Энергия — под ногами. Но… лень «поднять»
Простой способ добычи почти дармового тепла, используемый во всем мире, у нас — экзотика!
Уже четверть века в Запорожской области изготавливаются так называемые тепловые насосы. Если очень коротко и в общем — такой агрегат как бы выкачивает тепло оттуда, где оно есть хотя бы в самых незначительных количествах, аккумулирует его и подает в систему уже в необходимых температурах. Однако покупать тепловые насосы для того, чтобы экономить энергопотребление, никто не торопится. Развращенные дешевыми когда-то энергоносителями и стонущие теперь от их удорожания областные и районные власти, предприятия, муниципалитеты проявляют к альтернативным способам получения энергии (и в частности тепла), мягко говоря, не слишком горячий интерес.
Холодильник наизнанку
Сегaодня в Украине стоимость производства тепла зависит от вида энергоносителя: когда-то самым дешевым был природный газ, затем — дизельное топливо и электричество. Но вырабатывать все это дорого. Тепловой насос по сравнению с любым традиционным теплогенератором позволяет экономить до 80% энергоресурсов! Он «забирает» тепловую энергию из грунта, скальной породы или озера, накопленную за теплое время года. (Источником тепла может быть даже снег! Ведь тепло, отнимаемое от охлаждаемых продуктов, то есть теплота образования снега и его охлаждения, выделяется из нашего бытового холодильника и обогревает пространство позади него.)
— Тепловой насос — это, кстати, как обычный кондиционер, но в обратном цикле, — объяснил в комментарии для «УТГ» начальник территориального управления государственной инспекции по энергосбережению в Запорожской области Сергей Ушенко. — Ведь кондиционер может работать в том числе и на обогрев. И тепловые насосы работают по этому же принципу, и затраты идут только на циркуляцию теплоносителя.
Большие планы
«Концепция развития топливно-энергетического комплекса Украины на 2006—2030 годы» предусматривает увеличение объема производства тепловой энергии за счет термотрансформаторов, тепловых насосов и аккумуляционных электронагревателей с 1,7 млн Гкал/год в 2005 году до 180 млн Гкал/год в 2030-м, то есть более чем в 100 раз. Несомненно, что при соответствующей поддержке государства это могло бы быть большим стимулом в реальном, а не декларируемом внедрении энергосберегающих технологий.
Тепловой насос по определению — это, с одной стороны, источник энергии для какой-либо системы отопления и горячего водоснабжения, с другой — источник холода для системы кондиционирования. Специалисты полушутя называют его «холодильник наоборот» (который, впрочем, и охлаждать тоже способен). Направление передачи энергии в тепловом насосе противоположно естественному направлению (в природе ведь теплота перетекает от горячего тела к холодному). Поэтому такое преобразование согласно второму закону термодинамики возможно лишь в обратном термодинамическом цикле за счет подвода, конечно же, некоторого количества энергии извне в виде механической или электрической.
Как же это происходит? Уложили, например, в землю трубопровод. Теплоноситель, проходя по нему, нагревается на несколько градусов. Затем, проходя через теплообменник (испаритель), отдает собранное тепло во внутренний контур теплового насоса, который заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и температуре –5°С. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где из-за сжатия его температура повышается. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). Там происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома (или другого объекта). Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. (При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.)
— Возьмем тепловой насос, работающий на энергии воды (сами установки по принципу одинаковые и различаются только улавливающими оконечностями), — приводит далее примеры Сергей Ушенко. — Трубы проложены по дну водоема, где температура ниже +4 не бывает. Прогнали по контуру. Отбирается вот этот низкопотенциальный теплоноситель, забрали три градуса из окружающей среды, сконцентрировали и подали в систему отопления. Получается коэффициент порядка 3,5—4. То есть я потратил один киловатт электроэнергии, а получил 3,5— 4. Сами видите, КПД — 350%! И это при том, что когда мы сжигаем газ, имеем коэффициент полезного действия 0,9. А с учетом потерь на всех этапах и того меньше.
Тепловой насос — это единственная установка, которая производит в 3—7 раз больше тепловой энергии, чем потребляет электрической (которой «кормится» компрессор). Эти установки используются для автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений, охлаждения и поддержания постоянной температуры воды технологических циклов, что позволяет контролировать и регулировать температурные режимы теплоносителей.
Экономная заграница
Сегодня в мире успешно эксплуатируется более 130 млн теплонасосных установок различного функционального назначения. «Взять ту же самую Норвегию, — продолжает Ушенко. — Хотя там и добывают природный газ, но газопровод отсутствует, они не обеспечивают газом потребителей, кроме промышленности. Есть электростанции, работающие на всех видах топлива, прежде всего с учетом имеющейся биомассы. Второй пример – Швеция, где порядка 20% энергии вырабатывается за счет тепловых насосов. Это огромный процент. За последние 30 лет Швеция практически отказалась от традиционных источников. У них нефть, газ и электроэнергия составляют около 10% в структуре потребления. А все остальное — за счет нетрадиционных, возобновляемых источников, и прежде всего тепловых насосов.
В Америке индивидуальные дома, бунгало построены по всем магистралям, газ туда не тянут. И электричеством не покроешь все нагрузки, да и разориться можно. Поэтому в каждом третьем коттедже стоят тепловые насосы. Например, пробивается скважина, там температура воды всегда +8, +9, за счет отбора тепла из скважины отапливается жилой объект».
Еще в 2000 году в США исследованиями и производством тепловых насосов (преимущественно класса «воздух-воздух») занималось более пятидесяти крупных фирм. Общее количество работающих тепловых насосов к 2003 году превысило 25 млн. В США стабильный прирост продаваемых теплонасосных установок (ТНУ) на протяжении более 20 лет!
В Японии ежегодно производится и продается до 500 тыс. ТНУ различного функционального назначения и около 5 млн теплонасосных систем являются основным оборудованием в обеспечении теплом жилищного фонда.
Примечательно, что в Европе 77% тепловых насосов используют в качестве источника тепла наружный воздух, хотя в Швеции (там самые мощные установки в мире), Швейцарии и Австрии преобладают тепловые насосы, забирающие тепло из грунта. В Норвегии в этом плане большее разнообразие — на конец 1999 года там насчитывалось в эксплуатации 27200 теплонасосных установок. Так вот, из них 67% использовали в качестве источника тепла окружающий воздух, 12% — отработавший вентиляционный воздух, 19% — воду и грунт.
Своевременно поняли необходимость внедрять экономные технологии и в Китае, где спрос на реверсивные тепловые насосы еще в 1989 году составлял 500 тыс. единиц, а к 2003-му достиг 18 млн, опередив Японию более чем в 2 раза.
В Германии для систем отопления и горячего водоснабжения используют тепловые насосы большой мощности с приводом компрессоров от дизельных и газовых двигателей и с утилизацией теплоты выхлопных газов.
А вот ближайшие примеры. В Грузии эксплуатируются системы кондиционирования воздуха на базе ТНУ на Самтредской чайной фабрике, Сагареджойском молочном комбинате, в курзале Пицунды, климатобальнеологической лечебнице в Гаграх, торговом центре Сухуми. В России группа ЗАО «Энергия» (Новосибирск) и комплекс «Тепломаш», ОАО «Кировский завод» (С.-Петербург) выпускают теплонасосные установки мощностью от 10 до 3000 кВт. Ожидается, что к 2010 году действующий парк ТНУ в России будет вырабатывать до 20 млн Гкал тепла, а в 2015-м — более 45 млн Гкал. В городе Дивногорске планируют использовать теплоту воды Енисея. Это позволит снизить годовой расход электроэнергии на отопление и горячее водоснабжение города на 400000 МВт/ч, экономить бюджетные средства города (100 млн рублей в год). Стоимость всего проекта — 400 млн руб. То есть через 4 года затраты полностью окупятся.
Общий объем продажи выпускаемых за рубежом тепловых насосов составляет $125 млрд, что превышает мировой объем продажи вооружений в три раза! Ежегодный рост количества таких систем, устанавливаемых почти в тридцати странах, оценивается в 10%. И это не предел, ведь там деньги считать умеют. Согласно данным Международного энергетического агентства (IEA), к 2020 году в развитых странах мира доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов должна составить 75%.
Догоним и перегоним?..
В Запорожской области тепловые насосы изготовляет мелитопольский завод холодильного оборудования «Рефма», который производил их еще в 80-х годах. Тогда они использовались для сушки древесины. Но…
«Заказчиков нет, — разводит руками Сергей Ушенко. — И все же, я думаю, этим надо серьезно заниматься! Представители «Рефмы» что делают? Ходят по кабинетам, а надо выходить на средства массовой информации, рассказывать, доказывать, объяснять, иллюстрировать, делать пилотные проекты».
По словам специалиста, была попытка получить грант на Запорожскую область от USAID. Проект предусматривал участие именно «Рефмы». В Запорожье есть река (на старых картах она именуется Капустянкой, на новых Технической), через которую промышленные предприятия сбрасывают в Днепр отходы. Поэтому она имеет специфические цвет, запах и температуру. В народе называется Хуанхэ, или Красная река.
— Схема была такая: изготовляем тепловой насос и устанавливаем на берегу Красной речки, там вода всегда теплая. Полученное тепло подается в центральную теплосеть, — рассказывает Сергей Ушенко. — К сожалению, не получили мы грант, а стоимость агрегата 10 тысяч долларов (это отпускная цена). Хотя завод все же мог вложить свои средства. Им бы это обошлось где-то в 7 тысяч долларов. Я не считаю их деньги, я просто говорю о том, что стратегия должна быть. Возьмите, в конце концов, кредит! Поставьте насос, привезите туда «спецов» с промпредприятий. Ведь есть промышленные стоки, система вентиляции выбрасывает на улицу тепло. За рубежом тепловые насосы даже на канализационных стоках работают!
— Интерес к тепловым насосам сейчас появляется, — рассказал заместитель председателя правления, главный инженер открытого акционерного общества «Рефма» Григорий Волосатов. — Например, в Харькове такие установки работают на вокзале, системы расположены в грунте на глубине около 20 метров под автостоянкой. Что же касается нашего предприятия, то заказы есть. Вообще, это сравнительно небольшие агрегаты. Например, для обогрева 5-этажного дома понадобится тепловой насос размером около пяти кубических метров.
В прошлом году «Рефма» изготовила три тепловых насоса для концерна «Стирол». Экономия энергоресурсов — немаловажный фактор успеха этого концерна.
Сейчас муниципалитет Бердянска, славящийся стремлением к целесообразности в городском хозяйстве, проявил интерес к тепловым насосам, работающим на придонной морской воде. В ближайшее время специалисты предприятия «Рефма» выедут на место, чтобы изучить такую возможность. Ведутся переговоры со строительной организацией, которая выполнит монтаж установок. Добытое тепло планируется подавать в коммунальные сети, чтобы зимой обогревать и обеспечивать горячей водой часть жилищного фонда.
— Проект довольно быстро окупится, — заверяет Григорий Волосатов. — Если раньше для этого нужно было 4 года, то сейчас потраченные деньги «отобьются» где-то за 2,5 года. Но это пока приблизительно.
Почему же почти никого все это не интересует? Разве у нас мало проблемных отраслей? Например, в теплоснабжении объектов ЖКХ затраты топлива на производство тепла в 1,7 раза превосходят затраты на электроснабжение. Технико-экономические расчеты показывают, что затраты топлива в системах теплоснабжения на базе тепловых насосов для объектов ЖКХ могут быть уменьшены по сравнению с крупными отопительными котельными в 1,2—1,8 раза, по сравнению с мелкими котельными, индивидуальными теплогенераторами — в 2—2,6 раза, а по сравнению с электронагревателями — даже в 3—3,6 раза!
Заметим, что внедрение теплонасосных технологий во всех странах мира осуществляется при существенной государственной поддержке в виде двухставочного тарифа на покупку электроэнергии, субсидий покупателям тепловых насосов, субсидий и грантов производителям теплонасосного оборудования и фирмам, внедряющим теплонасосную технологию, а также налоговых или кредитных льгот.
— Нужно привлечь внимание к этим системам, — добавил Григорий Волосатов. — Необходима государственная программа. И она будет создана при нашем непосредственном участии. Мы уже общались со специалистами Минпромполитики, проводим соответствующие исследования и скоро представим свои выводы.
Ну а пока мы вместо того, чтобы бережно, по крупицам собирать тепло из окружающей среды, расточительно выпускаем его в оную — чудовищными факелами на трубах металлургических заводов, через разбитые окна и незакрывающиеся двери, сквозь дыры в изоляции теплоцентралей… Или через какую-нибудь Красную речку подогреваем загаженный нами Днепр.
Пристально
Разновидности тепловых насосов
Грунт–вода (грунтовой тепловой насос)
Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что обеспечивает относительно равномерный уровень температуры источника тепла на протяжении всего года. Это позволяет эксплуатировать тепловой насос с высоким коэффициентом мощности. Тепло окружающей среды передается вместе со смесью из воды и антифриза (спирта). Забор тепла из грунта осуществляется с помощью проложенной в грунте системы пластиковых труб на глубине 1—1,2 м. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами — около 1 м.
Вода–вода (водяной тепловой насос)
Источником тепла могут быть поверхностные (реки, озера) или почвенные воды (скважины). Слишком редко возникают подходящие условия для частника. Но если рядом течет незамерзающая река или есть озеро, можно уложить трубы на дно, притопив грузами.
Вертикальные коллекторы — это система длинных труб, опускаемых в глубокую скважину (50—150 м). Здесь нужен всего пятачок земли, зато требуется дорогостоящие бурильные работы. На глубине всегда одинаковая температура — около 10°С, поэтому данный вид коллектора более эффективен.
Воздух–вода (воздушный тепловой насос)
Окружающий воздух особенно легко использовать в качестве источника тепла, он имеется везде и в неограниченном количестве.
Справка «УТГ»
Преимущества использования отопительных систем на базе тепловых насосов
— Высокая эффективность преобразования электроэнергии по сравнению с электронагревательными приборами.
— Экологически чистая технология.
— Отсутствие выбросов в атмосферу вредных веществ и углекислоты.
— Использование озонобезопасного вида фреона.
— Надежная автоматическая работа установки, не требующая постоянного присутствия человека.
— Минимальные эксплуатационные расходы по сравнению с другими отопительными системами.
— Длительный срок службы без капитального ремонта (10—20 лет: 45 тыс. часов для ТН с поршневым компрессором; 60 тыс. часов — для ТН с винтовым компрессором).
— Малые габариты и вес.
Основные достоинства применения теплонасосных технологий
— Высокая энергетическая эффективность.
— Экологическая чистота.
— Надежность.
— Комбинированное производство теплоты и холода в одной установке.
— Мобильность.
— Универсальность по тепловой мощности.
— Универсальность по виду используемой низкопотенциальной энергии.
— Полная автоматизация работы установки.
Справка «УТГ»
Преимущества использования отопительных систем на базе тепловых насосов
— Высокая эффективность преобразования электроэнергии по сравнению с электронагревательными приборами.
— Экологически чистая технология.
— Отсутствие выбросов в атмосферу вредных веществ и углекислоты.
— Использование озонобезопасного вида фреона.
— Надежная автоматическая работа установки, не требующая постоянного присутствия человека.
— Минимальные эксплуатационные расходы по сравнению с другими отопительными системами.
— Длительный срок службы без капитального ремонта (10—20 лет: 45 тыс. часов для ТН с поршневым компрессором; 60 тыс. часов — для ТН с винтовым компрессором).
— Малые габариты и вес.
Основные достоинства применения теплонасосных технологий
— Высокая энергетическая эффективность.
— Экологическая чистота.
— Надежность.
— Комбинированное производство теплоты и холода в одной установке.
— Мобильность.
— Универсальность по тепловой мощности.
— Универсальность по виду используемой низкопотенциальной энергии.
— Полная автоматизация работы установки.
Если разобраться
Теплонасосы — пионеры… в Украине
В Украине нет полноценного промышленного производства тепловых насосов, работают единичные установки, созданные в основном на элементной базе холодильного оборудования. Вспомним, что энергетика у нас развивалась по пути централизованного теплоснабжения и теплофикации, и это нам теперь «икается». Но и сейчас тепловые насосы внедряются благодаря энтузиазму их производителей.
Один из самых известных проектов — созданная в Центре энергосбережения КиевЗНИИЭП под руководством В.Ф.Гершковича экспериментальная теплица, обогреваемая тепловым насосом класса «воздух-грунт» с использованием вертикальных грунтовых теплообменников. В течение 8 лет эксплуатации температура воздуха в теплице автоматически поддерживалась на уровне 15—20°С круглогодично, при этом коэффициент преобразования колебался от 4 до 2,2.
А в декабре 1999 года был внедрен проект отопления тепловым насосом типа «воздух-воздух» 4-этажного офисного здания в Киеве. Тепловой насос французской фирмы CIAT гарантированно функционирует при температурах наружного воздуха до минус 15°С. Тепловой насос установлен в специальном техническом помещении, где приточный атмосферный воздух подогревается теплым вытяжным воздухом даже при температурах наружного воздуха ниже минус 20°С, на вход испарителя воздух поступал с температурой, обеспечивающей его безопасную работу. В летнее же время теплонасос обеспечивает кондиционирование помещений.
В НПП «Инсолар» совместно с ИПМаш НАН Украины создана серия тепловых насосов для технологических процессов сушки. Сушильные установки — наиболее рациональная область внедрения теплонасосной технологии. Теплонасосные сушильные установки успешно применены для мягкой сушки древесины, керамики, гипсовых форм, овощей и фруктов, лекарственных трав, продуктов питания. Лабораторные и промышленные испытания показали, что энергозатраты на 1 кг удаляемой влаги могут быть снижены в 2—4 раза по сравнению с традиционной сушилкой. Совместное использование тепла и холода позволяет охлаждать высушенный материал, что очень важно при сушке лекарственных трав, семян, товарного зерна и другого сырья сельскохозяйственного производства.
Капиталовложения в систему обеспечения оптимального температурно-влажност¬ного режима в типовом крытом бассейне, разработанную НПП «Инсолар» на базе ТНУ, и утилизаторов теплоты сбросных воздушных и водяных потоков, внедренную в бассейне «Нефтяник» (г. Ахтырка Сумской области), окупились за 18 месяцев эксплуатации. При этом удалось почти в 8 раз снизить пиковое энергопотребление и исключить бассейн из разряда энергорасточительных объектов.{jcomments on}
