Введение
Тепловые насосы как технология, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм.
Тепловой насос — экологически чистая система, позволяющая получать тепло для отопления и горячего водоснабжения коттеджей за счет использования низкопотенциальных источников и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться 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.
Применение ТНУ в мире и в России
За рубежом теплонасосная техника находит широкое применение для целей теплоснабжения жилых и офисных зданий более 30 лет. Толчком для ее массового применения стал энергетический кризис 1970-х годов. В 2009 г. в мире количество тепловых насосов, использующих тепло грунта, превысило 2,8 млн шт., их суммарная установленная тепловая мощность составила 35 ГВт, а ежегодное производство тепловой энергии — 214 тыс. ТДж. Лидерами по установке ТНУ данного типа стали США и Швеция, большое количество их эксплуатируется в Японии, Германии, Швейцарии. В последние годы ТНУ начали активно внедряться в Китае. 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, как правило, 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 нашей стране пока невелик, однако условия 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.
Ограничения внедрения ТНУ
Исследование эффективности использования ТНУ для автономного отопления и горячего водоснабжения объектов малоэтажной застройки показало, что, по сравнению с традиционными системами автономного теплоснабжения — индивидуальными газовыми и электрическими котлами — ТНУ имеют ряд ограничений, для преодоления которых требуются дополнительные затраты.
Основными ограничениями внедрения тепловых насосов являются следующие.
- Высокие удельные капитальные вложения. Рынок теплонасосной техники в России только формируется. В основном, представлены тепловые насосы зарубежного производства (Германия, Австрия, США), 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. 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 (т.н. базовую часть) 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. Ее результат зависит от схемы теплоснабжения дома, плотности графика продолжительности стояния температур наружного воздуха в регионе, соотношения стоимости теплового насоса и пикового нагревателя, стоимости электро-энергии 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. - Ограничения по температуре на выходе из теплового насоса. Максимальная температура, которую может обеспечить греющий контур геотермальных тепловых насосов, как правило, составляет 55 °С, у отдельных моделей — 60-65 °С. Для того, чтобы тепловой насос мог работать в течение всего отопительного периода и максимально реализовать свой энергосберегающий потенциал, необходимо использование низкотемпературных систем отопления — системы отопления с максимальными температурами в прямой и обратной линиях не выше 70 и 50 °С соответственно. Однако для низкотемпературных систем требуется увеличенная площадь отопительных приборов по сравнению с традиционными системами отопления, рассчитанными на температурный график 95/70 °С. Это влечет дополнительные затраты.
- Неоднородность теплового потенциала грунта в региональном разрезе. Потенциал грунта как источника тепла для южных регионов существенно выше, чем для северных. Так, 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. Отметим, что экономическая эффективность применения тепловых насосов на цели теплоснабжения существенно зависит от климатических условий региона в целом, причем факторы, влияющие на эффективность использования тепловых насосов, имеют разную направленность. Тепловой потенциал грунта и, соответственно, коэффициент трансформации растет с севера на юг, но продолжительность отопительного периода и число часов использования ТНУ, а значит и реализация их энергосберегающего потенциала, с севера на юг уменьшается.
- Учет фактора охлаждения грунта при эксплуатации ТНУ. Потребление тепловой энергии к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. На севере этот фактор выражен сильнее, чем на юге. Потребление тепловой энергии в течение каждого последующего отопительного сезона вызывает дальнейшее охлаждение грунта. Снижение температуры грунта имеет экспоненциальный характер, и примерно через пять лет эксплуатации его температура выходит на квазистационарный уровень, пониженный относительно естественного на 1-2º и более. При проектировании систем теплоснабжения необходим учет такого охлаждения грунта, что делает ее еще более затратной.
Варианты теплоснабжения с применением ТНУ
Схемы теплоснабжения с тепловым насосом, применяемые для теплоснабжения домов, можно разделить с точки зрения включения пикового подогревателя на последовательные и параллельные.
При последовательной схеме вода, нагретая тепловым насосом — при температурах наружного воздуха, при которых ее температуры достаточно для покрытия нагрузки — поступает в радиаторы. При более холодной погоде включается пиковый источник.
При параллельной схеме с пиковым электрообогревателем вода, нагретая тепловым насосом, подается в радиаторы на протяжении всего отопительного периода, а, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в отапливаемых помещениях требуется генерация недостающего тепла. В качестве его источника может быть использован газовый котел, котел на жидком топливе, электрокотел, нагреватель конвективного или инфракрасного типа, что также влечет дополнительные затраты.
Высокую энергетическую эффективность обеспечивает комбинирование теплового насоса с системой отопления «Теплый пол». В такой системе тепловой насос работает на протяжении всего отопительного периода. Однако в ней, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в помещениях требуется дополнительная генерация тепла. Согласно СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» средняя температура для полов помещений с постоянным пребыванием людей не должна превышать 26ºС. Низкотемпературная система отопления «теплый пол» позволяет получить тепловой поток 50-150 Вт/м2, при температуре теплоносителя 35-55 ºС. При этом имеют место ограничения, накладываемые на элементы интерьера: есть требования к толщине и теплопроводности напольного покрытия, не допускается применение ковровых покрытий; необходима дистанция между стенами и границей укладки труб; требуется план расстановки мебели, изменение которого в дальнейшем не желательно. В общем случае максимальная площадь укладки «теплого пола» составляет 60-70% отапливаемой площади.
Кроме компрессионных тепловых насосов, уже нашедших широкое применение в теплоснабжении, возможно использование тепловых насосов абсорбционного типа, в которых функцию компрессора на электрическом приводе выполняет т.н. «тепловой компрессор», работающий за счет сжигания топлива. В последнее время производители тепловых насосов малой мощности готовят к выпуску модели абсорбционных, а также адсорбционных тепловых насосов на базе микропористого алюмосиликатного минерала «цеолит». Они имеют более высокие капитальные вложения. Преимуществом абсорбционных и адсорбционных тепловых насосов является то, что они могут работать на более дешевой, по сравнению с электрической, энергии сжигания топлива. В тепловых насосах этого типа отсутствует электрический компрессор, электрическая мощность требуется лишь для циркуляции теплоносителя в отопительной системе и системе сбора низкопотенциального тепла. Абсорбционные и адсорбционные тепловые насосы требуют меньшей холодопроизводительности, чем компрес-сионные — это позволяет использовать менее глубокие скважины, что дает экономию на дорогостоящих работах по бурению.
Об оценке капитальных вложений
В поиске более экономичного с точки зрения капитальных вложений решения нами рассмотрены тепловые насосы, использующие в качестве источника низкопотенциального тепла атмосферный воздух. Тепловые насосы этого типа имеют коэффициент трансформации 3,2-3,6 (при температуре воздуха tн=2 °С). Однако они имеют существенные ограничения в использовании: при снижении температуры наружного воздуха резко снижаются их тепловая мощность и коэффициент трансформации. При tн<-20 °С использовать такие водо-воздушные тепловые насосы на цели отопления невозможно; а на цели ГВС их невозможно использовать уже при -15 °С. В наиболее холодные интервалы отопительного периода теплоснабжение производится за счет дублирующих установок — электрокотлов, которые приходится рассчитывать на полную тепловую нагрузку. Это не позволяет экономить затраты на пиковый источник тепла и на заявленную электрическую мощность, и из-за этого, а также из-за пониженного в холодные периоды коэффициента трансформации, резко возрастает годовой расход электроэнергии.
Сопоставление описанных схем с тепловыми насосами разных типов и альтернативных систем индивидуального теплоснабжения выполнено по критерию минимума суммарных дисконтированных затрат на систему отопления поселка малоэтажной застройки, состоящего из 200 домов общей площадью по 200 м2 каждый, за расчетный период 30 лет (см. рис.).
По критерию минимума суммарных затрат в настоящее время тепловые насосы не способны конкурировать с котлами на газе. Экономическая ниша тепловых насосов - негазифицированные районы, и конкурирующая технология для них — электрокотлы.
Расчеты показывают, что, оптимизировав схему теплоснабжения с ТНУ, можно добиться экономии электроэнергии по сравнению с электрокотлом от 59% на севере до 64% на юге России и получить экономию заявленной электрической мощности порядка 20-25%.
Для условий Севера с большой продолжительностью отопительного периода (от 5600 ч/год) и высокими тарифами (от 2 руб./кВт∙ч) на электроэнергию схема отопления от компрессионного грунтового теплового насоса, работающего параллельно с конвекторным обогревателем, показывает близкие и даже более низкие затраты за расчетный период, чем электрокотлы. В остальных регионах России суммарные затраты на тепловые насосы, даже при оптимальном выборе схемы, температурного графика, поверхностей теплообмена — высоки по сравнению с суммарными дисконтированными затратами в теплоснабжение от электрокотлов, полученными при прочих одинаковых условиях. Обусловлено это, главным образом, высокими капитальными вложениями в ТНУ, причины которых рассмотрены выше. Все другие рассмотренные варианты теплоснабжения на базе тепловых насосов не являются экономически эффективными ни для одного из рассмотренных регионов России.
Проведенное дополнительное исследование показало, что системы теплоснабжения на базе ТНУ становятся экономически более эффективными, чем индивидуальные электрокотлы а) при повышении тарифов на электроэнергию и б) при снижении соотношения стоимости ТНУ и электрокотлов. Так, повышение тарифов на электроэнергию более, чем на 30% позволяет разработать такую схему теплоснабжения с тепловым насосом, которая будет экономически более эффективна по критерию суммарных дисконтированных затрат, чем теплоснабжение от электрокотла. При действующих тарифах на электроэнергию ТНУ будут экономически эффективными по сравнению с электрокотлами, если удастся снизить удельные капитальные затраты на их установку на 50% и более.
Оценен эффект от экономии условного топлива. Результаты показывают, что при среднем удельном расходе топлива на электростанциях 340 г у.т./кВт∙ч для условий северных регионов ни одна из схем теплоснабжения с тепловыми насосами компрессионного типа не является топливосберегающей по сравнению с газовыми котлами. Топливосберегающим эффектом обладают лишь абсорбционные (адсорбционные) установки, они позволяют экономить порядка 20% топлива. Для центральных южных регионов России при оптимальном выборе схемы теплоснабжения с компрессионной ТНУ может быть достигнута экономия топлива до 9% - даже по сравнению с использованием котлов на газе. По сравнению с использованием электрокотлов экономия топлива на электростанциях составляет 55-65% соответственно.
Заключение
Учитывая темпы малоэтажного строительства в субъектах федерации, прогнозы Минэкономразвития РФ роста тарифов на электроэнергию и газ и прогнозируемый темп инфляции, можно оценить спрос на установку тепловых насосов на цели теплоснабжения жилых зданий. По нашим оценкам, на перспективу до 2030 г. в стране в целом может быть востребовано порядка 3,4-4,4 ГВт теплонасосной мощности, что составляет 9-11% от вводимой тепловой мощности малоэтажной застройки. Их установка позволит экономить топливо в количестве около 3,8 млн т у.т. в год.
С.П. Филиппов, член-корр. РАН;
М.Д. Дильман, к.т.н.;
М.С. Ионов, инженер
Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН), г. Москва
