. — 2003. — № 1(14).
- http://esco.co.ua/journal/2010_7/art180.pdf
- Анализ эффективности парокомпрессионных и абсорбционных тепловых насосов тепловых насосов. Максимова Н. А. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 6/7 (48) 2010.
- Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России. В. Ф. Горнов. В. А. Лесков. П. В. Шапкин. ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ».
- Анализ экономической эффективности при реализации теплонасосных систем для теплоснабжения. Б. И. Басок. Т. Г. Беляева. А. А. Рутенко. А. А. Лунина. Институт технической теплофизики НАН Украины.
