Ключевые слова: энергоэффективность, тепловой насос, источник низкопотенциальной тепловой энергии
Энергосбережение считается сегодня одним из наиболее актуальных направлений развития России в связи с вступлением в силу Федерального закона № 261 от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации.
В соответствии со статьей 14 261-ФЗ и пунктом 68 Плана мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в Российской Федерации, направленных на реализацию Федерального закона № 261-ФЗ, Министерство экономического развития 17 февраля 2010 года утвердило Перечень мероприятий в области энергосбережения. В этом перечне озвучены мероприятия по увеличению использования в качестве источников энергии вторичных энергетических ресурсов и возобновляемые источники энергии.
На сегодняшний день широко известны способы экономии энергии, при которых в качестве источника тепла используют низкопотенциальную теплоту. Основным элементом таких систем являются тепловые насосные установки (ТНУ).
Тепловыми насосами (ТН) называют установки, предназначенные для повышения потенциала теплоты с низкого температурного уровня на более высокий на основе обратного термодинамического цикла за счет расхода электрической или другой высокопотенциальной энергии. Тепловой насос и вспомогательные оборудование, такое как гидравлические машины, трубопроводы для подвода и отвода теплоносителей, системы энергопитания, контроля и регулирования, составляют теплонасосную установку (ТНУ) [10, с. 103].
Источниками низкопотенциальной тепловой энергии могут быть грунтовые и артезианские воды, озера, моря, тепло грунта, вторичные энергетические ресурсы — сбросы, сточные воды, вентиляционные выбросы и т. п. Затрачивая 1 кВт электрической мощности в приводе компрессионной теплонасосной установки (ТНУ), можно получить 3–4, а при определенных условиях и до 5–6 кВт тепловой мощности. Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.
ТНУ представляют собой бурно развивающийся сегмент мирового рынка. Приблизительно в мире сегодня эксплуатируются по некоторым данным более 130 млн. тепловых насосов. За рубежом активному внедрению тепловых насосов способствует Международное Энергетическое Агентство (IEA), которое предусматривает установку 3,5 миллиардов тепловых насосов в коммунальном хозяйстве к 2050 г. Более того, IEA прогнозирует, что к 2050 году более половины систем отопления зданий будут снабжены аккумуляторами тепловой энергии на основе тепловых насосов [1].
Европейская ассоциация по тепловым насосам (The European Heat Pump Association, EHPA)* представила данные по продажам теплонасосного оборудования в 2015 г., в рамках ежегодного отчета (рис. 1).
Рис. 1. Статистика продаж тепловых насосов в Европе в 2005-2015 гг.
В результате за 2015 год зафиксирован рекорд по продажам, который составил 880179 единиц оборудования. Если с точки зрения роста рынка были и лучшие времена (2005–2007 гг.), то в абсолютных цифрах за 2015г. поставлен рекорд по продажам тепловых насосов [2].
В настоящее время тепловые насосы активно используются в Европе, Японии и Америке. Широкому распространению ТНУ во многих странах способствуют рост цен на энергию, а также законодательство по энергоэффективности, экологическое законодательство, требования по снижению выбросов парниковых газов. Но главным является то, что рынки ТНУ за рубежом формируются при поддержке государства. Компании, предлагающие экологически чистые установки, пользуются налоговыми льготами, а домовладельцы, приобретающие такое оборудование, получают дотации, субсидии, льготные кредиты.
Опыт использования тепловых насосов в России пока мал, однако стимул для их внедрения есть. Во-первых, потому что с ростом цен на топливо и электроэнергию и повышением экологических требований возрастает целесообразность их использования. Во-вторых, в нашей стране активно развивается малоэтажное строительство, его доля в общем объеме сдаваемого жилья в последние годы находится на уровне 40–47 % и имеет тенденцию к росту. В 2009 г. на нужды отопления и горячего водоснабжения (ГВС) малоэтажной застройки было израсходовано топливо в размере 52 млн т у. т. [9].
Одна из причин непопулярности ТНУ в России это суровые климатические условия в большей части страны. Как известно, эффективность применения тепловых насосов напрямую связано с температурным режимом региона (потенциал грунта как источника низкопотенциальной тепловой энергии для южных регионов существенно выше, чем для северных). Например, температура грунта на глубине 50–100 м в условиях г. Пятигорска составляет 15–16ºС, для г. Москвы 10–11 ºС, а для г. Архангельска 4–5 ºС. Чем выше температура грунта, тем выше коэффициент трансформации, тем меньше электроэнергии тратит тепловой насос на выработку одного и того же количества тепла [9]. Таким образом, в регионах с суровым климатом ТНУ может быть неэффективен.
Самым потребляемым топливом в России является природный газ. Но уровень газификации недостаточен и равен 55,4 % по всей стране на 2014 год [3], хотя Россия является одним из крупнейших поставщиков газа. В таких условиях тепловой насос может стать заменой традиционных источников тепловой энергии, а именно газовых, жидкостных твердотопливных котлов и прямого электрического отопления.
Установка теплонасосного оборудования требует высокие начальные удельные капитальные вложения. Рынок теплонасосной техники в России только формируется. В основном, представлены тепловые насосы зарубежного производства, и они достаточно дороги. Кроме стоимости основного оборудования, его монтажа и наладки, для наиболее распространенных в области теплоснабжения грунтовых ТНУ требуются буровые работы на глубине 50–100 м, которые также являются дорогостоящими. Более экономичным решением являются ТНУ с горизонтальным коллектором. Однако для размещения горизонтального коллектора необходим свободный земельный участок значительной площади, который в дальнейшем выбывает из хозяйственного оборота: на нем нельзя возводить постройки, сажать деревья и кустарники, так как раскладка такого коллектора осуществляется на глубине от 1 до 3 м (в зависимости от географической местности и типа грунта). В настоящее время в системах индивидуального теплоснабжения более широкое распространение получают ТНУ с вертикальным зондом. Так, для условий центральных регионов только стоимость работ по бурению скважины оценивается в 1800–3000 руб. (в зависимости от геологических характеристик площадки) за погонный метр.
Из-за того, что удельные капиталовложения в ТНУ существенно выше, чем для альтернативных нагревателей, тепловой насос устанавливают лишь на часть расчетной отопительной нагрузки с покрытием пиковой тепловой нагрузки от более дешевого нагревателя. Определение доли теплового насоса в покрытии общей тепловой нагрузки потребителя — это оптимизационная задача, которая решается в каждом конкретном случае индивидуально. Ее результат зависит от схемы теплоснабжения дома, плотности графика продолжительности стояния температур наружного воздуха в регионе, соотношения стоимости теплового насоса и пикового нагревателя, стоимости электроэнергии в регионе. Расчеты показывают, что комплект ТНУ с подключением и бурением скважины стоит дороже, чем установка газового или электрического котла. В целом, установка системы с ТНУ дороже теплоснабжения от котла в 2,4–2,8 раз [9], но после периода окупаемости, ТНУ может обеспечить наименьшие затраты на отопление.
В качестве примера рассмотрим магистерскую диссертацию Чернышева Д. А., Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, на тему: «Обоснование применения тепловых насосов в системах теплоснабжения общественных и жилых зданий Ленинградской области». Он рассчитал систему отопления здания на базе теплового насоса и сравнил с другими видами отопления.
В качестве расчетной модели принял общественное здание — гостиница на 40 человек. В качестве источника отопления здания выбрал тепловой насос с вертикальными грунтовыми теплообменниками.
Далее были рассчитаны затраты на отопление при разном виде топлива для данного здания (см. рис. 2).
Рис. 2. Сравнительная диаграмма затрат разными видами топлива
В результате своей работы он пришел к выводу, что природный газ является самым выгодным видом топлива для отопления здания в Ленинградской области, а самым дорогим — электричество. Однако, в условиях отсутствия газификации населенного пункта, отопления с парокомпрессионным тепловым насосом является самым выгодным. Как альтернативу тепловому насосу можно рассматривать котел на базе пеллетов, однако, при таком виде топлива переплата в год составит около 112 тыс. руб. по сравнению с затратами на отопление тепловым насосом для вышеуказанного случая.
Был посчитан период окупаемости теплового насоса для данного здания (см. рис. 3). Средняя рыночная цена пеллетного котла с автоматической подачей пеллет 1 млн. руб., цена теплового насоса мощностью 60кВт с монтажом грунтового теплообменника 2 млн. руб.
Рис. 3. Сравнение отопления на базе пеллетов и теплового насоса
Из рисунка 3 видно, что затраты на установку теплового насоса больше, но их окупаемость составит примерно 9 лет по сравнению с отоплением на базе пеллетов, т. е. через этот период тепловой насос обеспечит наименьшие затраты на отопление данного здания [7].
Выводы.
Основными факторами, сдерживающими рост рынка тепловых насосов в России, являются:
− суровые климатические условия на большей части страны;
− относительно невысокая стоимость эксплуатации газового оборудования;
− высокие начальные капитальные вложения на установку теплонасосного оборудования.
Сегодня основной российский потребитель теплонасосного оборудования — это потребитель, поставленный в такие условия, что выбор теплонасосного оборудования является практически единственным вариантом решения проблемы отопления или горячего водоснабжения. Также рост тарифов и высокая стоимость подключения газа все чаще подталкивают потребителя обратить внимание на тепловой насос как на теплогенератор для системы отопления и ГВС.
В настоящее время на базе кафедры «Гидравлика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого проводится исследование на тему «Территориально-климатический анализ энергоэффективности систем теплоснабжения с тепловыми насосами», в котором необходимо провести анализ эффективность теплового насоса для обоснования его применения в системах теплоснабжения зданий малой этажности в разных регионах России (северных, южных и центральных). Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
− Выбрать наиболее оптимальный вид источника низкопотенциального тепла для эффективной работы теплового насоса в каждом исследуемом регионе;
− Провести расчет коэффициента преобразования теплового насоса в соответствии с климатом каждого исследуемого региона;
− Рассчитать систему отопления модели здания на базе теплового насоса для каждого исследуемого региона и сравнить с другими видами отопления;
− Сравнить результаты полученные при анализе энергоэффективности систем теплоснабжения на базе тепловых насосов для каждого исследуемого региона.
Литература:
- Берзан В. П. Аспекты проблемы стимулирования внедрения тепловых насосов / В. П. Берзан, С. Г. Робу, М. Л. Шит // Проблемы региональной энергетики. – 2011. – № 1. – С. 91–94.
- Европейский рынок тепловых насосов // АВОК. — 2016. — № 7. — С. 50–55.
- Газификация районов России. Газпром Межрегионгаз. Режим доступа: http://mrg.gazprom.ru/about/gasification/.
- Тепловые насосы Финляндии. TMenergy. Режим доступа: http://www.tmenergy.ru/teplovyie-nasosyi/stati/ryinok-teplovyix-nasosovfinlyandii-prodolzhaet-rasti/.
- Шилкин Н. В. Использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения зданий/ Н. В. Шилкин // САНТЕХНИКА. -2003. -№ 3. — С. 10–15;
- Кобылкин М. В. Перспективное направление внедрения тепловых насосов / М. В. Кобылкин, С. Г. Батухтин, К. А. Кубряков // Международный научно-исследовательский журнал. –2014. –№ 5–1 (24). –С. 74–75.
- Чернышев Д. А. Обоснование применения тепловых насосов в системах теплоснабжения общественных и жилых зданий Ленинградской области: магистерская диссертация: 08.04.01 / Д. А. Чернышев; С.-Петербургский политехнический ун-т Петра Великого. — СПб., 2016. — 52 с.
- Аверьянова О. В. Энергосберегающие технические решения для местно-центральных систем обеспечения микроклимата при использовании тепловых насосов в качестве местных агрегатов, объединенных в единый водяной контур / О. В. Аверьянова // Инженерно-строительный журнал. — 2011. — № 1. — С. 37–45.
- Перспективы использования тепловых насосов в России. Режим доступа: http://teplovoy-nasos.baltcomfort.ru/informatsiya/151-problemy-i-perspektivy-ispolzovaniya-teplovykh-nasosov.html/.
- Протасевич А. М. Энергосбережение в системах теплогазоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха: учебное пособие/ А. М. Протасевич. — М.: НИЦ ИНФРА-М, Нов. Знание, 2016. – 286 с.
